基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)融合驅(qū)動的深基坑安全管理系統(tǒng)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，深基坑工程作為現(xiàn)代建筑施工中的重要組成部分，其安全性與施工效率日益成為行業(yè)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)。深基坑施工不僅涉及復(fù)雜的地質(zhì)條件、多變的施工環(huán)境，還面臨著土體穩(wěn)定性、地下水控制、周邊環(huán)境保護(hù)等多重挑戰(zhàn)，這些因素共同構(gòu)成了深基坑施工過程中的安全隱患[1-2]。

傳統(tǒng)的安全管理手段，如人工監(jiān)測、經(jīng)驗(yàn)判斷等，已難以滿足當(dāng)前深基坑工程對安全管理的精細(xì)化、智能化需求。因此，探索一種高效、精準(zhǔn)、實(shí)時的深基坑安全管理系統(tǒng)，對于保障施工安全、提高施工效率、減少事故損失具有重要意義[3-5]。

近年來，建筑信息模型（BuildingInformationModeling，簡稱BIM）與物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，簡稱IoT）技術(shù)的快速發(fā)展，為深基坑安全管理提供了新的思路和技術(shù)支持。BIM技術(shù)以其強(qiáng)大的信息集成能力、三維可視化表達(dá)和協(xié)同工作能力，為深基坑工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等全生命周期管理提供了強(qiáng)有力的支撐。通過BIM模型，可以實(shí)現(xiàn)對深基坑工程結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件、施工工序等信息的全面整合與精確模擬，為施工安全管理提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和決策依據(jù)[6-7]。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則通過傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線通信技術(shù)、云計(jì)算等手段，實(shí)現(xiàn)了對施工現(xiàn)場環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)、人員行為等實(shí)時數(shù)據(jù)的采集、傳輸與分析，為施工安全管理提供了即時、準(zhǔn)確的現(xiàn)場信息。

將BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)效應(yīng)，構(gòu)建出基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)融合驅(qū)動的深基坑安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對深基坑工程信息的全面集成與可視化展示，還能夠通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時監(jiān)測施工現(xiàn)場的各類安全參數(shù)[8]，及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警潛在的安全隱患[9-10]。同時，系統(tǒng)還能夠根據(jù)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合BIM模型進(jìn)行安全風(fēng)險評估與預(yù)測，為施工安全管理提供科學(xué)、合理的決策支持。本研究將致力于解決該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問題，為推動深基坑工程的安全、高效、可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

1BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合機(jī)理

針對施工安全管理所需的信息捕捉，以及深基坑作業(yè)中諸如邊坡穩(wěn)定性等關(guān)鍵風(fēng)險因素，本研究將BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行整合，旨在實(shí)現(xiàn)施工全鏈條信息的即時捕獲與精確解析。通過BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度融合，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)施工流程的直觀可視化表達(dá)，還能利用智能算法對施工安全風(fēng)險進(jìn)行精確識別與前瞻預(yù)測。這一系列技術(shù)革新，最終將為對深基坑施工過程提供精確指導(dǎo)，確保施工活動安全、高效推進(jìn)。

1.1 BIM技術(shù)特點(diǎn)

BIM是一項(xiàng)革新建筑領(lǐng)域的數(shù)字技術(shù)，其核心目標(biāo)在于優(yōu)化流程、縮減時間成本并提升項(xiàng)目精確度。BIM被闡釋為涵蓋一系列相互協(xié)作的政策、流程及技術(shù)手段，共同構(gòu)建出一種方法，用以在建筑的全生命周期內(nèi)，以數(shù)字化的形式來管理基礎(chǔ)建筑設(shè)計(jì)及項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)。

BIM技術(shù)融合了參數(shù)化建模、高度信息化及直觀可視化的特性，扮演著連接建筑實(shí)體與虛擬世界的橋梁角色，促進(jìn)了建造流程中現(xiàn)實(shí)與數(shù)字的交互融合。BIM技術(shù)的主要特點(diǎn)如表1所示。

1.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)

