陳林波 岳光耀 徐財(cái)門(mén) 李 斌 辛公鋒 王育奎
(1.青島全球財(cái)富中心開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司 山東青島 266000;2.濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250031;3.青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 山東青島 266000;4.山東高速工程檢測(cè)有限公司 山東濟(jì)南 250000)
受基坑工程開(kāi)挖和地層卸荷作用的影響,基坑工程施工過(guò)程中不可避免地引起周?chē)馏w、地表鄰近建(構(gòu))筑物及地下管線的變形。為確?;影踩?、高效開(kāi)挖,基坑監(jiān)測(cè)是一種最為常用的施工控制手段[1]。目前傳統(tǒng)的基坑監(jiān)測(cè)多依據(jù)工程規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn),借助人力手動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析,且監(jiān)測(cè)結(jié)果多以二維圖表數(shù)據(jù)進(jìn)行展現(xiàn)。這一過(guò)程對(duì)技術(shù)人員水平要求較高,且處理的結(jié)果無(wú)法反映監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的三維空間和時(shí)間分布,無(wú)法及時(shí)、有效地反饋與指導(dǎo)實(shí)際工程施工。因此,建立一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)信息管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效管理,且通過(guò)設(shè)定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的閾值,實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)預(yù)警,對(duì)指導(dǎo)基坑施工具有十分重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。
BIM(Building information Modeling)為建筑信息模型,其通過(guò)數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)各種工程信息進(jìn)行添加,從而使工程模型本身在設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等各階段發(fā)揮相應(yīng)效用,提高信息的傳遞效率。該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)傳統(tǒng)的建筑模式帶來(lái)沖擊,將對(duì)未來(lái)建筑業(yè)生產(chǎn)模式掀起一場(chǎng)新型革命[2-5]。
目前,眾多學(xué)者關(guān)于基坑監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)做了諸多研究。江明明[6]對(duì)基于WebGIS的城市地鐵施工監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)進(jìn)行全面分析,探究系統(tǒng)的構(gòu)成、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)接口以及系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù);張園園[7]使用VB編程語(yǔ)言,通過(guò)Access2003創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù),ActiveX技術(shù)調(diào)用Excel軟件、MatrixVB軟件、Surfer8軟件分別實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)入,基坑墻頂位移預(yù)測(cè)及三維顯示和基坑圍護(hù)墻壁變形三維顯示,開(kāi)發(fā)了深基坑監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng);吳振軍等[8]基于GIS圖形可視化技術(shù),開(kāi)發(fā)了分布式基坑監(jiān)測(cè)信息管理與預(yù)警系統(tǒng);廖志剛等[9]基于BIM技術(shù),搭建了具有模型可視化、監(jiān)測(cè)可視化、設(shè)計(jì)屬性信息化、基坑監(jiān)測(cè)信息化、管理升級(jí)化特點(diǎn)的基坑監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。
上述研究在基坑工程的三維模型表達(dá)和監(jiān)測(cè)信息管理方面做了初步的探索,但尚未實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)共享和系統(tǒng)化管理。對(duì)此,本文綜合應(yīng)用BIM技術(shù)、Cesium三維引擎和Web端軟件編程技術(shù),實(shí)現(xiàn)了基坑工程的三維模型與地層環(huán)境的創(chuàng)建,并實(shí)現(xiàn)了基坑工程監(jiān)測(cè)信息三維可視化和實(shí)時(shí)共享。
系統(tǒng)需求分析是基坑監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)的前提?;颖O(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的本質(zhì)就是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù),對(duì)基坑監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行收集、儲(chǔ)存、共享、分析和展示[10-12]。基坑監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)應(yīng)具備高效的數(shù)據(jù)錄入、有序的數(shù)據(jù)查詢、信息修改、三維可視化、數(shù)據(jù)處理、預(yù)報(bào)預(yù)警和報(bào)表自動(dòng)生成等功能。同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù),支持設(shè)計(jì)單位、業(yè)主、施工單位和監(jiān)理單位及時(shí)共享數(shù)據(jù)及分析結(jié)果,提高數(shù)據(jù)的價(jià)值,更好地指導(dǎo)施工和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo):
