基于BIM技術(shù)的基坑工程監(jiān)測信息管理系統(tǒng)

陳林波 岳光耀 徐財門 李 斌 辛公鋒 王育奎

（1.青島全球財富中心開發(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)計研究院有限責(zé)任公司 山東青島 266000；4.山東高速工程檢測有限公司 山東濟(jì)南 250000）

1 前言

受基坑工程開挖和地層卸荷作用的影響，基坑工程施工過程中不可避免地引起周圍土體、地表鄰近建（構(gòu)）筑物及地下管線的變形。為確?；影踩?、高效開挖，基坑監(jiān)測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)測多依據(jù)工程規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，借助人力手動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，且監(jiān)測結(jié)果多以二維圖表數(shù)據(jù)進(jìn)行展現(xiàn)。這一過程對技術(shù)人員水平要求較高，且處理的結(jié)果無法反映監(jiān)測數(shù)據(jù)的三維空間和時間分布，無法及時、有效地反饋與指導(dǎo)實際工程施工。因此，建立一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)信息管理平臺，實現(xiàn)基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效管理，且通過設(shè)定監(jiān)測數(shù)據(jù)的閾值，實現(xiàn)預(yù)測預(yù)警，對指導(dǎo)基坑施工具有十分重要的意義和應(yīng)用價值。

BIM（Building information Modeling）為建筑信息模型，其通過數(shù)字計算機(jī)技術(shù)對各種工程信息進(jìn)行添加，從而使工程模型本身在設(shè)計、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)用對傳統(tǒng)的建筑模式帶來沖擊，將對未來建筑業(yè)生產(chǎn)模式掀起一場新型革命［2－5］。

目前，眾多學(xué)者關(guān)于基坑監(jiān)測管理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)做了諸多研究。江明明［6］對基于WebGIS的城市地鐵施工監(jiān)測信息管理系統(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編程語言，通過Access2003創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，ActiveX技術(shù)調(diào)用Excel軟件、MatrixVB軟件、Surfer8軟件分別實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)入，基坑墻頂位移預(yù)測及三維顯示和基坑圍護(hù)墻壁變形三維顯示，開發(fā)了深基坑監(jiān)測信息管理系統(tǒng)；吳振軍等［8］基于GIS圖形可視化技術(shù)，開發(fā)了分布式基坑監(jiān)測信息管理與預(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)測可視化、設(shè)計屬性信息化、基坑監(jiān)測信息化、管理升級化特點的基坑監(jiān)測管理系統(tǒng)。

上述研究在基坑工程的三維模型表達(dá)和監(jiān)測信息管理方面做了初步的探索，但尚未實現(xiàn)信息的及時共享和系統(tǒng)化管理。對此，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)，實現(xiàn)了基坑工程的三維模型與地層環(huán)境的創(chuàng)建，并實現(xiàn)了基坑工程監(jiān)測信息三維可視化和實時共享。

2 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)需求分析是基坑監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的前提?；颖O(jiān)測信息系統(tǒng)的本質(zhì)就是通過計算機(jī)技術(shù)，對基坑監(jiān)測信息進(jìn)行收集、儲存、共享、分析和展示［10－12］?；颖O(jiān)測信息管理系統(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)報預(yù)警和報表自動生成等功能。同時系統(tǒng)應(yīng)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，支持設(shè)計單位、業(yè)主、施工單位和監(jiān)理單位及時共享數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，提高數(shù)據(jù)的價值，更好地指導(dǎo)施工和風(fēng)險預(yù)防。系統(tǒng)主要實現(xiàn)的目標(biāo)：

（1）應(yīng)用BIM技術(shù)實現(xiàn)基坑工程和地層環(huán)境的三維模型構(gòu)建和表達(dá)。

（2）實現(xiàn)BIM模型與基坑監(jiān)測信息在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)測信息上傳與更新，同時支持對基坑監(jiān)測信息的快速查詢。

（4）支持基坑監(jiān)測信息的處理和分析，依據(jù)設(shè)定條件可生成圖表。

（5）支持根據(jù)基坑監(jiān)測信息對基坑變形進(jìn)行預(yù)測，同時根據(jù)預(yù)測結(jié)果提供預(yù)警功能。

（6）支持根據(jù)監(jiān)測項目，日期以及監(jiān)測數(shù)據(jù)能自動生成標(biāo)準(zhǔn)格式的報表文件。

3 基坑BIM模型建立

基坑BIM模型采用Revit軟件建立，主要分為以下四個步驟：

（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、道路、管線等圖形數(shù)據(jù)對建立模型無用，預(yù)先刪除。

（2）基坑放坡?；臃牌鲁＿x擇適用性好的繪制地形表面的方式實現(xiàn)。繪制前，要對各點的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計?；贑AD底圖精準(zhǔn)設(shè)置三維點，各點連接形成各個坡面。