在智能建造的范疇內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)于結(jié)構(gòu)監(jiān)測、生產(chǎn)流程管理以及數(shù)據(jù)傳輸方面展現(xiàn)出了核心作用。該技術(shù)能夠精確追蹤人員、機(jī)械、材料、工藝及環(huán)境信息，進(jìn)而優(yōu)化施工品質(zhì)。借助全面的生產(chǎn)管理、安全監(jiān)控以及自動預(yù)警機(jī)制，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為施工安全提供了有力保障。

物聯(lián)網(wǎng)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，如異構(gòu)系統(tǒng)的無縫互聯(lián)、龐大的規(guī)模、高度的安全性、強(qiáng)大的連接性、動態(tài)適應(yīng)性以及與物體緊密相關(guān)的服務(wù)特性，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛應(yīng)用潛力。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要特點(diǎn)如表2所示。

1.3技術(shù)融合機(jī)理

在深基坑施工環(huán)節(jié)中，安全風(fēng)險主要源自兩大領(lǐng)域：施工管理層面以及施工技術(shù)與規(guī)劃層面。BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，為應(yīng)對施工技術(shù)與規(guī)劃相關(guān)的安全問題提供了有效策略。具體而言，施工技術(shù)與規(guī)劃中的放線偏差、施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、工藝選擇失誤及應(yīng)急方案缺失，構(gòu)成了深基坑施工安全事故的主要誘因。

BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合，在多個維度上促進(jìn)了施工安全管理的提升。一方面，BIM技術(shù)為施工安全管理搭建了一個技術(shù)融合的基礎(chǔ)平臺，實(shí)現(xiàn)了施工過程的虛實(shí)結(jié)合與閉環(huán)管理。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則為施工信息的精準(zhǔn)定位與高效傳輸開辟了新渠道。

BIM技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基石，提供了強(qiáng)大的平臺支持，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則為BIM模型的構(gòu)建提供了豐富、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資源。兩者的深度融合，共同推動了施工安全管理的高效、精準(zhǔn)運(yùn)行。BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合機(jī)理如圖1所示。

2深基坑施工安全管理

通過BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對基坑土體狀態(tài)及邊坡穩(wěn)定性的實(shí)時監(jiān)測。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸功能，現(xiàn)場采集的信息被即時導(dǎo)入BIM模型中。在BIM環(huán)境中，BIM模擬了土體的安全狀況，評估了施工過程中的潛在風(fēng)險，并據(jù)此制定了風(fēng)險維護(hù)策略。針對深基坑施工的安全管理需求，本研究開發(fā)了一套管理平臺，該平臺能夠智能化地實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險的閉環(huán)管理。

2.1 管理功能需求

本研究致力于實(shí)現(xiàn)的功能，涵蓋深基坑施工安全數(shù)據(jù)的場景化綜合管理、智能風(fēng)險評估與預(yù)警以及維護(hù)措施的輸出，這些功能均為綜合性功能，依托多個功能模塊協(xié)同完成，具體包括模型數(shù)據(jù)錄入、施工安全監(jiān)測、風(fēng)險評估與預(yù)警、以及維護(hù)方案生成等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1.1模型與數(shù)據(jù)錄入

系統(tǒng)需以施工管理人員手動導(dǎo)入的深基坑BIM模型作為幾何信息基礎(chǔ)。除BIM模型外，還需手動錄入其他必要信息。

2.1.2施工安全實(shí)時監(jiān)測

施工安全實(shí)時監(jiān)測是施工管理人員的首要需求，通過基坑內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時采集土體受力狀態(tài)，監(jiān)測項(xiàng)目涵蓋基坑水位、周邊土體沉降等。結(jié)合BIM模型，實(shí)現(xiàn)施工管理人員在建筑三維場景下的施工安全數(shù)據(jù)實(shí)時追蹤。

