基于建筑信息模型和Unity WebGL的施工信息智能化監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究*

李鑫生 鄭七振 吳露方,3 陳 剛

(1.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；3.上海建工電子商務(wù)有限公司,上海 200050)

0 概 述

建筑業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，自2010年以來，建筑業(yè)總產(chǎn)值一直占國內(nèi)生產(chǎn)總值的7%左右，僅次于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)之后占據(jù)第四位[1]。然而，隨著勞動力成本的不斷飆升和利潤率的持續(xù)下降，建筑業(yè)高速發(fā)展的現(xiàn)狀與相對落后的管理之間的矛盾日益突出。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2020年12月底，我國按建筑業(yè)總產(chǎn)值計算的勞動生產(chǎn)率為422 906元/人，同比增長5.80%(圖1)，但這一數(shù)字仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家水平。同時，2020年建筑業(yè)產(chǎn)值利潤率為3.15%，較上年降低了0.22%，連續(xù)四年呈下降趨勢[2](圖2)。

圖1 2010—2020年建筑業(yè)勞動生產(chǎn)率Fig.1 Labor productivity in the construction industry from 2010 to 2020

圖2 2010—2020年建筑業(yè)產(chǎn)值利潤率Fig.2 Profit rates of construction output from 2010 to 2020

隨著“中國建造2025”“建筑產(chǎn)業(yè)化”等概念的提出以及國家對“綠色環(huán)保、節(jié)能減排”發(fā)展模式的要求，近年來建筑業(yè)逐漸向新型建造方式發(fā)生轉(zhuǎn)變。新型建造方式是指在建設(shè)過程中，以“綠色建造”為目標(biāo)，以“數(shù)字建造、智慧建造”為手段，以“工業(yè)化建造”為生產(chǎn)方式，實現(xiàn)建造過程中“節(jié)能環(huán)保、提高效率、提升品質(zhì)、保障安全”的新型建設(shè)生產(chǎn)方式[3]。

建筑信息模型(BIM)作為新型建造方式中的核心技術(shù)，已得到越來越多行業(yè)人員的認(rèn)可。BIM是一種應(yīng)用于工程建設(shè)全生命周期的數(shù)字化建造理念，通過模型數(shù)據(jù)庫整合項目從策劃、設(shè)計、施工、運維到拆除等各階段的信息，實現(xiàn)建設(shè)數(shù)據(jù)在各個管理系統(tǒng)和工作過程間的多維度流轉(zhuǎn)，對企業(yè)的集約化營造、項目的精益化建造等起著至關(guān)重要的作用[4]。同時，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，工程建設(shè)的智能化、信息化水平達(dá)到了前所未有的高度。以工程數(shù)據(jù)為核心、BIM模型為載體、計算機技術(shù)為手段、工程管理為主線的智能化施工在建筑行業(yè)展現(xiàn)出了蓬勃的生機。

為推動我國信息化、智能化施工管控模式的發(fā)展，國內(nèi)不少學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究。上海魯班軟件股份有限公司首席執(zhí)行官楊寶明在2010年提出智慧建造這一概念，即通過先進(jìn)的信息技術(shù)和工程技術(shù)，高效整合各項資源，實現(xiàn)建造過程向數(shù)字化、智能化發(fā)展[5]；同時丁烈云院士認(rèn)為建筑領(lǐng)域能否與智能化深度融合，關(guān)鍵在于是否充分利用了數(shù)字孿生技術(shù)、數(shù)字主線技術(shù)、模型工程產(chǎn)品和智能感知技術(shù)設(shè)備等，只有抓住建筑業(yè)升級轉(zhuǎn)型的機遇，才能實現(xiàn)“中國建造2035”的發(fā)展目標(biāo)[6]；劉占省通過文獻(xiàn)對比法，對國內(nèi)外智能建造的發(fā)展現(xiàn)狀及推行政策進(jìn)行對比分析，他提出相較于發(fā)達(dá)國家，我國智能建造在基礎(chǔ)理論體系、中長期發(fā)展戰(zhàn)略、智能建造裝備、軟硬件等層面還處于落后局面，針對上述問題，他認(rèn)為未來中國智能建造技術(shù)的發(fā)展應(yīng)在基礎(chǔ)理論框架的創(chuàng)新、新一代信息技術(shù)的融合應(yīng)用、施工各條線業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成等方面進(jìn)行深度探索[7-8]。

2020年7月住建部、發(fā)改委、科技部等13部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出要加快推動新一代信息技術(shù)與施工技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，推動智能建造基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵核心技術(shù)的硏發(fā)，加快突破新型傳感感知、工程質(zhì)量檢測監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集與分析等核心技術(shù)的研究[9]。傳統(tǒng)建筑行業(yè)廉價、無限的勞動力供應(yīng)時代已經(jīng)結(jié)束，施工企業(yè)向高效生產(chǎn)和信息化管理的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)型是必經(jīng)之路。基于此，首先對智能建造和智能監(jiān)測的本質(zhì)、施工信息智能監(jiān)測架構(gòu)等理論進(jìn)行研究，開發(fā)了“尚理工”施工智能監(jiān)測平臺來實現(xiàn)施工信息的集成化監(jiān)測與管理，實現(xiàn)“一平臺、一張圖、一張網(wǎng)”式的施工監(jiān)管模式。同時基于BIM、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、Unity WebGL等提出施工信息監(jiān)測子模塊技術(shù)方案，并以基坑監(jiān)測模塊為例進(jìn)行實現(xiàn)，以期提高施工現(xiàn)場的信息化、智能化監(jiān)測水平，推動“互聯(lián)網(wǎng)+建筑”的新型智能生產(chǎn)模式。

