基于BIM+GIS基坑監測可視化平臺

林 潔，張 釗，葉子銘，杜 顏

（深圳市水務工程檢測有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

隨著城市人口暴增，我國城市化建設面臨著土地資源緊張、綠地面積減少等諸多嚴峻挑戰，并爆發了交通堵塞和環境污染等一系列問題，這使得地下空間的開發利用越來越迫切。基坑工程作為地下施工的重要環節，隨著開挖深度的加深，開挖技術難度也逐步加大。在地下工程和深基坑作業中，往往會出現許多危及工程人員生命安全的事故。本文利用BIM、GIS、物聯網等技術，開發基坑監測可視化平臺，可實時監測數據、遠程監控基坑沉降和位移情況，降低人力成本和提高監測效率，同時避免基坑施工過程中的安全隱患和事故發生。

1 BIM+GIS 應用現狀

近年來，許多學者都對BIM+GIS 融合技術開展了研究及應用。文富勇[1]將BIM+GIS 技術應用于桃花源水電站大壩安全監測，實現了大壩安全監測信息三維可視化展示，解決了傳統大壩監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。苗正紅等人[2]指出，GIS 技術在水利水電工程宏觀設計、環境移民和影響評價、地質勘查和水文水資源管理中均具有很好的應用前景，BIM+GIS 是水利水電工程設計發展的主要技術方向，將推動水利信息的現代化發展。蔣璐[3]首次提出了將BIM 技術與既有建筑檢測工作融合應用，即將BIM 模型作為既有建筑檢測報告的載體，解決了傳統檢測方法無法融合BIM 技術的應用難題，通過3D 掃描技術與 BIM 技術結合，取得傳統檢測方法無法達到的檢測精確度。柳婷等人[4]將無人機傾斜攝影輔助BIM+GIS 技術，應用在城市軌道交通-深圳地鐵8 號線規劃選線中，在全線6 站6 區間施工中的管線改遷、場地規劃布置、梳理圖紙問題、三維可視化交底、施工進度管理、安全質量協同管理等方面取得了應用成果。饒小康等人[5]將基于GIS、BIM、IoT 的數字孿生與堤防工程安全管理進行結合，研究了數字孿生數據及模型集成與可視化表達方法，建立堤防險情識別深度學習模型，設計出基于 GIS+BIM+IoT 數字孿生的堤防工程安全管理平臺，并應用在長江干堤典型堤段。郭瑞陽[6]對BIM 模型和3D GIS 的融合技術展開研究，分析了BIM 模型向3D GIS 融合過程中的一些困難以及二者數據結構的差異；并通過對Supermap GIS 平臺的二次開發，實現了3D GIS對BIM 模型的可視化展示和資產設備分層分組查詢管理。Amirebrahimi 等人[7]提出了一種集成GIS 和BIM 的三維可視化數據模型，用于評估洪水對建筑物的損害。Boguslawski等人[8]研發了支持應急響應應用的BIM 和GIS 建筑信息模型，可以廣泛運用在設計、施工和生產運營中。唐超等人[9]提出了基于GIS-BIM 的城市綜合管廊智能運維管理平臺，有效降低了地下管線的安全事故，提高了地下管線運維水平、應急能力和經營管理水平。

2 工程監測中BIM+GIS 技術應用的意義

目前，大多數在建和已建好的基坑工程，都需要專業人員對基坑進行現場監測，基坑監測中水平位移和豎向沉降是兩個重要指標，水平位移主要采用測斜管和測斜儀進行人工測量和讀數并上報，測量數據明顯滯后；豎向沉降主要采用全站儀和水平儀進行測量，也存在人工測量數據滯后的問題，均難以實現實時監控；基坑監測點布置和運行狀況，極度依賴專業人員的判斷和提供準確的信息。有部分已建成的基坑工程雖然采用了自動化監測管理系統，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交流和展示[10]。

通過BIM+GIS 融合技術，實現了水利工程監測的三維可視化展示，可以更加生動、形象地展示監測數據，有著極大的應用意義。BIM 技術可以實現水工建筑物結構立面與平面圖的現場測繪，并得出檢測材料強度，同時還能監測水工建筑物的損傷情況與沉降情況。采用GIS 技術可以對建筑物中的所有相關地理信息進行數據收集，比如周邊環境、土質情況、水工建筑物面積等；融合BIM 技術仿真模擬，在 GIS系統中可視化BIM 數據，從而生成可視化的檢測報告，極大提高了檢測工作的水平，監測結果更加簡單易懂，同時也保障了監測信息的準確性。

