基于BIM+GIS基坑監(jiān)測可視化平臺(tái)

林 潔，張 釗，葉子銘，杜 顏

（深圳市水務(wù)工程檢測有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

隨著城市人口暴增，我國城市化建設(shè)面臨著土地資源緊張、綠地面積減少等諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，并爆發(fā)了交通堵塞和環(huán)境污染等一系列問題，這使得地下空間的開發(fā)利用越來越迫切?；庸こ套鳛榈叵率┕さ闹匾h(huán)節(jié)，隨著開挖深度的加深，開挖技術(shù)難度也逐步加大。在地下工程和深基坑作業(yè)中，往往會(huì)出現(xiàn)許多危及工程人員生命安全的事故。本文利用BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，開發(fā)基坑監(jiān)測可視化平臺(tái)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控基坑沉降和位移情況，降低人力成本和提高監(jiān)測效率，同時(shí)避免基坑施工過程中的安全隱患和事故發(fā)生。

1 BIM+GIS 應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，許多學(xué)者都對(duì)BIM+GIS 融合技術(shù)開展了研究及應(yīng)用。文富勇[1]將BIM+GIS 技術(shù)應(yīng)用于桃花源水電站大壩安全監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測信息三維可視化展示，解決了傳統(tǒng)大壩監(jiān)測信息展示不夠直觀、形象的問題，讓展示效果更為形象生動(dòng)。苗正紅等人[2]指出，GIS 技術(shù)在水利水電工程宏觀設(shè)計(jì)、環(huán)境移民和影響評(píng)價(jià)、地質(zhì)勘查和水文水資源管理中均具有很好的應(yīng)用前景，BIM+GIS 是水利水電工程設(shè)計(jì)發(fā)展的主要技術(shù)方向，將推動(dòng)水利信息的現(xiàn)代化發(fā)展。蔣璐[3]首次提出了將BIM 技術(shù)與既有建筑檢測工作融合應(yīng)用，即將BIM 模型作為既有建筑檢測報(bào)告的載體，解決了傳統(tǒng)檢測方法無法融合BIM 技術(shù)的應(yīng)用難題，通過3D 掃描技術(shù)與 BIM 技術(shù)結(jié)合，取得傳統(tǒng)檢測方法無法達(dá)到的檢測精確度。柳婷等人[4]將無人機(jī)傾斜攝影輔助BIM+GIS 技術(shù)，應(yīng)用在城市軌道交通-深圳地鐵8 號(hào)線規(guī)劃選線中，在全線6 站6 區(qū)間施工中的管線改遷、場地規(guī)劃布置、梳理圖紙問題、三維可視化交底、施工進(jìn)度管理、安全質(zhì)量協(xié)同管理等方面取得了應(yīng)用成果。饒小康等人[5]將基于GIS、BIM、IoT 的數(shù)字孿生與堤防工程安全管理進(jìn)行結(jié)合，研究了數(shù)字孿生數(shù)據(jù)及模型集成與可視化表達(dá)方法，建立堤防險(xiǎn)情識(shí)別深度學(xué)習(xí)模型，設(shè)計(jì)出基于 GIS+BIM+IoT 數(shù)字孿生的堤防工程安全管理平臺(tái)，并應(yīng)用在長江干堤典型堤段。郭瑞陽[6]對(duì)BIM 模型和3D GIS 的融合技術(shù)展開研究，分析了BIM 模型向3D GIS 融合過程中的一些困難以及二者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的差異；并通過對(duì)Supermap GIS 平臺(tái)的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了3D GIS對(duì)BIM 模型的可視化展示和資產(chǎn)設(shè)備分層分組查詢管理。Amirebrahimi 等人[7]提出了一種集成GIS 和BIM 的三維可視化數(shù)據(jù)模型，用于評(píng)估洪水對(duì)建筑物的損害。Boguslawski等人[8]研發(fā)了支持應(yīng)急響應(yīng)應(yīng)用的BIM 和GIS 建筑信息模型，可以廣泛運(yùn)用在設(shè)計(jì)、施工和生產(chǎn)運(yùn)營中。唐超等人[9]提出了基于GIS-BIM 的城市綜合管廊智能運(yùn)維管理平臺(tái)，有效降低了地下管線的安全事故，提高了地下管線運(yùn)維水平、應(yīng)急能力和經(jīng)營管理水平。