1 智能建造的本質(zhì)研究

一般來說，智能建造是指在建造過程中充分利用BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動通訊等信息化技術(shù)對建造進(jìn)行賦能，使之與施工現(xiàn)場的生產(chǎn)、管理深度結(jié)合，從而提高施工現(xiàn)場的管理水平，最終實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈能效提升、資源價值最大化的生產(chǎn)模式，目前智能建造的價值主要體現(xiàn)在智慧工地的應(yīng)用中。

智慧工地則是通過綜合運用“大、云、移、物、智”等手段來實現(xiàn)施工現(xiàn)場“人、機、料、法、環(huán)、測”的信息化管理，實現(xiàn)“智能監(jiān)測、數(shù)據(jù)協(xié)同、安全管理、科學(xué)決策、綜合治理”的施工項目管理[10]。目前智慧工地在視頻監(jiān)控、實名制考勤、人員安全管理、施工機械監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、車輛管理等方面應(yīng)用較為成熟。同時，項目通過搭建智慧工地管理平臺，打通各智慧工地場景業(yè)務(wù)流，可以實現(xiàn)一個平臺、兩種終端(PC端、移動端)、三方監(jiān)管(業(yè)主方、承包方、施工方)的全方位立體實時地對整個項目進(jìn)行簡單高效的數(shù)字化管理。

1.1 自動化、智能化、智慧化建造間的關(guān)系

智能建造與智慧建造是兩個概念，智能建造是智慧建造的基礎(chǔ)，智慧建造是智能建造發(fā)展的下一階段。如圖3所示，可將建造方式的發(fā)展劃分為自動化、智能化、智慧化三個階段。

“自動化”即過去幾十年間傳統(tǒng)的施工生產(chǎn)方式，主要通過各種施工機械(如升降機、鋼筋卷材機等)、施工運輸工具(如混凝土泵車、汽車吊等)、流水線等設(shè)備來輔助施工，提高生產(chǎn)效率，但這一階段對施工數(shù)據(jù)的信息化利用程度較弱。

“智能化”即通過BIM、IoT、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)來實現(xiàn)施工資源的監(jiān)測、整合與高效利用，初步以信息化手段來代替人力，實現(xiàn)項目的精細(xì)化信息化管理，但這一階段基本沒有人工智能的參與。

“智慧化”即在“智能化”發(fā)展成熟的基礎(chǔ)上，引入人工智能，通過人工智能(AI)、虛擬現(xiàn)實、施工機器人等算法及設(shè)備，實現(xiàn)施工現(xiàn)場的人機交互、感知、決策、執(zhí)行和反饋，這一階段將極大解放人力，從體力替代逐漸發(fā)展到腦力增強，從而提升項目的創(chuàng)造力和科學(xué)決策能力，此階段可總結(jié)為是大數(shù)據(jù)、AI等信息技術(shù)和智能設(shè)備與工程建造技術(shù)的深度融合與集成。

如圖3所示，自動化的核心是各類機械設(shè)備；智能化的核心是高效采集、整合、利用數(shù)據(jù)；智慧化的核心則是用AI算法替代人力生產(chǎn)。目前我國建筑行業(yè)正處于并將長期處于建造方式的第二階段，即智能化建造階段。

圖3 建造方式發(fā)展三階段Fig.3 Three development stages of construction modes

1.2 智能建造的本質(zhì)是信息監(jiān)測

智能建造有三大顯性作用:第一是提高生產(chǎn)效率，第二是降低勞動強度，第三是減少甚至規(guī)避質(zhì)量安全隱患?？偨Y(jié)來講，可用“監(jiān)測”二字來概括這三大作用，如圖4所示，無論是AI攝像頭、門禁系統(tǒng)等對人員的監(jiān)測，還是各類傳感器對基坑、高支模、塔機、車輛、物料等的監(jiān)測，亦或是環(huán)境采集設(shè)備對空氣、污水、室溫等的監(jiān)測等等，都是通過在施工現(xiàn)場安裝各種傳感裝置來構(gòu)建智能監(jiān)控防范體系，以彌補傳統(tǒng)方法和技術(shù)在管理中的缺陷，從而實現(xiàn)對“人、機、料、法、環(huán)”的全方位實時監(jiān)測。整個過程通過“數(shù)據(jù)采集—信息記錄—數(shù)據(jù)分析—快速反應(yīng)”的方式將工程監(jiān)測的被動“監(jiān)督”轉(zhuǎn)換為主動“監(jiān)控”。因此，研究將以智能監(jiān)測為切入點，對施工信息智能化的體系架構(gòu)、集成平臺及子模塊應(yīng)用等進(jìn)行深入探討。