(1)應(yīng)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)基坑工程和地層環(huán)境的三維模型構(gòu)建和表達(dá)。
(2)實(shí)現(xiàn)BIM模型與基坑監(jiān)測(cè)信息在Web端的三維可視化,支持自由旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、平移、部件剖切等功能。
(3)支持基坑監(jiān)測(cè)信息上傳與更新,同時(shí)支持對(duì)基坑監(jiān)測(cè)信息的快速查詢。
(4)支持基坑監(jiān)測(cè)信息的處理和分析,依據(jù)設(shè)定條件可生成圖表。
(5)支持根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)信息對(duì)基坑變形進(jìn)行預(yù)測(cè),同時(shí)根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果提供預(yù)警功能。
(6)支持根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,日期以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)格式的報(bào)表文件。
基坑BIM模型采用Revit軟件建立,主要分為以下四個(gè)步驟:
(1)導(dǎo)入底圖。首先將基坑工程CAD平面圖作為底圖導(dǎo)入到項(xiàng)目中,導(dǎo)入方式包括“鏈接CAD”和“導(dǎo)入CAD”兩種。通常,基坑CAD平面圖導(dǎo)入只保留必要的基坑邊界線,其他信息諸如高程點(diǎn)、道路、管線等圖形數(shù)據(jù)對(duì)建立模型無(wú)用,預(yù)先刪除。
(2)基坑放坡。基坑放坡常選擇適用性好的繪制地形表面的方式實(shí)現(xiàn)。繪制前,要對(duì)各點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。基于CAD底圖精準(zhǔn)設(shè)置三維點(diǎn),各點(diǎn)連接形成各個(gè)坡面。
(3)構(gòu)件布設(shè)。首先將族載入到基坑項(xiàng)目文件中,設(shè)置參數(shù)形成所需族類(lèi)型,將各個(gè)族實(shí)例放置于三維空間的指定位置處,即可完成基坑模型構(gòu)件布設(shè)。
(4)地層構(gòu)建。完整的基坑模型包括支護(hù)模型和地層模型。相較于CAD圖紙,3D地層模型使基坑模型更加完整、形象直觀,更貼合人們對(duì)基坑工程的理解認(rèn)知。以“板”代替地層,繪制地層邊界,設(shè)置地層厚度,以不同顏色代表不同地層,將地層設(shè)置在指定標(biāo)高處,繪制地層模型。
建立基坑BIM模型如圖1所示。
圖1 基坑BIM模型
數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)處理用戶數(shù)據(jù)以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),根據(jù)工程實(shí)際需要,建立用戶信息表、監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息表、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目信息表、監(jiān)測(cè)人員信息表、工程基本信息表、預(yù)警信息表、圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測(cè)記錄表、邊坡水平位移監(jiān)測(cè)記錄表、圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部沉降監(jiān)測(cè)記錄表、地下水位監(jiān)測(cè)記錄表、建筑物沉降監(jiān)測(cè)記錄表、地表沉降監(jiān)測(cè)記錄表、地下管線沉降監(jiān)測(cè)記錄表、圍護(hù)樁體內(nèi)力監(jiān)測(cè)記錄表、圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向土壓力監(jiān)測(cè)記錄表、錨(桿)索拉力監(jiān)測(cè)記錄表和基坑底部隆起監(jiān)測(cè)記錄表。以地表沉降監(jiān)測(cè)信息記錄表為例,如表1所示。
表1 地表沉降監(jiān)測(cè)信息記錄表
數(shù)據(jù)庫(kù)表之間通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體相互聯(lián)系,主要聯(lián)系方式包括一對(duì)一、一對(duì)多和多對(duì)多。本文以地表沉降監(jiān)測(cè)信息記錄表、預(yù)警信息表、監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息表、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目信息表、監(jiān)測(cè)人員信息表、工程信息表為例展示實(shí)體間關(guān)系的確定。
一條地表沉降記錄僅僅可以對(duì)應(yīng)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、一名監(jiān)測(cè)人員、一項(xiàng)工程,而每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)人員和工程項(xiàng)目都可以對(duì)應(yīng)多條監(jiān)測(cè)記錄,因此地表沉降監(jiān)測(cè)信息記錄表通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)(MP_ID)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息表形成多對(duì)一的關(guān)系,通過(guò)監(jiān)測(cè)人員(Employee ID)與監(jiān)測(cè)人員信息表形成多對(duì)一關(guān)系,通過(guò)工程編號(hào)(Project ID)與工程信息表形成多對(duì)一關(guān)系。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,而每個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可以對(duì)應(yīng)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息表通過(guò)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目序號(hào)(MI_ID)和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目表形成多對(duì)一關(guān)系。每個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)H對(duì)應(yīng)一條預(yù)警信息,因此監(jiān)測(cè)項(xiàng)目信息表通過(guò)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目編號(hào)(MI_ID)與預(yù)警信息表形成一對(duì)一關(guān)系。數(shù)據(jù)庫(kù)表之間關(guān)系如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)表關(guān)系
