林 洁，张 钊，叶子铭，杜 颜
（深圳市水务工程检测有限公司，广东 深圳 518000）
随着城市人口暴增，我国城市化建设面临着土地资源紧张、绿地面积减少等诸多严峻挑战，并爆发了交通堵塞和环境污染等一系列问题，这使得地下空间的开发利用越来越迫切。基坑工程作为地下施工的重要环节，随着开挖深度的加深，开挖技术难度也逐步加大。在地下工程和深基坑作业中，往往会出现许多危及工程人员生命安全的事故。本文利用BIM、GIS、物联网等技术，开发基坑监测可视化平台，可实时监测数据、远程监控基坑沉降和位移情况，降低人力成本和提高监测效率，同时避免基坑施工过程中的安全隐患和事故发生。
近年来，许多学者都对BIM+GIS 融合技术开展了研究及应用。文富勇[1]将BIM+GIS 技术应用于桃花源水电站大坝安全监测，实现了大坝安全监测信息三维可视化展示，解决了传统大坝监测信息展示不够直观、形象的问题，让展示效果更为形象生动。苗正红等人[2]指出，GIS 技术在水利水电工程宏观设计、环境移民和影响评价、地质勘查和水文水资源管理中均具有很好的应用前景，BIM+GIS 是水利水电工程设计发展的主要技术方向，将推动水利信息的现代化发展。蒋璐[3]首次提出了将BIM 技术与既有建筑检测工作融合应用，即将BIM 模型作为既有建筑检测报告的载体，解决了传统检测方法无法融合BIM 技术的应用难题，通过3D 扫描技术与 BIM 技术结合，取得传统检测方法无法达到的检测精确度。柳婷等人[4]将无人机倾斜摄影辅助BIM+GIS 技术，应用在城市轨道交通-深圳地铁8 号线规划选线中，在全线6 站6 区间施工中的管线改迁、场地规划布置、梳理图纸问题、三维可视化交底、施工进度管理、安全质量协同管理等方面取得了应用成果。饶小康等人[5]将基于GIS、BIM、IoT 的数字孪生与堤防工程安全管理进行结合，研究了数字孪生数据及模型集成与可视化表达方法，建立堤防险情识别深度学习模型，设计出基于 GIS+BIM+IoT 数字孪生的堤防工程安全管理平台，并应用在长江干堤典型堤段。郭瑞阳[6]对BIM 模型和3D GIS 的融合技术展开研究，分析了BIM 模型向3D GIS 融合过程中的一些困难以及二者数据结构的差异；
并通过对Supermap GIS 平台的二次开发，实现了3D GIS对BIM 模型的可视化展示和资产设备分层分组查询管理。Amirebrahimi 等人[7]提出了一种集成GIS 和BIM 的三维可视化数据模型，用于评估洪水对建筑物的损害。Boguslawski等人[8]研发了支持应急响应应用的BIM 和GIS 建筑信息模型，可以广泛运用在设计、施工和生产运营中。唐超等人[9]提出了基于GIS-BIM 的城市综合管廊智能运维管理平台，有效降低了地下管线的安全事故，提高了地下管线运维水平、应急能力和经营管理水平。
目前，大多数在建和已建好的基坑工程，都需要专业人员对基坑进行现场监测，基坑监测中水平位移和竖向沉降是两个重要指标，水平位移主要采用测斜管和测斜仪进行人工测量和读数并上报，测量数据明显滞后；
竖向沉降主要采用全站仪和水平仪进行测量，也存在人工测量数据滞后的问题，均难以实现实时监控；
基坑监测点布置和运行状况，极度依赖专业人员的判断和提供准确的信息。有部分已建成的基坑工程虽然采用了自动化监测管理系统，但展示形式大多是二维图片或文字、表格，这样抽象的方式不利于行业交流和展示[10]。