圖4 智能建造的本質(zhì)Fig.4 The essence of intelligent construction

2 施工信息智能化監(jiān)測架構(gòu)研究

2.1 基于BIM的施工信息智能監(jiān)測體系框架

基于BIM的施工信息智能監(jiān)測體系框架由五大部分組成，從下往上依次為：設(shè)備支持層、模型數(shù)據(jù)層、技術(shù)支撐層、項目應(yīng)用層和網(wǎng)端展示層，如圖5所示。

圖5 施工信息智能監(jiān)測體系框架Fig.5 The frame for the intelligent monitoring system of construction information

每個層次包含特定的信息描述模塊，并且均遵循“重力原則”：每個層次只能引用同層和下層的信息資源，而不能引用上層的資源。這樣，當(dāng)上層資源發(fā)生變動時，下層資源不會受到影響，能極大保證信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，各層次及各層次內(nèi)子模塊間的相互聯(lián)結(jié)作用為項目施工管理提供了協(xié)同化、智能化的信息交互與共享。

其中，設(shè)備支持層主要由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算機硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備等能夠?qū)崿F(xiàn)施工數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)傳輸、成果展示等功能的硬件及裝置組成。

模型數(shù)據(jù)層是指BIM模型中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和施工資料等，主要是由幾何信息、空間信息、物理信息、成本信息以及運輸信息等組成，其主要功能是對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)建、管理和利用。

技術(shù)支撐層是創(chuàng)建BIM模型、開發(fā)智能化平臺、實施工作流等所需具備的技術(shù)條件，每一種或多種技術(shù)由專人負(fù)責(zé)，主要包括對BIM建模軟件、BIM應(yīng)用軟件及BIM二次開發(fā)技術(shù)的掌握，以及對Web開發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)、接口創(chuàng)建技術(shù)、工作流引擎及WebGL圖形引擎開發(fā)技術(shù)的掌握。

項目應(yīng)用層是通過對BIM模型數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息的集成以及引入點云掃描、3D打印等新興技術(shù)，對傳統(tǒng)項目管理中進(jìn)度、質(zhì)量、安全、物資、成本、勞務(wù)等方面的監(jiān)測管理進(jìn)行智能化、數(shù)字化、協(xié)同化的提升與優(yōu)化。

網(wǎng)端展示層即將上述所有層次中產(chǎn)生的模型數(shù)據(jù)、工程監(jiān)測數(shù)據(jù)、實際應(yīng)用等以可視化、交互化的形式展示在網(wǎng)端智慧工地監(jiān)測平臺以及APP中，實現(xiàn)施工階段監(jiān)測信息的數(shù)字孿生。

2.2 智能監(jiān)測管理功能架構(gòu)

同時，在傳統(tǒng)的施工建造過程中，對進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本的監(jiān)測一直是項目管理的核心，然而這些工作大部分依靠人力來完成，很多過程數(shù)據(jù)和成果無法形成無紙化、數(shù)字化的交付，使得施工生產(chǎn)效率低下。住建部在《中國建筑施工行業(yè)信息化發(fā)展報告(2017)——智慧工地應(yīng)用與發(fā)展》的調(diào)查中表明：全國應(yīng)用智能化施工的項目不足30%，且應(yīng)用點基本局限于對進(jìn)度的把控，并沒有很好地從施工技術(shù)管理向施工全面管理進(jìn)行拓展[11]。

因此，基于BIM的智能化監(jiān)測體系，通過以BIM模型為載體，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、移動通訊等信息技術(shù)，可以實現(xiàn)施工管理各條線的信息化監(jiān)測，且全盤打通勞務(wù)監(jiān)測、安全監(jiān)測、物資監(jiān)測、進(jìn)度監(jiān)測等各條線的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，從而提高施工現(xiàn)場的生產(chǎn)效率和管理效率，并減少工程安全隱患。智能監(jiān)測管理功能架構(gòu)如圖6所示。

圖6 智能監(jiān)測管理功能架構(gòu)Fig.6 The structure for management functions of intelligent monitoring

3 “尚理工”施工智能監(jiān)測平臺的研發(fā)

基于BIM的施工信息智能監(jiān)測體系框架和智能監(jiān)測管理功能架構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，通過計算機技術(shù)、WebGL圖形引擎技術(shù)等研發(fā)“尚理工”施工智能監(jiān)測平臺來實現(xiàn)施工信息的集成化監(jiān)測與管理。即通過“一平臺、一張圖、一張網(wǎng)”式的施工管控模式全盤打通安全監(jiān)測、勞務(wù)監(jiān)測、物資監(jiān)測等方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，提高施工現(xiàn)場的生產(chǎn)效率、管理效率及決策能力等。

3.1 平臺架構(gòu)