2 工程監(jiān)測中BIM+GIS 技術(shù)應(yīng)用的意義

目前，大多數(shù)在建和已建好的基坑工程，都需要專業(yè)人員對(duì)基坑進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，基坑監(jiān)測中水平位移和豎向沉降是兩個(gè)重要指標(biāo)，水平位移主要采用測斜管和測斜儀進(jìn)行人工測量和讀數(shù)并上報(bào)，測量數(shù)據(jù)明顯滯后；豎向沉降主要采用全站儀和水平儀進(jìn)行測量，也存在人工測量數(shù)據(jù)滯后的問題，均難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控；基坑監(jiān)測點(diǎn)布置和運(yùn)行狀況，極度依賴專業(yè)人員的判斷和提供準(zhǔn)確的信息。有部分已建成的基坑工程雖然采用了自動(dòng)化監(jiān)測管理系統(tǒng)，但展示形式大多是二維圖片或文字、表格，這樣抽象的方式不利于行業(yè)交流和展示[10]。

通過BIM+GIS 融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水利工程監(jiān)測的三維可視化展示，可以更加生動(dòng)、形象地展示監(jiān)測數(shù)據(jù)，有著極大的應(yīng)用意義。BIM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水工建筑物結(jié)構(gòu)立面與平面圖的現(xiàn)場測繪，并得出檢測材料強(qiáng)度，同時(shí)還能監(jiān)測水工建筑物的損傷情況與沉降情況。采用GIS 技術(shù)可以對(duì)建筑物中的所有相關(guān)地理信息進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，比如周邊環(huán)境、土質(zhì)情況、水工建筑物面積等；融合BIM 技術(shù)仿真模擬，在 GIS系統(tǒng)中可視化BIM 數(shù)據(jù)，從而生成可視化的檢測報(bào)告，極大提高了檢測工作的水平，監(jiān)測結(jié)果更加簡單易懂，同時(shí)也保障了監(jiān)測信息的準(zhǔn)確性。

3 BIM+GIS 可視化平臺(tái)技術(shù)構(gòu)架設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集來源分為檢測數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過ICT（信息通信技術(shù)）、IoT（物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）使數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)服務(wù)器，經(jīng)過加工進(jìn)入到數(shù)據(jù)庫，通過建模從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相關(guān)工程部位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化應(yīng)用，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫建模

3.2 數(shù)據(jù)傳送

數(shù)據(jù)傳輸和接收技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了跨地域信息交換，監(jiān)測項(xiàng)目的工程數(shù)據(jù)隨著項(xiàng)目規(guī)模增大，數(shù)據(jù)也成倍增加，開發(fā)從檢測和監(jiān)測儀器上傳輸數(shù)據(jù)到檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)就很有必要，極大地加強(qiáng)了對(duì)相應(yīng)項(xiàng)目現(xiàn)場數(shù)據(jù)的管理。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

3.3 平臺(tái)層架構(gòu)體系

整個(gè)平臺(tái)層架構(gòu)體系分為6 層，如圖3所示。最底層為BIM+GIS 層，涉及對(duì)工程前期的勘察設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。第2 層為接口層，涉及數(shù)據(jù)接口與交換。第3 層為數(shù)據(jù)層，是檢測數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)以及相應(yīng)臺(tái)賬的匯總。第4 層為平臺(tái)層，將數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，形成數(shù)據(jù)看板和可視化平臺(tái)（對(duì)單點(diǎn)工程部位進(jìn)行可視化）。第5 層為模型層，可優(yōu)化檢測方案，對(duì)檢測信息進(jìn)行智能分析，并對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行3D 漫游。第6 層為應(yīng)用層，為第5 層的具體應(yīng)用。

圖3 平臺(tái)層構(gòu)架體系

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 項(xiàng)目概況

福永水質(zhì)凈化廠二期工程位于寶安區(qū)福海街道福永水質(zhì)凈化廠一期南側(cè)、福永排北路北側(cè)、松福大道西側(cè)，工程區(qū)域范圍概況如圖4所示。本工程基坑設(shè)計(jì)規(guī)模為 248 m×109 m（長度×寬度），基坑深度為5.50～10.90 m。依據(jù)本工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)總說明，基坑支護(hù)主要包括生化池、二沉池、高密度沉淀池、紫外消毒池及尾水提升泵房等，本工程基坑支護(hù)安全等級(jí)為二級(jí)，基坑變形按三級(jí)控制。