2.1.3安全風(fēng)險評估與預(yù)警

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)收集施工安全數(shù)據(jù)后，將其導(dǎo)入BIM模型中進(jìn)行安全狀態(tài)分析。一旦檢測到風(fēng)險，系統(tǒng)將觸發(fā)預(yù)警機(jī)制?；谔搶?shí)融合理念，預(yù)警形式不僅包含文字與三維BIM模型的同步展示，還將在實(shí)際基坑中通過報警設(shè)備發(fā)出警報。

2.1.4維護(hù)措施生成

面對施工過程中的安全風(fēng)險，系統(tǒng)需輸出相應(yīng)的安全維護(hù)措施。這一功能要求將基于BIM的維護(hù)措施可行性分析融入系統(tǒng)，依據(jù)BIM模型的分析結(jié)果，輸出最優(yōu)的修正方案，確保施工安全。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需采用B/S架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)施工全過程的智能化閉環(huán)管理。

2.2平臺特點(diǎn)

在系統(tǒng)平臺構(gòu)建中，還需著重考慮其實(shí)用便捷性、信息安全、穩(wěn)定運(yùn)行能力及未來可擴(kuò)展性。

2.2.1 實(shí)用且便捷

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷在于簡化深基坑施工管理工作，服務(wù)對象既涵蓋專業(yè)的施工管理團(tuán)隊(duì)，也涉及一線施工現(xiàn)場人員，因此系統(tǒng)需配備用戶友好的操作界面及簡潔明了的操作指南。

對于施工管理團(tuán)隊(duì)而言，系統(tǒng)應(yīng)便于他們迅速掌握業(yè)務(wù)邏輯及操作流程。而對于現(xiàn)場人員，則需設(shè)計(jì)直觀易懂的界面及簡便的操作步驟，以便其在緊急情況下迅速依據(jù)分析結(jié)果采取維護(hù)行動。

2.2.2 信息安全

信息安全主要指數(shù)據(jù)保護(hù)。施工安全數(shù)據(jù)涉及深基坑的多維度力學(xué)參數(shù)及環(huán)境信息，一旦泄露或遭破壞，可能引發(fā)不良社會反響。故系統(tǒng)需配備可靠的安全防護(hù)措施，有效抵御惡意入侵。

2.2.3 運(yùn)行能力穩(wěn)定

系統(tǒng)需處理包括視頻、文本等在內(nèi)的海量施工安全數(shù)據(jù)，且施工安全管理要求系統(tǒng)全天候在線。因此系統(tǒng)需具備強(qiáng)大的穩(wěn)定運(yùn)行能力，確保在高負(fù)荷數(shù)據(jù)處理下仍能平穩(wěn)運(yùn)行。同時，系統(tǒng)維護(hù)應(yīng)簡便易行，以便在出現(xiàn)問題時迅速解決。

2.2.4 可擴(kuò)展性強(qiáng)

當(dāng)前系統(tǒng)雖能滿足部分施工安全管理需求，但仍有許多功能待研發(fā)。因此系統(tǒng)需具備良好的擴(kuò)展性能，以便在出現(xiàn)新需求或功能時，能夠輕松添加更多功能，更好地服務(wù)于施工安全管理。

2.3 管理平臺架構(gòu)

2.3.1平臺架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，一個合理的架構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能指導(dǎo)系統(tǒng)開發(fā)者的工作思路，還能幫助用戶清晰地理解系統(tǒng)的操作流程。在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，首先需明確系統(tǒng)的總體邏輯框架，隨后依據(jù)具體的功能需求來劃分并設(shè)計(jì)各個功能模塊。

針對施工安全管理平臺的功能需求，構(gòu)建了相應(yīng)的技術(shù)架構(gòu)。該架構(gòu)旨在實(shí)現(xiàn)綠色施工、高效施工及安全施工3大核心目標(biāo)。采用逆向設(shè)計(jì)的方法，從功能層開始，逐層向下細(xì)化至平臺層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層及物理層，以確保每一層的細(xì)節(jié)都緊密貼合整體目標(biāo)。

完成架構(gòu)搭建后，再按照物理層至功能層的順序進(jìn)行正向數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)在各層級間順暢流通，最終在功能層上直觀展示，從而全面實(shí)現(xiàn)綠色、高效及安全的施工目標(biāo)。