“尚理工”施工智能監(jiān)測平臺(簡稱“平臺”)采用B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)以及MVC(Model/View/Controller，模型/視圖/控制器)框架，采用MVC框架的好處是可以實現(xiàn)視圖層和業(yè)務(wù)層的分離，耦合性較低，對視圖層代碼的更改無需重新編譯模型層代碼，同時MVC框架重用性高，可以允許不同樣式的視圖訪問同一服務(wù)器，能極大提高開發(fā)效率[12]。

“平臺”前端使用HTML5+CSS3+JavaScript語言，后端使用ASP.NET語言，ASP.NET是微軟公司推出的基于.NET Framework的Web開發(fā)平臺，本質(zhì)是一系列封裝的.dll類庫。ASP.NET有兩大核心優(yōu)勢，其一是安全性高，用戶在使用網(wǎng)頁系統(tǒng)時，只能獲取到其HTML內(nèi)容，無法獲取后端腳本內(nèi)容；其二是語言兼容性強，ASP.NET可滿足C++、C#、Python、JavaScript等編程語言對其進(jìn)行開發(fā)，并且用戶可在Windows、Linux、Mac等系統(tǒng)實現(xiàn)跨平臺開發(fā)和部署Web應(yīng)用[13]。“平臺”MVC模型結(jié)構(gòu)如圖7所示，ASP.NET體系結(jié)構(gòu)與MVC的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示。

圖7 “平臺”MVC模型結(jié)構(gòu)Fig.7 The model structure of platform MVC

圖8 ASP.NET與MVC的對應(yīng)關(guān)系Fig.8 The corresponding relations of ASP.NET and MVC

3.2 BIM模型網(wǎng)頁端WebGL輕量化顯示的開發(fā)

施工智能監(jiān)測平臺中項目BIM模型的輕量化顯示是很重要的一部分內(nèi)容，作為數(shù)據(jù)的載體，BIM模型在網(wǎng)頁中應(yīng)具備模型瀏覽、路徑漫游、查看構(gòu)件屬性、數(shù)據(jù)交互等功能。

“平臺”采用BIMFACE引擎進(jìn)行BIM模型網(wǎng)頁端WebGL輕量化的開發(fā)，BIMFACE是國內(nèi)一款優(yōu)秀的BIM模型二次開發(fā)引擎，其聚焦于模型的瀏覽與管理，具有低代碼、多功能、高性能等優(yōu)勢。BIMFACE解決了“文件格式解析”“模型圖紙瀏覽”和“BIM數(shù)據(jù)存儲”的問題，用戶可基于BIMFACE進(jìn)行功能拓展，開發(fā)自定義的BIM應(yīng)用。BIMFACE的總體數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖9所示，即“上傳源文件—文件格式轉(zhuǎn)換—生成數(shù)據(jù)包—加載到瀏覽器—用戶自定義開發(fā)—用戶自定義部署”等。

圖9 BIMFACE數(shù)據(jù)架構(gòu)Fig.9 The structure of BIMFACE data

在BIMFACE引擎的控制臺界面完成上傳模型、文件格式轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)工作后，即可下載離線數(shù)據(jù)包并部署到本地服務(wù)器，通過在本地服務(wù)器調(diào)用模型數(shù)據(jù)來進(jìn)行功能性的開發(fā)。

BIMFACE提供了模型剖切、查看構(gòu)件屬性、加載GIS、控高分析、貼圖設(shè)置、背景設(shè)置、模型批注等多種功能的類接口。通過對平臺BIM模型展示的需求進(jìn)行分析，認(rèn)為“平臺”模型展示應(yīng)具備兩個條件：一是加載速度要快，因為模型是與網(wǎng)站首頁其他標(biāo)簽一起渲染展示的，若模型加載速度太慢，會影響整個網(wǎng)站界面的體驗感；二是使用功能只要能滿足模型瀏覽、屬性查看、信息交互等基本功能即可，因為在“平臺”首頁部署B(yǎng)IM模型的目的是為了讓項目參與者對項目有個直觀的認(rèn)識，并且通過點擊構(gòu)件能獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，其他功能并不需要在首頁進(jìn)行展示，同時過多功能的堆砌也會降低模型加載的速度。

基于上述分析，確定“平臺”BIM模型輕量化展示的功能為：“主視角查看”“自動旋轉(zhuǎn)查看”“框選模型”“測量距離”“模型剖切”“漫游模式”“查看構(gòu)件屬性”以及“查看構(gòu)件數(shù)據(jù)”等。圖10即經(jīng)過網(wǎng)頁開發(fā)、瀏覽器渲染后的BIM模型網(wǎng)頁端WebGL輕量化顯示頁面，可通過鍵鼠等操作進(jìn)行模型的三維瀏覽與交互，頁面下方的工具欄即實現(xiàn)了上述自定義的功能。圖11為在網(wǎng)頁界面查看BIM模型中各構(gòu)件的屬性，以該模型為例，該模型為Revit文件導(dǎo)入轉(zhuǎn)換，故顯示選中構(gòu)件在Revit軟件中的族信息、屬性欄中的實例信息以及項目物聯(lián)網(wǎng)接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)等。