圖4 工程區(qū)域范圍概況

4.2 搭建基坑監(jiān)測可視化平臺(tái)

依托深圳市福永水質(zhì)凈化廠二期工程基坑監(jiān)測項(xiàng)目，搭建福永水質(zhì)凈化廠二期工程BIM+GIS 基坑監(jiān)測可視化平臺(tái)，硬件采用智能無線數(shù)據(jù)采集終端（型號(hào) LRK-DZ622A）和提升式自動(dòng)化水位計(jì)（RYY-SW02），軟件采用Revit（BIM）、Unity3d（GIS）軟件。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了高精度的GIS 地形與實(shí)際設(shè)施模型的集成加載，如圖5所示，并可通過綁定事件進(jìn)行各種交互操作。

圖5 模塊集成

在Revit 軟件里建立BIM 模型，通過BIM 輕量化并導(dǎo)入到可視化平臺(tái)中，根據(jù)基坑所在的GIS 地理位置，給基坑建筑信息模型添加經(jīng)緯度坐標(biāo)；然后使用Web 墨卡托地圖投影算法，將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成以米為單位的坐標(biāo)，得到基坑在數(shù)字地球中的所在位置，通過三維可視化引擎將場景渲染出來。在場景中根據(jù)實(shí)景拍攝的照片，添加一些木材、土方車等設(shè)備，豐富可視化效果，再輔以照相級(jí)別的貼圖及質(zhì)感，使3D 感更真切。錨索、沉降等傳感器設(shè)備接入云端數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)告知用戶設(shè)備的運(yùn)行情況。如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)和信息流

通過基坑監(jiān)測可視化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）基于水質(zhì)凈化廠基坑現(xiàn)場，構(gòu)建3D 模型，多方位展示基坑全景信息及內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息；

（2）對(duì)不同設(shè)備信息進(jìn)行展示，包括設(shè)備鋪設(shè)點(diǎn)位、設(shè)備編號(hào)信息、監(jiān)測信息狀態(tài)；

（3）列表統(tǒng)計(jì)設(shè)備資產(chǎn)數(shù)量；

（4）設(shè)定報(bào)警值，對(duì)設(shè)備監(jiān)測值超出累計(jì)報(bào)警值范圍的點(diǎn)位進(jìn)行預(yù)警，展示預(yù)警信息并統(tǒng)計(jì)累計(jì)預(yù)警數(shù)量；

（5）關(guān)聯(lián)BIM+智慧工地?cái)?shù)據(jù)決策系統(tǒng)，輔助決策。

此次項(xiàng)目共埋設(shè)108 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其中包括11 個(gè)錨桿計(jì)、10 個(gè)水位孔、33 個(gè)建筑沉降、42 個(gè)水平沉降、12 個(gè)路面沉降。在基坑施工期間，可視化平臺(tái)獲取到2 個(gè)水位預(yù)警提醒。

基坑監(jiān)測項(xiàng)目可視化平臺(tái)效果展示如圖7～圖9所示。

圖7 基坑實(shí)景建模

圖8 可視化監(jiān)測系統(tǒng)主頁面

圖9 基坑監(jiān)測可視化系統(tǒng)展示界面

5 結(jié) 語

通過BIM+GIS 技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)三維可視化模型和智能監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用、對(duì)各施工自檢報(bào)告的實(shí)時(shí)抓取、施工進(jìn)度的掌握，進(jìn)而對(duì)地基工程監(jiān)測進(jìn)行高效的管理，完善對(duì)比檢測達(dá)到驗(yàn)收閉環(huán)，為業(yè)主提供詳盡的監(jiān)測工程信息，提高項(xiàng)目信息化水平，使工程后期運(yùn)營維護(hù)效率大大提高，極大地保證工程質(zhì)量，并避免了人力物力的浪費(fèi)。在后期應(yīng)用中，由于監(jiān)控平臺(tái)過多，還需要開發(fā)一個(gè)集成的平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控，提升數(shù)據(jù)中心的管控能力。