2.3.2基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的施工安全管理平臺

構(gòu)建基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的施工安全管理平臺，旨在整合深基坑施工全周期的信息。通過開發(fā)設(shè)計(jì)管理與運(yùn)營管理模塊，并運(yùn)用軟件工程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了建筑信息的可視化、資源的共享以及操作的便捷高效，從而有效降低了工程變更的頻率，并提升了運(yùn)營維護(hù)管理的便利性。

在平臺的感知層級部署了各類傳感設(shè)備，以實(shí)時捕捉施工安全信息。這些設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備、構(gòu)件等關(guān)鍵要素的精確定位，并與虛擬模型進(jìn)行了實(shí)時映射。對于來自多個源頭且結(jié)構(gòu)各異的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)層將其傳輸至數(shù)據(jù)層。在數(shù)據(jù)層，對施工階段的深基坑安全數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并將其存儲在數(shù)據(jù)庫中。

該數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源主要包括兩部分：一部分是通過BIM模型仿真獲得的數(shù)據(jù)，另一部分則是現(xiàn)場實(shí)測所得的數(shù)據(jù)。這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)將隨著項(xiàng)目的推進(jìn)而持續(xù)更新。

此外，還結(jié)合管理系統(tǒng)的功能模塊，對運(yùn)維信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和動態(tài)管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)用層中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為維護(hù)工作提供了精確化的指導(dǎo)，從而顯著提升了運(yùn)維的效率。

2.4施工安全管理

基于技術(shù)架構(gòu)的指引，為實(shí)際深基坑項(xiàng)目打造了一個管理平臺，深基坑施工管理平臺如圖2所示。險評估與預(yù)警、以及安全維護(hù)。在平臺運(yùn)作下，深基坑施工安全管理被有序地劃分為3個階段。

第一階段為日常施工管理階段。此時尚未發(fā)生危險事件，施工管理人員主要負(fù)責(zé)對基坑內(nèi)的人員、設(shè)備及土體狀況進(jìn)行常態(tài)化的管理與監(jiān)控。

在實(shí)際工程項(xiàng)目中，成功研發(fā)了施工安全管理平臺，并制定了詳細(xì)的安全管理流程。這一研究成果不僅顯著提升了深基坑施工的安全性，還有效提高了施工效率。此外，本研究所形成的系統(tǒng)架構(gòu)為其他類似工程提供了有益的參考和啟示。

第三階段為危險解除與恢復(fù)階段。在完成危險處置后，系統(tǒng)確認(rèn)安全狀態(tài)，隨后施工活動回歸至日常管理模式。

該方案結(jié)合了BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并研發(fā)了相應(yīng)的管理平臺系統(tǒng)。

借助這一管理平臺，進(jìn)行深基坑施工安全的仿真分析。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，該管理平臺的應(yīng)用顯著提升了施工效率，并有效地預(yù)防和控制了安全風(fēng)險。深基坑施工安全仿真分析如圖3所示。

本文細(xì)致分析了BIM與物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特性，并基于深基坑施工安全管理需求，探索了兩種技術(shù)的融合路徑，為深基坑安全管理提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在融合機(jī)制的引導(dǎo)下，結(jié)合深基坑施工的特點(diǎn)及其數(shù)據(jù)需求，明確了安全管理系統(tǒng)的功能需求，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的技術(shù)架構(gòu)。

第二階段為危險應(yīng)對階段。一旦檢測到危險信號，系統(tǒng)立即啟動報警機(jī)制，并提供緊急處置建議。

3結(jié)束語

在深基坑施工領(lǐng)域，諸多安全隱患始終存在，傳統(tǒng)施工安全管理模式相對粗放，容易導(dǎo)致土體坍塌、邊坡不穩(wěn)定及地面沉降等安全事件。鑒于智能建造技術(shù)的快速發(fā)展，本研究提出了一個創(chuàng)新的深基坑安全管理方案，

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