圖10 BIM模型輕量化顯示界面Fig.10 Lightweight display interfaces of a BIM model

圖11 模型構(gòu)件信息Fig.11 The model information of structure members

3.3 平臺集成界面的實現(xiàn)

在完成對平臺系統(tǒng)架構(gòu)的梳理及實現(xiàn)BIM模型的網(wǎng)頁端輕量化顯示后，進(jìn)一步完成對“尚理工”施工智能監(jiān)測平臺的研發(fā)，平臺集成界面如圖12所示。

圖12 施工智能監(jiān)測平臺集成界面Fig.12 The integrated interface for the intelligent monitoring platform of construction

“尚理工”施工智能監(jiān)測平臺集成界面由功能導(dǎo)航欄、工程信息欄、項目公告欄、模型欄、進(jìn)度監(jiān)測欄以及勞務(wù)監(jiān)測欄、技術(shù)監(jiān)測欄、質(zhì)量監(jiān)測欄、安全監(jiān)測欄等組成，通過BIM模型、BI數(shù)據(jù)可視化(柱狀圖、餅圖、節(jié)點圖等)的形式對項目各條線監(jiān)測信息形成一個初步的總覽。

其中集成界面各監(jiān)測管理系統(tǒng)具有獨立的模塊及數(shù)據(jù)庫，點擊功能導(dǎo)航欄中各監(jiān)測模塊即可進(jìn)入相應(yīng)的監(jiān)測子系統(tǒng)，這不僅體現(xiàn)了高內(nèi)聚、低耦合的信息集成管理理念，同時也實現(xiàn)了“一平臺、一張圖、一張網(wǎng)”式的信息監(jiān)測管控模式。

4 基于Unity WebGL的施工信息監(jiān)測子模塊的實現(xiàn)——以基坑監(jiān)測子模塊為例

完成對施工智能監(jiān)測集成平臺的研發(fā)后，提出基于BIM+IoT+UnityWebGL的施工信息監(jiān)測子模塊技術(shù)實現(xiàn)方式，子模塊指的是包含基坑監(jiān)測子模塊、物料監(jiān)測子模塊、車輛監(jiān)測子模塊等需要在網(wǎng)頁端通過BIM模型展示監(jiān)測數(shù)據(jù)的施工業(yè)務(wù)。整個子模塊實現(xiàn)的技術(shù)過程包含“該子模塊傳統(tǒng)監(jiān)測方式的難點梳理—該子模塊信息化監(jiān)測的系統(tǒng)架構(gòu)—該子模塊智能監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)—部署至監(jiān)測集成平臺”等四大步驟，下面以基坑沉降監(jiān)測子模塊為例進(jìn)行研究與實現(xiàn)。

4.1 傳統(tǒng)基坑沉降監(jiān)測難點梳理

傳統(tǒng)基坑沉降監(jiān)測的流程一般為：由施工單位制定基坑監(jiān)測方案，并埋設(shè)傳感器進(jìn)行基坑位移、沉降、變形等數(shù)據(jù)的采集，項目安全員每日對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理制表，并提交項目經(jīng)理處審核。若監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值，則報業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理等方進(jìn)行基坑安全的論證，同時出具相應(yīng)整治措施，如圖13所示。

傳統(tǒng)基坑監(jiān)測方式存在很多缺陷，例如[14-15]：

1)基坑監(jiān)測流程全部走下來，往往需要多個工作日，各方對預(yù)警基坑進(jìn)行論證時，數(shù)據(jù)的及時性不能保證，影響項目決策。

2)每日由人工整理、繪制基坑監(jiān)測日報，不但費時費力，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也無法保證。

3)如遇突發(fā)性的基坑安全問題，項目不能及時的預(yù)警會對人身安全、工程經(jīng)濟等造成嚴(yán)重的損失。

4)每日紙質(zhì)的基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)不易進(jìn)行歸檔和對比分析，面對大量的基坑監(jiān)測信息，很難對基坑的下一步發(fā)展進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測，同時也不利于形成規(guī)范化的基坑監(jiān)控管理體系。

4.2 基坑沉降信息化監(jiān)測子模塊的系統(tǒng)架構(gòu)

首先，提出基于BIM+IoT+WebGL的施工監(jiān)測信息實時可視化顯示解決方案：即通過建立待監(jiān)測對象的BIM模型，并利用WebGL開發(fā)等技術(shù)將監(jiān)測信息接入模型中，形成網(wǎng)頁端可視化的監(jiān)測模塊，然后再通過Web開發(fā)將此監(jiān)測模塊部署進(jìn)施工智能監(jiān)測平臺中，實現(xiàn)在網(wǎng)頁端通過BIM模型實時查看每一個測點的數(shù)據(jù)，以及以BIM可視化圖表的形式查看測點歷史數(shù)據(jù)的變化趨勢等信息。

其中IoT是通過各種信息傳感器、RFID、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等設(shè)備將人、物、互聯(lián)網(wǎng)三者連接起來，實現(xiàn)物與物、物與人間的泛在連接[16]。