(1)操作系統(tǒng)
本系統(tǒng)支持Windows 10操作系統(tǒng),瀏覽器需支持 HTML5、WebGL、Highcharts。
(2)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言及環(huán)境
系統(tǒng)前端主要使用JavaScript編程語(yǔ)言,采用Cesium作為三維引擎,利用React組件技術(shù)設(shè)計(jì)UI,最后通過(guò)webpack打包器對(duì)靜態(tài)文件進(jìn)行打包。
系統(tǒng)后端使用JavaScript編程語(yǔ)言,Node.js開(kāi)發(fā)平臺(tái),Express框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
(1)登錄權(quán)限設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際使用以及信息安全性需求,設(shè)計(jì)三類(lèi)使用權(quán)限,分別是賬號(hào)管理員、項(xiàng)目管理員、監(jiān)測(cè)管理員。賬號(hào)管理員提供新建、注銷(xiāo)賬號(hào)的功能,可對(duì)已有賬號(hào)進(jìn)行管理,如信息查詢、密碼找回、修改權(quán)限等,但無(wú)法進(jìn)行上傳、修改、導(dǎo)出和刪除項(xiàng)目文檔文件和監(jiān)測(cè)信息的操作。賬號(hào)管理員賬號(hào)通常由系統(tǒng)維護(hù)人員使用。項(xiàng)目管理員提供上傳、修改、導(dǎo)出和刪除項(xiàng)目文檔文件的功能,同時(shí)支持對(duì)監(jiān)測(cè)信息的查詢、分析、預(yù)測(cè)預(yù)警等。項(xiàng)目管理員賬號(hào)通常由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人使用。監(jiān)測(cè)管理員賬號(hào)提供模型瀏覽、文檔下載、數(shù)據(jù)管理、預(yù)測(cè)預(yù)警和報(bào)表生成等基本功能。監(jiān)測(cè)管理員賬號(hào)由監(jiān)測(cè)員使用。
(2)三維可視化瀏覽。系統(tǒng)提供三維可視化基本的瀏覽功能,可以對(duì)基坑支護(hù)模型進(jìn)行全方位瀏覽,同時(shí)提供基坑支護(hù)模型部件快速定位和模型剖切功能,提高用戶使用體驗(yàn)。選中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)部件時(shí),可以查看部件的基本信息。同時(shí)系統(tǒng)還提供基坑監(jiān)測(cè)信息的三維可視化,使用戶能夠更加直觀地觀測(cè)基坑的地表沉降、錨索內(nèi)力、圍護(hù)樁頂水平位移和豎直位移等監(jiān)測(cè)信息?;舆€提供監(jiān)測(cè)信息的動(dòng)態(tài)演示,能夠以動(dòng)畫(huà)與動(dòng)態(tài)圖表結(jié)合的形式展示基坑監(jiān)測(cè)信息隨時(shí)間的變化情況。三維瀏覽界面如圖3所示,地表沉降三維可視化如圖4所示。
圖3 三維瀏覽界面
圖4 地表沉降三維可視化
(3)文檔管理。系統(tǒng)支持對(duì)工程文檔進(jìn)行管理,主要提供上傳、儲(chǔ)存、下載和刪除功能,以實(shí)現(xiàn)安全規(guī)范相關(guān)文檔、設(shè)計(jì)文檔、施工文檔、運(yùn)行的文件、圖紙、報(bào)告及其他圖文聲像資料管理。對(duì)文件進(jìn)行刪除操作時(shí),被刪除的文件會(huì)轉(zhuǎn)入回收站,回收站默認(rèn)保存30 d,30 d后徹底刪除。
(4)監(jiān)測(cè)信息管理。信息管理模塊主要功能包括監(jiān)測(cè)信息的查詢、錄入、編輯、分析。該模塊提供監(jiān)測(cè)信息查詢功能,進(jìn)行查詢時(shí),需要用戶選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、起止日期、監(jiān)測(cè)點(diǎn),表格就會(huì)顯示出符合要求的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),供用戶瀏覽。監(jiān)測(cè)信息查詢界面如圖5所示。
圖5 監(jiān)測(cè)信息查詢界面
目前系統(tǒng)支持對(duì)大部分監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的管理,包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移、土體側(cè)向變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部沉降、圍護(hù)樁體變形、地表沉降、地下水位和錨索內(nèi)力等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。在錄入數(shù)據(jù)前,要對(duì)監(jiān)測(cè)所得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,按照相關(guān)基坑監(jiān)測(cè)規(guī)范,將原始數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)化為可錄入的標(biāo)準(zhǔn)格式。
為方便監(jiān)測(cè)人員錄入監(jiān)測(cè)信息,系統(tǒng)提供單條錄入和批量錄入兩種錄入數(shù)據(jù)的方式。進(jìn)行單條錄入時(shí),首先應(yīng)選擇要錄入的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)具體的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目提供需要輸入的字段,用戶根據(jù)提示輸入每一項(xiàng)字段后點(diǎn)擊上傳按鈕即可錄入監(jiān)測(cè)信息。錄入信息可在監(jiān)測(cè)信息瀏覽窗口顯示,以供監(jiān)測(cè)人員監(jiān)測(cè)錄入信息是否正確。
