基于BIM的地鐵基坑監測管理信息系統研究

郭昱銘，沙文東，李謀思

(武漢市勘察設計有限公司，湖北 武漢 430022)

1 引 言

隨著各城市的快速發展，地鐵建設項目極速增加，鑒于地鐵基坑都是深大基坑的特點，基坑的變形監測在施工中已經成為不可或缺的安全監控手段。傳統的監測匯報管理方式明顯不能滿足日益增長的大信息量的作業模式。因此，需要建立一個綜合性強，功能全面，信息集中的集成化的管理系統，此管理系統需要能及時地進行數據處理、信息分類，為決策者及時準確地提供反饋信息。由于BIM的可視化技術、模型包含大量信息等特點，地鐵基坑多為深大基坑、施工周期長等特點，這也使得其在監測中的應用是必然趨勢，對于工程安全具有重大意義。

2 相關技術

2.1 基坑監測技術

基坑是整個項目的基礎工程，它具有階段性的特征，但在進行基坑實施過程中，其風險系數高，安全儲備較小，容易發生安全事故[1]。而地鐵基坑一般都屬于深大基坑，各地層地質環境變化多，開挖深度高，支護要求高，對其安全性提出了更高的要求。

隨著基坑施工出現了科學的設計理念和完備的施工作業方法，基坑監測已成為施工中的重要組成部分，基坑監測的目的主要是：

(1)驗證支護結構設計，指導基坑開挖和配套結構的施工。在進行基坑開挖時，是根據支護結構設計方案進行防護的，而設計方案對于支護結構是否成功具有最重要的作用[2]。

(2)保證基坑支護的安全。按照監測方案每日進行監測控制，實行信息化施工，當此情況出現時，能夠及時發現，能有效地避免或減輕破壞的后果。

(3)總結工程經驗，為改進設計分析提供支撐和依據。當工程項目完成和監測結束之后，在整個監測階段和施工中遇到的情況為下次的施工設計提供很好的借鑒作用。

一般基坑的監測內容都是結合項目的設計要求與相應施工的規范文件，以及基坑周邊環境的性質和基坑需要的安全等級來確定的。

2.2 BIM技術

建筑信息模型(BIM)是指在建筑物建設的全生命周期中，從設計、施工、運營等相關的建筑信息數據的集合體。運用該模型數據數字化技術實時動態地模擬施工、運營的多個環節，大大提高生產率和控制成本，有效地反饋施工中的重難點。建筑信息模型(也簡稱BIM)在全周期過程中產生了包括建筑構件位置關系、幾何關系、空間地理信息及建筑結構件的數量和性能等信息。

BIM帶來的優勢主要體現在以下幾個方面：

(1)可視化。BIM建立的三維模型，是根據建筑設計建立的真三維模型。其模型中包含相關數據信息，并且在模擬施工過程中進行可視化的操作。該實體的模型在設計、實施、運用等過程中均可調整并修改[3]。

(2)協調性。由于可視化的特點，對于非本領域的人員更直觀地觀察，也方便了各部門之間進行更好的溝通、討論與決策。

(3)模擬性。BIM在不同的階段可以進行不同的模擬，在施工階段，可以進行施工組織模擬施工[4-5]，還可以進行5D模擬有效控制成本。

(4)優化性。事實上整個設計、施工、運營的過程就是一個不斷優化的過程，BIM的軟件及與其配套的各種優化工具能對項目進行優化處理。

(5)可出圖性[6]。在BIM模型建立之后，在模型內進行構件間的碰撞檢測，根據反饋結果可消除原設計圖紙中的矛盾點，并最終得到綜合設計施工圖。

3 工程概況

江城大道站位于武漢市漢陽區，是武漢軌道交通六號線其中一站，此站規劃設計為與軌道交通10號線換乘站。整體來說，施工工區建筑物較少，多為荒地與空曠廠區。江城大道站為地下2層島式車站，大里程端帶單渡線，車站外包總長 304.9 m，車站有效站臺中心里程右K3+711.000，車站起點里程右K3+623.360、終點里程右K3+928.260，采用明挖法施工。車站主體基坑標準段寬 22.1 m，端頭盾構井處寬 27.2 m，基坑深度約 17.2 m～19.1 m[7]，總開挖面積約 5 981 m2，基坑底位于Q2堅硬狀的老黏土中。基坑場地及周邊包含有2根φ300雨水管和一個尺寸為 1 400 mm×300 mm電力管溝內有1根 10 KV的高壓電纜。

4 基于BIM技術的基坑監測管理系統

4.1 系統設計

基坑監測管理信息系統是一個綜合性集成的系統，是對各期監測數據進行科學性系統性管理的系統。伴隨移動互聯網、物聯網、云計算、BIM等信息技術的快速發展[8]，基坑監測可通過融合多種信息化元素來實現流程的升級再造。該系統功能需要滿足數據日常管理、往期數據查詢、分析與預測、監測報表自動化輸出等功能。從整體需求設計整個系統流程框架如圖1所示。