其中WebGL是一種3D繪圖協(xié)議，是通過增加OpenGL ES2.0的一個JavaScript綁定，為HTML5 Canvas提供硬件3D渲染，這樣用戶就可以在瀏覽器中流暢地觀看三維可視化模型[17]。

圖14即利用BIM、IoT、WebGL等技術(shù)實現(xiàn)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)實時可視化的流程：通過Unity3D等圖形開發(fā)軟件將物聯(lián)設(shè)備監(jiān)測的數(shù)據(jù)接入到BIM信息數(shù)據(jù)庫中，并發(fā)布為WebGL協(xié)議，再鏈接到智能監(jiān)測平臺中，即可打通BIM模型、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與WebGL圖形技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)帶實時實測物聯(lián)信息的BIM模型在網(wǎng)頁端的可視化管理，同時可實現(xiàn)基于三維模型的數(shù)據(jù)展示、圖形展示、圖表輸出、可視化預(yù)警等功能，最終實現(xiàn)工程建設(shè)階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)字孿生。

圖14 施工監(jiān)測信息實時可視化解決方案Fig.14 Real-time visualization solutions for construction monitoring information

在解決施工監(jiān)測信息的可視化后，即可進(jìn)行基坑沉降信息化監(jiān)測系統(tǒng)的研究，如圖15所示，基坑沉降信息化監(jiān)測系統(tǒng)由以下四個模塊組成：1)傳感器監(jiān)測模塊;2)數(shù)據(jù)傳輸模塊;3)數(shù)據(jù)可視化模塊;4)信息化管理模塊。

圖15 基坑位移信息化監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Fig.15 The information monitoring system of deep excavation

傳感器監(jiān)測模塊即通過現(xiàn)場的物聯(lián)采集設(shè)備進(jìn)行基坑沉降的數(shù)據(jù)記錄與存儲；數(shù)據(jù)傳輸模塊即通過JSON交換格式將基坑測點數(shù)據(jù)庫與Unity3D開發(fā)平臺進(jìn)行交互；數(shù)據(jù)可視化模塊即上文提出的施工監(jiān)測信息實時可視化顯示解決方案；信息化管理模塊包含基坑測點可視化、基坑數(shù)據(jù)可視化、基坑數(shù)據(jù)實時更新、歷史數(shù)據(jù)圖表查看和基坑可視化預(yù)警等功能，在這個模塊中，基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，基坑可視化BIM模型是載體，系統(tǒng)能夠通過用戶對基坑模型的操作獲取測點的實時數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)能自動根據(jù)所上傳的測點數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，數(shù)據(jù)超出預(yù)警值的，主動進(jìn)行可視化預(yù)警。

4.3 基于BIM+UnityWebGL的基坑沉降智能化監(jiān)測子模塊的開發(fā)

4.3.1建立基坑BIM模型

通過Revit軟件建立基坑BIM模型，Revit軟件自帶大量建立基坑模型所需要的族，如結(jié)構(gòu)柱、結(jié)構(gòu)梁、結(jié)構(gòu)板、樁基、承臺等，未包含的族可通過內(nèi)建常規(guī)模型的方式建立。由于建立BIM模型不是這里討論的重點，所以這里不對Revit軟件建立基坑模型的具體操作進(jìn)行闡述。基坑BIM模型如圖16所示，模型建立完成后，將其導(dǎo)出為.FBX文件格式，以為后續(xù)與Unity3D軟件進(jìn)行交互做準(zhǔn)備。

圖16 基坑BIM模型Fig.16 BIM model of deep excavation

4.3.2建立基坑測點數(shù)據(jù)接口

建立基坑測點數(shù)據(jù)接口即圖15系統(tǒng)架構(gòu)中的數(shù)據(jù)傳輸模塊，需將項目人員每日記錄的位移監(jiān)測日報中的數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫中，并通過建立HTTP通訊接口規(guī)范，在后續(xù)Unity3D開發(fā)中實時調(diào)用基坑測點數(shù)據(jù)。

根據(jù)項目需要及實際監(jiān)測情況，建立“獲取位移測點數(shù)據(jù)接口”“獲取傾角測點數(shù)據(jù)接口”“獲取軸力測點數(shù)據(jù)接口”以及“獲取水位測點數(shù)據(jù)接口”，接口地址統(tǒng)一為http://139.196.139.164∶8090/i/+各類接口類型+URL參數(shù)的形式。

由于討論的是基坑沉降監(jiān)測，故僅對“獲取位移測點數(shù)據(jù)接口”進(jìn)行開發(fā)，如表1所示。

表1 位移測點數(shù)據(jù)接口Table 1 The data interface from displacement measurement points