3 BIM+GIS 可視化平臺技術構架設計

3.1 數據采集

數據采集來源分為檢測數據、監測數據，通過ICT（信息通信技術）、IoT（物聯網技術）使數據進入數據服務器，經過加工進入到數據庫，通過建模從數據庫中調取相關工程部位數據，實現數據的可視化應用，如圖1所示。

圖1 數據庫建模

3.2 數據傳送

數據傳輸和接收技術的發展實現了跨地域信息交換，監測項目的工程數據隨著項目規模增大，數據也成倍增加，開發從檢測和監測儀器上傳輸數據到檢測系統的數據傳輸系統就很有必要，極大地加強了對相應項目現場數據的管理。數據傳輸系統如圖2所示。

圖2 數據傳輸系統

3.3 平臺層架構體系

整個平臺層架構體系分為6 層，如圖3所示。最底層為BIM+GIS 層，涉及對工程前期的勘察設計數據。第2 層為接口層，涉及數據接口與交換。第3 層為數據層，是檢測數據、監測數據以及相應臺賬的匯總。第4 層為平臺層，將數據進行集成，形成數據看板和可視化平臺（對單點工程部位進行可視化）。第5 層為模型層，可優化檢測方案，對檢測信息進行智能分析，并對整個工程進行3D 漫游。第6 層為應用層，為第5 層的具體應用。

圖3 平臺層構架體系

4 工程應用實例

4.1 項目概況

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

圖4 工程區域范圍概況

4.2 搭建基坑監測可視化平臺

依托深圳市福永水質凈化廠二期工程基坑監測項目，搭建福永水質凈化廠二期工程BIM+GIS 基坑監測可視化平臺，硬件采用智能無線數據采集終端（型號 LRK-DZ622A）和提升式自動化水位計（RYY-SW02），軟件采用Revit（BIM）、Unity3d（GIS）軟件。該平臺實現了高精度的GIS 地形與實際設施模型的集成加載，如圖5所示，并可通過綁定事件進行各種交互操作。

圖5 模塊集成

在Revit 軟件里建立BIM 模型，通過BIM 輕量化并導入到可視化平臺中，根據基坑所在的GIS 地理位置，給基坑建筑信息模型添加經緯度坐標；然后使用Web 墨卡托地圖投影算法，將經緯度坐標轉換成以米為單位的坐標，得到基坑在數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。在場景中根據實景拍攝的照片，添加一些木材、土方車等設備，豐富可視化效果，再輔以照相級別的貼圖及質感，使3D 感更真切。錨索、沉降等傳感器設備接入云端數據，實時告知用戶設備的運行情況。如圖6所示。

圖6 數據和信息流

通過基坑監測可視化平臺實現了以下功能：

（1）基于水質凈化廠基坑現場，構建3D 模型，多方位展示基坑全景信息及內部結構信息；

（2）對不同設備信息進行展示，包括設備鋪設點位、設備編號信息、監測信息狀態；

（3）列表統計設備資產數量；

（4）設定報警值，對設備監測值超出累計報警值范圍的點位進行預警，展示預警信息并統計累計預警數量；

（5）關聯BIM+智慧工地數據決策系統，輔助決策。

此次項目共埋設108 個監測點，其中包括11 個錨桿計、10 個水位孔、33 個建筑沉降、42 個水平沉降、12 個路面沉降。在基坑施工期間，可視化平臺獲取到2 個水位預警提醒。

基坑監測項目可視化平臺效果展示如圖7～圖9所示。

圖7 基坑實景建模

圖8 可視化監測系統主頁面

圖9 基坑監測可視化系統展示界面

5 結 語

通過BIM+GIS 技術融合，實現三維可視化模型和智能監控系統的結合應用、對各施工自檢報告的實時抓取、施工進度的掌握，進而對地基工程監測進行高效的管理，完善對比檢測達到驗收閉環，為業主提供詳盡的監測工程信息，提高項目信息化水平，使工程后期運營維護效率大大提高，極大地保證工程質量，并避免了人力物力的浪費。在后期應用中，由于監控平臺過多，還需要開發一個集成的平臺進行監控，提升數據中心的管控能力。