（3）構(gòu)件布設(shè)。首先將族載入到基坑項目文件中，設(shè)置參數(shù)形成所需族類型，將各個族實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

4 基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)庫設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)庫表設(shè)計

數(shù)據(jù)庫采用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫處理用戶數(shù)據(jù)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)工程實際需要，建立用戶信息表、監(jiān)測點信息表、監(jiān)測項目信息表、監(jiān)測人員信息表、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)測記錄表、邊坡水平位移監(jiān)測記錄表、圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部沉降監(jiān)測記錄表、地下水位監(jiān)測記錄表、建筑物沉降監(jiān)測記錄表、地表沉降監(jiān)測記錄表、地下管線沉降監(jiān)測記錄表、圍護(hù)樁體內(nèi)力監(jiān)測記錄表、圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向土壓力監(jiān)測記錄表、錨（桿）索拉力監(jiān)測記錄表和基坑底部隆起監(jiān)測記錄表。以地表沉降監(jiān)測信息記錄表為例，如表1所示。

表1 地表沉降監(jiān)測信息記錄表

4.2 數(shù)據(jù)庫表關(guān)系的確定

數(shù)據(jù)庫表之間通過數(shù)據(jù)庫實體相互聯(lián)系，主要聯(lián)系方式包括一對一、一對多和多對多。本文以地表沉降監(jiān)測信息記錄表、預(yù)警信息表、監(jiān)測點信息表、監(jiān)測項目信息表、監(jiān)測人員信息表、工程信息表為例展示實體間關(guān)系的確定。

一條地表沉降記錄僅僅可以對應(yīng)一個監(jiān)測點、一名監(jiān)測人員、一項工程，而每個監(jiān)測點，監(jiān)測人員和工程項目都可以對應(yīng)多條監(jiān)測記錄，因此地表沉降監(jiān)測信息記錄表通過監(jiān)測點編號（MP_ID）與監(jiān)測點信息表形成多對一的關(guān)系，通過監(jiān)測人員（Employee ID）與監(jiān)測人員信息表形成多對一關(guān)系，通過工程編號（Project ID）與工程信息表形成多對一關(guān)系。每個監(jiān)測點對應(yīng)一個監(jiān)測項目，而每個監(jiān)測項目可以對應(yīng)多個監(jiān)測點，因此監(jiān)測點信息表通過監(jiān)測項目序號（MI_ID）和監(jiān)測項目表形成多對一關(guān)系。每個監(jiān)測項目僅對應(yīng)一條預(yù)警信息，因此監(jiān)測項目信息表通過監(jiān)測項目編號（MI_ID）與預(yù)警信息表形成一對一關(guān)系。數(shù)據(jù)庫表之間關(guān)系如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)表關(guān)系

5 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與功能模塊

5.1 開發(fā)環(huán)境

（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）開發(fā)語言及環(huán)境

系統(tǒng)前端主要使用JavaScript編程語言，采用Cesium作為三維引擎，利用React組件技術(shù)設(shè)計UI，最后通過webpack打包器對靜態(tài)文件進(jìn)行打包。

系統(tǒng)后端使用JavaScript編程語言，Node.js開發(fā)平臺，Express框架進(jìn)行開發(fā)。

5.2 功能模塊

（1）登錄權(quán)限設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)實際使用以及信息安全性需求，設(shè)計三類使用權(quán)限，分別是賬號管理員、項目管理員、監(jiān)測管理員。賬號管理員提供新建、注銷賬號的功能，可對已有賬號進(jìn)行管理，如信息查詢、密碼找回、修改權(quán)限等，但無法進(jìn)行上傳、修改、導(dǎo)出和刪除項目文檔文件和監(jiān)測信息的操作。賬號管理員賬號通常由系統(tǒng)維護(hù)人員使用。項目管理員提供上傳、修改、導(dǎo)出和刪除項目文檔文件的功能，同時支持對監(jiān)測信息的查詢、分析、預(yù)測預(yù)警等。項目管理員賬號通常由項目負(fù)責(zé)人使用。監(jiān)測管理員賬號提供模型瀏覽、文檔下載、數(shù)據(jù)管理、預(yù)測預(yù)警和報表生成等基本功能。監(jiān)測管理員賬號由監(jiān)測員使用。