基坑測點數(shù)據(jù)接口建立完成后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的建立，即將位移監(jiān)測日報中的值傳入數(shù)據(jù)庫中。這里預(yù)先采用了對監(jiān)測硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換開發(fā)的方式，來實現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備采集的原始數(shù)據(jù)在施工現(xiàn)場的服務(wù)器里可以自動轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫可以接受的JSON“鍵-值”式數(shù)據(jù)格式，從而消除了人工導(dǎo)入數(shù)據(jù)等操作。這里應(yīng)注意的是，數(shù)據(jù)庫的輸入是以日期輸入，即每次輸入同一天所有測點的值，而數(shù)據(jù)庫的輸出是以測點編號輸出，及每次輸出同一測點不同日期的值。例如，數(shù)據(jù)庫輸出FW1-01測點的地址應(yīng)是：http://139.196.139.164:8090/i/out going/findAllShift?pageNum=1&pageSize=10&poi_name=FW1-01。

同時，根據(jù)《上海市基坑工程在線監(jiān)測實施方案》[18]中規(guī)定：基坑監(jiān)測方應(yīng)每日完成一次監(jiān)測工作，并及時上傳數(shù)據(jù)至平臺。本項目在連續(xù)開挖等特殊工況下會分時監(jiān)測三次，所以基坑監(jiān)測每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為：(1～3)×監(jiān)測點位數(shù)×監(jiān)測項數(shù)，數(shù)據(jù)量不大，對現(xiàn)場設(shè)備的帶寬及數(shù)據(jù)庫的內(nèi)存等性能要求較低，能夠滿足數(shù)據(jù)傳遞的高效性、及時性和準(zhǔn)確性。

4.3.3在Unity3D中進(jìn)行基坑沉降智能化監(jiān)測子模塊的開發(fā)

近年來，Unity3D被廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)的BIM領(lǐng)域，在建筑信息模型的可視化、虛擬建筑的人機交互等方面占有很大優(yōu)勢。同時，在Autodesk University 2018大會上，Unity發(fā)布了Unity Reflect來促進(jìn)BIM軟件與Unity3D的數(shù)據(jù)互通性，這將是未來實現(xiàn)智能監(jiān)測不可或缺的工具[19-20]。

如圖17所示為在Unity3D平臺中進(jìn)行基坑沉降監(jiān)測子模塊的開發(fā)過程，首先在Unity3D軟件中新建一個Project，并在Project里面新建pumpcar-check.asp、showObject.cs、Camera.cs、Follow UI.cs等功能性代碼文件，并對項目中的代碼、類、變量等進(jìn)行預(yù)定義。

圖17 Unity中開發(fā)子模塊Fig.17 Submodules in Unity

其次在圖形界面新建Scene，并導(dǎo)入第一步保存的基坑.FBX模型文件，同時在所有基坑點位上建立相應(yīng)的Sphere實體，即每一個Sphere實體代表所處位置的基坑點位。這里建立Sphere實體的目的是希望通過點擊每一個Sphere來顯示相應(yīng)位置基坑測點的數(shù)據(jù)實測值(Sphere實體即圖17中模型上的綠色小球)。

然后將第二步所建立的基坑數(shù)據(jù)庫接入到本地數(shù)據(jù)庫中，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全性，這里只需在showObject.cs文件中做一個數(shù)據(jù)的映射即可。

接著是在pumpcarcheck.asp文件中通過JSON交互語言將Unity3D中建立的每一個Sphere實體與本地的基坑數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對接，使得每一個Sphere實體具有實測的基坑沉降信息。

這樣就完成了基坑測點數(shù)據(jù)與Sphere實體的對接，最后是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示部分，這里的思路是為每個Sphere實體建立用戶界面數(shù)據(jù)顯示框來顯示數(shù)據(jù)，本數(shù)據(jù)顯示框為點擊每一個Sphere實體所觸發(fā)的事件。這樣，在Unity3D中便完成了對基坑沉降智能化監(jiān)測子模塊的開發(fā)，如圖18所示，用戶可通過鍵鼠操作實現(xiàn)對基坑模型的瀏覽，通過點擊任一Sphere實體即可查看相應(yīng)基坑的實時沉降信息，包括每一個基坑點位的編號、名稱、本次沉降量及累計沉降量等。同時如若沉降量超過后臺預(yù)設(shè)的沉降限制(單日沉降±2 mm，累計沉降±20 mm)，此點位的Sphere實體會以紅色顯示，起到實時預(yù)警作用。

圖18 Unity3D中的基坑沉降情況Fig.18 Displacement caused by deep excavation in Unity 3D

4.3.4發(fā)布為WebGL協(xié)議

通過Unity3D對基坑沉降智能化監(jiān)測子模塊開發(fā)完成后，即可發(fā)布為WebGL協(xié)議，Unity3D中自帶發(fā)布WebGL協(xié)議的接口，此WebGL協(xié)議主要由.js、.json、.unityweb等文件組成，點擊index.html文件即可在網(wǎng)頁端查看開發(fā)完成的基坑監(jiān)測Unity3D模型。

