基于BIM技術的基坑工程監測信息管理系統

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建設有限公司 山東青島 266000；2.濟南城建集團有限公司 山東濟南 250031；3.青島市市政工程設計研究院有限責任公司 山東青島 266000；4.山東高速工程檢測有限公司 山東濟南 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）筑物及地下管線的變形。為確保基坑安全、高效開挖，基坑監測是一種最為常用的施工控制手段［1］。目前傳統的基坑監測多依據工程規范及標準，借助人力手動進行數據處理及分析，且監測結果多以二維圖表數據進行展現。這一過程對技術人員水平要求較高，且處理的結果無法反映監測數據的三維空間和時間分布，無法及時、有效地反饋與指導實際工程施工。因此，建立一個統一的數據信息管理平臺，實現基坑監測數據的高效管理，且通過設定監測數據的閾值，實現預測預警，對指導基坑施工具有十分重要的意義和應用價值。

BIM（Building information Modeling）為建筑信息模型，其通過數字計算機技術對各種工程信息進行添加，從而使工程模型本身在設計、施工、維護等各階段發揮相應效用，提高信息的傳遞效率。該技術的應用對傳統的建筑模式帶來沖擊，將對未來建筑業生產模式掀起一場新型革命［2－5］。

目前，眾多學者關于基坑監測管理系統的設計與開發做了諸多研究。江明明［6］對基于WebGIS的城市地鐵施工監測信息管理系統進行全面分析，探究系統的構成、系統功能、系統接口以及系統關鍵技術；張園園［7］使用VB編程語言，通過Access2003創建數據庫，ActiveX技術調用Excel軟件、MatrixVB軟件、Surfer8軟件分別實現了數據的批量導入，基坑墻頂位移預測及三維顯示和基坑圍護墻壁變形三維顯示，開發了深基坑監測信息管理系統；吳振軍等［8］基于GIS圖形可視化技術，開發了分布式基坑監測信息管理與預警系統；廖志剛等［9］基于BIM技術，搭建了具有模型可視化、監測可視化、設計屬性信息化、基坑監測信息化、管理升級化特點的基坑監測管理系統。

上述研究在基坑工程的三維模型表達和監測信息管理方面做了初步的探索，但尚未實現信息的及時共享和系統化管理。對此，本文綜合應用BIM技術、Cesium三維引擎和Web端軟件編程技術，實現了基坑工程的三維模型與地層環境的創建，并實現了基坑工程監測信息三維可視化和實時共享。

2 系統需求分析

系統需求分析是基坑監測信息管理系統的前提。基坑監測信息系統的本質就是通過計算機技術，對基坑監測信息進行收集、儲存、共享、分析和展示［10－12］。基坑監測信息管理系統應具備高效的數據錄入、有序的數據查詢、信息修改、三維可視化、數據處理、預報預警和報表自動生成等功能。同時系統應提供網絡服務，支持設計單位、業主、施工單位和監理單位及時共享數據及分析結果，提高數據的價值，更好地指導施工和風險預防。系統主要實現的目標：

（1）應用BIM技術實現基坑工程和地層環境的三維模型構建和表達。

（2）實現BIM模型與基坑監測信息在Web端的三維可視化，支持自由旋轉、放大、縮小、平移、部件剖切等功能。

（3）支持基坑監測信息上傳與更新，同時支持對基坑監測信息的快速查詢。

（4）支持基坑監測信息的處理和分析，依據設定條件可生成圖表。

（5）支持根據基坑監測信息對基坑變形進行預測，同時根據預測結果提供預警功能。

（6）支持根據監測項目，日期以及監測數據能自動生成標準格式的報表文件。

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）導入底圖。首先將基坑工程CAD平面圖作為底圖導入到項目中，導入方式包括“鏈接CAD”和“導入CAD”兩種。通常，基坑CAD平面圖導入只保留必要的基坑邊界線，其他信息諸如高程點、道路、管線等圖形數據對建立模型無用，預先刪除。

（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現。繪制前，要對各點的高程數據進行統計。基于CAD底圖精準設置三維點，各點連接形成各個坡面。

（3）構件布設。首先將族載入到基坑項目文件中，設置參數形成所需族類型，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件布設。