（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，可以對基坑支護(hù)模型進(jìn)行全方位瀏覽，同時提供基坑支護(hù)模型部件快速定位和模型剖切功能，提高用戶使用體驗。選中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)部件時，可以查看部件的基本信息。同時系統(tǒng)還提供基坑監(jiān)測信息的三維可視化，使用戶能夠更加直觀地觀測基坑的地表沉降、錨索內(nèi)力、圍護(hù)樁頂水平位移和豎直位移等監(jiān)測信息?；舆€提供監(jiān)測信息的動態(tài)演示，能夠以動畫與動態(tài)圖表結(jié)合的形式展示基坑監(jiān)測信息隨時間的變化情況。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)支持對工程文檔進(jìn)行管理，主要提供上傳、儲存、下載和刪除功能，以實現(xiàn)安全規(guī)范相關(guān)文檔、設(shè)計文檔、施工文檔、運行的文件、圖紙、報告及其他圖文聲像資料管理。對文件進(jìn)行刪除操作時，被刪除的文件會轉(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)測信息管理。信息管理模塊主要功能包括監(jiān)測信息的查詢、錄入、編輯、分析。該模塊提供監(jiān)測信息查詢功能，進(jìn)行查詢時，需要用戶選擇監(jiān)測項目、起止日期、監(jiān)測點，表格就會顯示出符合要求的監(jiān)測數(shù)據(jù)，供用戶瀏覽。監(jiān)測信息查詢界面如圖5所示。

圖5 監(jiān)測信息查詢界面

目前系統(tǒng)支持對大部分監(jiān)測項目的管理，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)測項目。在錄入數(shù)據(jù)前，要對監(jiān)測所得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，按照相關(guān)基坑監(jiān)測規(guī)范，將原始數(shù)據(jù)經(jīng)計算轉(zhuǎn)化為可錄入的標(biāo)準(zhǔn)格式。

為方便監(jiān)測人員錄入監(jiān)測信息，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，首先應(yīng)選擇要錄入的監(jiān)測項目，系統(tǒng)會根據(jù)具體的監(jiān)測項目提供需要輸入的字段，用戶根據(jù)提示輸入每一項字段后點擊上傳按鈕即可錄入監(jiān)測信息。錄入信息可在監(jiān)測信息瀏覽窗口顯示，以供監(jiān)測人員監(jiān)測錄入信息是否正確。

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，首先應(yīng)將處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)按照固定格式填入Excel表格當(dāng)中，然后選擇監(jiān)測項目，點擊批量上傳按鈕會彈出文件路徑選擇對話框，選擇預(yù)先處理好的Excel表格文件后點擊上傳按鈕，即可實現(xiàn)監(jiān)測數(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)測項目、測點編號、起止日期即可生成監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表，方便用戶更加直觀地觀察監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢。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)測與預(yù)警。系統(tǒng)提供PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測功能，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。進(jìn)行預(yù)測時首先應(yīng)選擇要預(yù)測的監(jiān)測項目。以預(yù)測地表沉降為例，首先在監(jiān)測項目欄選擇地表沉降，然后選擇要預(yù)測的監(jiān)測點；下一步選擇輸入樣本，選擇輸入樣本時要確保作為輸入樣本的監(jiān)測信息已上傳，否則系統(tǒng)會因數(shù)據(jù)缺失報錯。選擇輸入樣本時，需選擇20 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)，輸出的預(yù)測數(shù)據(jù)為第21天至第25天的數(shù)據(jù)。點擊預(yù)測按鈕后，系統(tǒng)會在預(yù)測結(jié)果對話框顯示預(yù)測結(jié)果以及對應(yīng)的圖表供用戶分析。基坑變形預(yù)測設(shè)置界面如圖8所示。

圖8 基坑變形預(yù)測設(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)國家或地方規(guī)范確定的三級基坑預(yù)警值，用戶選擇監(jiān)測項目、基坑級別、支護(hù)類型以及技術(shù)規(guī)范后，系統(tǒng)會自動提供對應(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）報表生成。系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測報表的自動化輸出。系統(tǒng)本身自帶所有監(jiān)測項目日報表的word模板，監(jiān)測人員在進(jìn)行報表生成時，只需保證當(dāng)日監(jiān)測數(shù)據(jù)已經(jīng)上傳，然后選擇項目信息和日期，并填寫工程名稱、報表編號、工程負(fù)責(zé)人、工況、分析及結(jié)論等基本信息，點擊預(yù)覽按組即可生成日報表并對報表進(jìn)行瀏覽，再點擊導(dǎo)出按組即可下載生成日報表。報表生成模塊界面如圖10所示。報表可以根據(jù)需要導(dǎo)出為word格式。

圖10 報表生成模塊界面

6 結(jié)束語

本文針對目前基坑監(jiān)測數(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)測不及時、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)測預(yù)警、三維可視化和報表生成于一體的基坑監(jiān)測系統(tǒng)。

（1）實現(xiàn)了基坑結(jié)構(gòu)、地層環(huán)境和監(jiān)測信息的三維可視化，改善了傳統(tǒng)二維圖表展現(xiàn)不夠直觀的缺點，可表達(dá)監(jiān)測信息的空間分布屬性。

（2）通過建立基坑監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫，將基坑監(jiān)測信息分類存儲，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)測信息的管理水平和共享效率。

（3）實現(xiàn)了基坑變形的預(yù)測預(yù)警，對及時發(fā)現(xiàn)基坑施工過程中的安全風(fēng)險具有重要的現(xiàn)實意義。

（4）實現(xiàn)了日報表自動生成，提高了基坑監(jiān)測的信息化水平。