4.4 部署子模塊至信息監(jiān)測集成平臺

最后即在“尚理工”施工智能監(jiān)測平臺中部署基坑監(jiān)測子模塊，通過植入上述index.html等文件即可，其余開發(fā)方式與平臺首頁開發(fā)思路相同，不再過多贅述。如圖19所示為監(jiān)測平臺中基坑監(jiān)測模塊，模塊由四部分組成，分別為基坑模型欄、基坑測點布置圖欄、測點每日垂直位移表以及測點累計垂直位移表，平臺可實時可視化地查看現(xiàn)場基坑測點的沉降值，同時點擊相應(yīng)基坑測點可以圖表形式查看該測點沉降值的變化規(guī)律。

圖19 平臺基坑監(jiān)測子模塊Fig.19 The monitoning for sub-module for deep excavation in the platform

“基坑模型欄”即上文通過Unity3D開發(fā)的基坑監(jiān)測模塊，可通過鼠標(biāo)點擊任一綠色小球查看相應(yīng)位置測點的基坑沉降信息，信息包括編號、測點名稱、變化量(垂直)、累計變化量(垂直)等。同時，如若沉降量超過后臺預(yù)設(shè)的沉降限制，此點位的綠色小球會以紅色顯示，起到實時預(yù)警作用。

“基坑測點布置圖欄”即該項目的測點布置圖，方便用戶對照示意圖在基坑模型中進(jìn)行點選，具有很好的直觀性和指導(dǎo)性。

“測點每日垂直位移表”即在基坑模型欄中點選相應(yīng)測點后，出現(xiàn)該測點近兩周的每日垂直位移數(shù)值，同時設(shè)每日位移限制±2 mm用于警示。

“測點累計垂直位移表”即在基坑模型欄中點選相應(yīng)測點后，出現(xiàn)該測點近兩周的累計垂直位移數(shù)值，同時設(shè)累計位移限制±20 mm用于警示。

5 結(jié)束語

通過提出基于BIM的施工信息智能監(jiān)測體系框架、智能監(jiān)測管理功能架構(gòu)，并開發(fā)“尚理工”施工智能監(jiān)測平臺，取得如下效益：

1)施工信息智能化監(jiān)測架構(gòu)的提出，實現(xiàn)了新一代信息技術(shù)在施工監(jiān)測中的融合應(yīng)用，將工程監(jiān)測的被動“監(jiān)督”轉(zhuǎn)換為主動“監(jiān)控”，推動了互聯(lián)網(wǎng)+建筑的新型智能生產(chǎn)模式。

2)通過國產(chǎn)引擎BIMFACE進(jìn)行三維模型網(wǎng)頁端WebGL的輕量化開發(fā)，實現(xiàn)了低代碼、多功能、高性能的對BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。

3)“一平臺、一張圖、一張網(wǎng)”式的施工監(jiān)測模式全盤打通了勞務(wù)監(jiān)測、安全監(jiān)測、物資監(jiān)測、進(jìn)度監(jiān)測等各條線的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，從而提高施工現(xiàn)場的生產(chǎn)效率和管理效率，并有效減少工程安全隱患。

4)通過建立“尚理工”施工智能監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了工程對人、機、料、法、環(huán)等全方位信息的監(jiān)測采集和匯總分析，構(gòu)建了以企業(yè)、工程現(xiàn)場為主、輔助政府監(jiān)管平臺的三級聯(lián)動模式，打通了項目各參與方間的信息傳遞，提高了工程的監(jiān)管和服務(wù)能力，有助于企業(yè)對現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和對安全隱患進(jìn)行快速有效的處理，更好地推動了工程建設(shè)向精細(xì)化、集約化發(fā)展。

同時，通過研究基于BIM+IoT+UnityWebGL的施工信息監(jiān)測子模塊技術(shù)實現(xiàn)方式，并以基坑沉降監(jiān)測子模塊為例，提出基坑沉降信息化監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)、開發(fā)基坑沉降監(jiān)測子模塊系統(tǒng)，取得如下效益：

1)施工信息監(jiān)測子模塊技術(shù)的提出，可適用于任何需要在網(wǎng)頁端通過BIM模型展示監(jiān)測數(shù)據(jù)的施工業(yè)務(wù)，并可拓展到運維業(yè)務(wù)，整個過程移植性強、可復(fù)用性強。

2)在基坑沉降信息化監(jiān)測系統(tǒng)中，通過建立基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，有利于項目對基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的分析和預(yù)測，同時有利于形成規(guī)范化、信息化的基坑監(jiān)控監(jiān)管體系。

3)通過將基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM平臺關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化管理，保證了基坑數(shù)據(jù)的及時性和有效性，項目人員可以高效、直觀地獲取相應(yīng)測點的數(shù)據(jù)(BIM模型+數(shù)據(jù)曲線)。

4)系統(tǒng)可以及時對預(yù)警基坑進(jìn)行可視化的報警，對人身安全、工程經(jīng)濟等起到了很好的保障作用。

進(jìn)一步地，后續(xù)工作將在基坑沉降信息化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，繼續(xù)完善提出的智能化監(jiān)測體系，以及總結(jié)高效利用監(jiān)測數(shù)據(jù)的方式，并全盤應(yīng)用到車輛監(jiān)測、物料監(jiān)測、地下水位監(jiān)測等其他子模塊中。