（4）地層構建。完整的基坑模型包括支護模型和地層模型。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知。以“板”代替地層，繪制地層邊界，設置地層厚度，以不同顏色代表不同地層，將地層設置在指定標高處，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 基坑監測數據庫設計

4.1 數據庫表設計

數據庫采用MySQL關系型數據庫處理用戶數據以及監測數據，根據工程實際需要，建立用戶信息表、監測點信息表、監測項目信息表、監測人員信息表、工程基本信息表、預警信息表、圍護結構頂部水平位移監測記錄表、邊坡水平位移監測記錄表、圍護結構頂部沉降監測記錄表、地下水位監測記錄表、建筑物沉降監測記錄表、地表沉降監測記錄表、地下管線沉降監測記錄表、圍護樁體內力監測記錄表、圍護結構側向土壓力監測記錄表、錨（桿）索拉力監測記錄表和基坑底部隆起監測記錄表。以地表沉降監測信息記錄表為例，如表1所示。

表1 地表沉降監測信息記錄表

4.2 數據庫表關系的確定

數據庫表之間通過數據庫實體相互聯系，主要聯系方式包括一對一、一對多和多對多。本文以地表沉降監測信息記錄表、預警信息表、監測點信息表、監測項目信息表、監測人員信息表、工程信息表為例展示實體間關系的確定。

一條地表沉降記錄僅僅可以對應一個監測點、一名監測人員、一項工程，而每個監測點，監測人員和工程項目都可以對應多條監測記錄，因此地表沉降監測信息記錄表通過監測點編號（MP_ID）與監測點信息表形成多對一的關系，通過監測人員（Employee ID）與監測人員信息表形成多對一關系，通過工程編號（Project ID）與工程信息表形成多對一關系。每個監測點對應一個監測項目，而每個監測項目可以對應多個監測點，因此監測點信息表通過監測項目序號（MI_ID）和監測項目表形成多對一關系。每個監測項目僅對應一條預警信息，因此監測項目信息表通過監測項目編號（MI_ID）與預警信息表形成一對一關系。數據庫表之間關系如圖2所示。

圖2 數據表關系

5 系統開發環境與功能模塊

5.1 開發環境

（1）操作系統

本系統支持Windows 10操作系統，瀏覽器需支持 HTML5、WebGL、Highcharts。

（2）開發語言及環境

系統前端主要使用JavaScript編程語言，采用Cesium作為三維引擎，利用React組件技術設計UI，最后通過webpack打包器對靜態文件進行打包。

系統后端使用JavaScript編程語言，Node.js開發平臺，Express框架進行開發。

5.2 功能模塊

（1）登錄權限設計。根據系統實際使用以及信息安全性需求，設計三類使用權限，分別是賬號管理員、項目管理員、監測管理員。賬號管理員提供新建、注銷賬號的功能，可對已有賬號進行管理，如信息查詢、密碼找回、修改權限等，但無法進行上傳、修改、導出和刪除項目文檔文件和監測信息的操作。賬號管理員賬號通常由系統維護人員使用。項目管理員提供上傳、修改、導出和刪除項目文檔文件的功能，同時支持對監測信息的查詢、分析、預測預警等。項目管理員賬號通常由項目負責人使用。監測管理員賬號提供模型瀏覽、文檔下載、數據管理、預測預警和報表生成等基本功能。監測管理員賬號由監測員使用。

（2）三維可視化瀏覽。系統提供三維可視化基本的瀏覽功能，可以對基坑支護模型進行全方位瀏覽，同時提供基坑支護模型部件快速定位和模型剖切功能，提高用戶使用體驗。選中基坑支護結構部件時，可以查看部件的基本信息。同時系統還提供基坑監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、錨索內力、圍護樁頂水平位移和豎直位移等監測信息。基坑還提供監測信息的動態演示，能夠以動畫與動態圖表結合的形式展示基坑監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。系統支持對工程文檔進行管理，主要提供上傳、儲存、下載和刪除功能，以實現安全規范相關文檔、設計文檔、施工文檔、運行的文件、圖紙、報告及其他圖文聲像資料管理。對文件進行刪除操作時，被刪除的文件會轉入回收站，回收站默認保存30 d，30 d后徹底刪除。