圖1 系統流程架構

4.2 系統實現

(1)結構功能實現

該系統是需要將各個監測項目在外業采集完的數據和巡視資料，經過簡單的計算平差后導入到系統中，進行存儲管理。數據存儲之后，再通過監測處理，可以得到不同時間段的每日變形量和累計變形量，及在一段時間內的總變形量，再進行報表輸出。監測處理之后，變形量的變化可以通過模型來進行數據展示和圖形顯示，并進行變形預測與分析。

根據項目分析，把系統功能包括“工程管理”“設置報警值”“工程概況及巡查日志”“常規監測項目管理”“其他監測項目管理”“BIM查詢分析”“報表輸出”“實用工具”“幫助”等9個模塊。其框架與功能模塊如圖2所示。

圖2 框架與功能模塊

(2)BIM模型建立

根據江城大道站施工技術設計書，基坑挖掘深度 17.2 m～19.1 m。按照建筑設計的圖紙，采用Revit來繪制BIM模型。在Revit中，選擇項目樣板，創建項目，確定項目標高、軸網，繪制符合現場情況的基坑信息模型。基本設計流程遵循“由整體到局部”的原則，從整體出發，逐步細化。最終基坑BIM模型如圖3所示。

圖3 BIM模型

(3)BIM查詢分析

①BIM文件的格式

Revit的項目文件格式是.rvt文件，由于Revit的文件格式不能直接讀取，通過其導出的dwg文件格式，然后在3ds Max中導入dwg文件，然后再導出.3ds文件格式。3DS是三維幾何建模軟件3ds Max用來保存模型信息的一種文件結構，可與其他的文件格式進行相互轉化，因此選擇它作為與管理信息系統連接的文件格式。

②模型的讀取和顯示

了解整個3ds文件格式之后就是要讀取并解析該文件，從中挑選需要用到的信息。通過這些信息，其中有各個頂點的坐標，通過這些坐標將模型重繪出來，并加上材質顏色等，工程中需要的信息。如：頂點列表、面列表和紋理列表等就可以了。3ds文件是二進制的。3ds格式的基本單元叫塊(chunk)。讀取時讀塊信息。目錄樹如下，縮進風格體現了塊的父子關系。可見3ds模型文件和XML文件類似，都是只有1個根結點的樹狀結構。

以類型標識為0x4D4D的MAIN CHUNK為例，整個3ds文件的前兩個byte必須是0x4D4D，否則就說明這個文件不是3ds模型文件。然后從第3到第6個byte是一個Uint32型的數值，表示整個MAIN CHUNK的長度。由于MAIN CHUNK是整個3ds文件的根結點，它的長度也是整個3ds文件的長度。

下面給出讀取3ds文件部分代碼：

enum Groups

{

C_PRIMARY=0x4D4D，

C_OBJECTINFO=0x3D3D，

C_VERSION=0x0002，

C_EDITKEYFRAME=0xB000，

C_MATERIAL=0xAFFF，

C_MATNAME=0xA000，

C_MATAMBIENT=0xA010，

C_MATDIFFUSE=0xA020，

C_MATSPECULAR=0xA030，

C_MATSHININESS=0xA040，

C_MATMAP=0xA200，

C_MATMAPFILE=0xA300，

C_OBJECT=0x4000，

C_OBJECT_MESH=0x4100，

C_OBJECT_VERTICES=0x4110，

C_OBJECT_FACES=0x4120，

C_OBJECT_MATERIAL=0x4130，

C_OBJECT_UV=0x4140

}

③數據交互

當讀取數據后，將會在窗體中顯示整個模型，可以進行模型的放大、縮小及旋轉。該模型為武漢地鐵六號線江城大道站的基坑BIM模型，通過數據轉換到3ds模式之后，解析與顯示在該系統中。在拾取監測點實體的時候，會彈出窗口，允許輸入點號，可以查詢該監測點的所有觀測數據，如圖4所示。選取某段時間的監測數據，直接可以得到該監測點的累計變化量的時程曲線。

圖4 監測點位查詢

數據查詢窗口中提供以時間為軸對累計變化量、日變化量、變化速率進行查詢。用戶依次選擇監測項目、測點編號、開始時間、結束時間即可對數據進行查詢，如圖5所示。并可選擇預測方法，給定預測期數即可進行預測。

圖5 監測數據查詢分析

4.3 系統應用

通過武漢地鐵六號線江城大道站的實測數據對系統進行了測試，在使用時，界面友好，功能齊全，實用性強，可以是煩瑣復雜的監測數據集中管理，計算簡單，報表規范化，減輕了操作人員的勞動強度，效率也大大提高。而且不同監測的情況可以通過集成的管理信息系統平臺了解到實時的施工狀態，不會出現在人工上的錯漏等失誤，也促進了各專業之間的交流。

5 結 語

本文以武漢軌道交通六號線工程案例開展系統設計和BIM模型建立，整個系統可進行數據處理流程以及與模型的交互，通過模型與數據的比較，集成施工狀況與巡視報告。系統完全能夠完成整個基坑監測的信息管理。加入BIM模型顯示之后，三維幾何形體便于辨識，并且基于BIM模型的可視化、信息化等特點查詢分析操作簡單直觀，使得對工程的結構形式會有更加直觀的了解，同時能夠把握整體的變形趨勢，更能夠直觀且實時地反饋安全狀態，能夠為現場管理者與監理人員還有決策部門提供強有力的參考依據。