系統(tǒng)提供批量錄入功能以減少用戶工作量。進(jìn)行批量上傳時(shí),首先應(yīng)將處理后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照固定格式填入Excel表格當(dāng)中,然后選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,點(diǎn)擊批量上傳按鈕會(huì)彈出文件路徑選擇對(duì)話框,選擇預(yù)先處理好的Excel表格文件后點(diǎn)擊上傳按鈕,即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的批量上傳。數(shù)據(jù)錄入界面如圖6所示。
圖6 數(shù)據(jù)錄入界面
系統(tǒng)還提供數(shù)據(jù)分析功能,用戶選定好監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、測(cè)點(diǎn)編號(hào)、起止日期即可生成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖表,方便用戶更加直觀地觀察監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。圖表生成界面如圖7所示。
圖7 圖表生成界面
(5)基坑變形預(yù)測(cè)與預(yù)警。系統(tǒng)提供PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)功能,用戶可根據(jù)自身需求選擇合適的輸入樣本進(jìn)行基坑變形預(yù)測(cè)。進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)首先應(yīng)選擇要預(yù)測(cè)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。以預(yù)測(cè)地表沉降為例,首先在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目欄選擇地表沉降,然后選擇要預(yù)測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn);下一步選擇輸入樣本,選擇輸入樣本時(shí)要確保作為輸入樣本的監(jiān)測(cè)信息已上傳,否則系統(tǒng)會(huì)因數(shù)據(jù)缺失報(bào)錯(cuò)。選擇輸入樣本時(shí),需選擇20 d的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),輸出的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為第21天至第25天的數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊預(yù)測(cè)按鈕后,系統(tǒng)會(huì)在預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)話框顯示預(yù)測(cè)結(jié)果以及對(duì)應(yīng)的圖表供用戶分析?;幼冃晤A(yù)測(cè)設(shè)置界面如圖8所示。
圖8 基坑變形預(yù)測(cè)設(shè)置界面
系統(tǒng)提供預(yù)警設(shè)置功能,目前系統(tǒng)本身提供大部分根據(jù)國(guó)家或地方規(guī)范確定的三級(jí)基坑預(yù)警值,用戶選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、基坑級(jí)別、支護(hù)類(lèi)型以及技術(shù)規(guī)范后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提供對(duì)應(yīng)的紅、橙、黃三色基坑預(yù)警值。此外,系統(tǒng)還允許用戶修改基坑預(yù)警值以滿足實(shí)際情況?;宇A(yù)警參數(shù)設(shè)置界面如圖9所示。
圖9 基坑預(yù)警參數(shù)設(shè)置界面
(6)報(bào)表生成。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)報(bào)表的自動(dòng)化輸出。系統(tǒng)本身自帶所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目日?qǐng)?bào)表的word模板,監(jiān)測(cè)人員在進(jìn)行報(bào)表生成時(shí),只需保證當(dāng)日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)上傳,然后選擇項(xiàng)目信息和日期,并填寫(xiě)工程名稱(chēng)、報(bào)表編號(hào)、工程負(fù)責(zé)人、工況、分析及結(jié)論等基本信息,點(diǎn)擊預(yù)覽按組即可生成日?qǐng)?bào)表并對(duì)報(bào)表進(jìn)行瀏覽,再點(diǎn)擊導(dǎo)出按組即可下載生成日?qǐng)?bào)表。報(bào)表生成模塊界面如圖10所示。報(bào)表可以根據(jù)需要導(dǎo)出為word格式。
圖10 報(bào)表生成模塊界面
本文針對(duì)目前基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理方式落后、數(shù)據(jù)共享不夠便捷、查詢效率低下、基坑預(yù)警預(yù)測(cè)不及時(shí)、數(shù)據(jù)可視化程度低的現(xiàn)狀,研發(fā)了一款集數(shù)據(jù)管理、預(yù)測(cè)預(yù)警、三維可視化和報(bào)表生成于一體的基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
(1)實(shí)現(xiàn)了基坑結(jié)構(gòu)、地層環(huán)境和監(jiān)測(cè)信息的三維可視化,改善了傳統(tǒng)二維圖表展現(xiàn)不夠直觀的缺點(diǎn),可表達(dá)監(jiān)測(cè)信息的空間分布屬性。
(2)通過(guò)建立基坑監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù),將基坑監(jiān)測(cè)信息分類(lèi)存儲(chǔ),提供批量導(dǎo)入、數(shù)據(jù)查詢、圖表分析等功能,提高了基坑監(jiān)測(cè)信息的管理水平和共享效率。
(3)實(shí)現(xiàn)了基坑變形的預(yù)測(cè)預(yù)警,對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)基坑施工過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
(4)實(shí)現(xiàn)了日?qǐng)?bào)表自動(dòng)生成,提高了基坑監(jiān)測(cè)的信息化水平。