（4）監測信息管理。信息管理模塊主要功能包括監測信息的查詢、錄入、編輯、分析。該模塊提供監測信息查詢功能，進行查詢時，需要用戶選擇監測項目、起止日期、監測點，表格就會顯示出符合要求的監測數據，供用戶瀏覽。監測信息查詢界面如圖5所示。

圖5 監測信息查詢界面

目前系統支持對大部分監測項目的管理，包括圍護結構頂部水平位移、土體側向變形、圍護結構頂部沉降、圍護樁體變形、地表沉降、地下水位和錨索內力等監測項目。在錄入數據前，要對監測所得的原始數據進行預處理，按照相關基坑監測規范，將原始數據經計算轉化為可錄入的標準格式。

為方便監測人員錄入監測信息，系統提供單條錄入和批量錄入兩種錄入數據的方式。進行單條錄入時，首先應選擇要錄入的監測項目，系統會根據具體的監測項目提供需要輸入的字段，用戶根據提示輸入每一項字段后點擊上傳按鈕即可錄入監測信息。錄入信息可在監測信息瀏覽窗口顯示，以供監測人員監測錄入信息是否正確。

系統提供批量錄入功能以減少用戶工作量。進行批量上傳時，首先應將處理后的監測數據按照固定格式填入Excel表格當中，然后選擇監測項目，點擊批量上傳按鈕會彈出文件路徑選擇對話框，選擇預先處理好的Excel表格文件后點擊上傳按鈕，即可實現監測數據的批量上傳。數據錄入界面如圖6所示。

圖6 數據錄入界面

系統還提供數據分析功能，用戶選定好監測項目、測點編號、起止日期即可生成監測數據圖表，方便用戶更加直觀地觀察監測數據的變化趨勢。圖表生成界面如圖7所示。

圖7 圖表生成界面

（5）基坑變形預測與預警。系統提供PSO-BP神經網絡預測功能，用戶可根據自身需求選擇合適的輸入樣本進行基坑變形預測。進行預測時首先應選擇要預測的監測項目。以預測地表沉降為例，首先在監測項目欄選擇地表沉降，然后選擇要預測的監測點；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測信息已上傳，否則系統會因數據缺失報錯。選擇輸入樣本時，需選擇20 d的監測數據，輸出的預測數據為第21天至第25天的數據。點擊預測按鈕后，系統會在預測結果對話框顯示預測結果以及對應的圖表供用戶分析。基坑變形預測設置界面如圖8所示。

圖8 基坑變形預測設置界面

系統提供預警設置功能，目前系統本身提供大部分根據國家或地方規范確定的三級基坑預警值，用戶選擇監測項目、基坑級別、支護類型以及技術規范后，系統會自動提供對應的紅、橙、黃三色基坑預警值。此外，系統還允許用戶修改基坑預警值以滿足實際情況。基坑預警參數設置界面如圖9所示。

圖9 基坑預警參數設置界面

（6）報表生成。系統實現了監測報表的自動化輸出。系統本身自帶所有監測項目日報表的word模板，監測人員在進行報表生成時，只需保證當日監測數據已經上傳，然后選擇項目信息和日期，并填寫工程名稱、報表編號、工程負責人、工況、分析及結論等基本信息，點擊預覽按組即可生成日報表并對報表進行瀏覽，再點擊導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。報表可以根據需要導出為word格式。

圖10 報表生成模塊界面

6 結束語

本文針對目前基坑監測數據管理方式落后、數據共享不夠便捷、查詢效率低下、基坑預警預測不及時、數據可視化程度低的現狀，研發了一款集數據管理、預測預警、三維可視化和報表生成于一體的基坑監測系統。

（1）實現了基坑結構、地層環境和監測信息的三維可視化，改善了傳統二維圖表展現不夠直觀的缺點，可表達監測信息的空間分布屬性。

（2）通過建立基坑監測信息數據庫，將基坑監測信息分類存儲，提供批量導入、數據查詢、圖表分析等功能，提高了基坑監測信息的管理水平和共享效率。

（3）實現了基坑變形的預測預警，對及時發現基坑施工過程中的安全風險具有重要的現實意義。

（4）實現了日報表自動生成，提高了基坑監測的信息化水平。