通过BIM+GIS 融合技术，实现了水利工程监测的三维可视化展示，可以更加生动、形象地展示监测数据，有着极大的应用意义。BIM 技术可以实现水工建筑物结构立面与平面图的现场测绘，并得出检测材料强度，同时还能监测水工建筑物的损伤情况与沉降情况。采用GIS 技术可以对建筑物中的所有相关地理信息进行数据收集，比如周边环境、土质情况、水工建筑物面积等；
融合BIM 技术仿真模拟，在 GIS系统中可视化BIM 数据，从而生成可视化的检测报告，极大提高了检测工作的水平，监测结果更加简单易懂，同时也保障了监测信息的准确性。
3.1 数据采集
数据采集来源分为检测数据、监测数据，通过ICT（信息通信技术）、IoT（物联网技术）使数据进入数据服务器，经过加工进入到数据库，通过建模从数据库中调取相关工程部位数据，实现数据的可视化应用，如图1所示。
图1 数据库建模
3.2 数据传送
数据传输和接收技术的发展实现了跨地域信息交换，监测项目的工程数据随着项目规模增大，数据也成倍增加，开发从检测和监测仪器上传输数据到检测系统的数据传输系统就很有必要，极大地加强了对相应项目现场数据的管理。数据传输系统如图2所示。
图2 数据传输系统
3.3 平台层架构体系
整个平台层架构体系分为6 层，如图3所示。最底层为BIM+GIS 层，涉及对工程前期的勘察设计数据。第2 层为接口层，涉及数据接口与交换。第3 层为数据层，是检测数据、监测数据以及相应台账的汇总。第4 层为平台层，将数据进行集成，形成数据看板和可视化平台（对单点工程部位进行可视化）。第5 层为模型层，可优化检测方案，对检测信息进行智能分析，并对整个工程进行3D 漫游。第6 层为应用层，为第5 层的具体应用。
图3 平台层构架体系
4.1 项目概况
福永水质净化厂二期工程位于宝安区福海街道福永水质净化厂一期南侧、福永排北路北侧、松福大道西侧，工程区域范围概况如图4所示。本工程基坑设计规模为 248 m×109 m（长度×宽度），基坑深度为5.50～10.90 m。依据本工程基坑支护设计总说明，基坑支护主要包括生化池、二沉池、高密度沉淀池、紫外消毒池及尾水提升泵房等，本工程基坑支护安全等级为二级，基坑变形按三级控制。
图4 工程区域范围概况
4.2 搭建基坑监测可视化平台
依托深圳市福永水质净化厂二期工程基坑监测项目，搭建福永水质净化厂二期工程BIM+GIS 基坑监测可视化平台，硬件采用智能无线数据采集终端（型号 LRK-DZ622A）和提升式自动化水位计（RYY-SW02），软件采用Revit（BIM）、Unity3d（GIS）软件。该平台实现了高精度的GIS 地形与实际设施模型的集成加载，如图5所示，并可通过绑定事件进行各种交互操作。
图5 模块集成
在Revit 软件里建立BIM 模型，通过BIM 轻量化并导入到可视化平台中，根据基坑所在的GIS 地理位置，给基坑建筑信息模型添加经纬度坐标；
然后使用Web 墨卡托地图投影算法，将经纬度坐标转换成以米为单位的坐标，得到基坑在数字地球中的所在位置，通过三维可视化引擎将场景渲染出来。在场景中根据实景拍摄的照片，添加一些木材、土方车等设备，丰富可视化效果，再辅以照相级别的贴图及质感，使3D 感更真切。锚索、沉降等传感器设备接入云端数据，实时告知用户设备的运行情况。如图6所示。
图6 数据和信息流
通过基坑监测可视化平台实现了以下功能：
（1）基于水质净化厂基坑现场，构建3D 模型，多方位展示基坑全景信息及内部结构信息；
（2）对不同设备信息进行展示，包括设备铺设点位、设备编号信息、监测信息状态；
（3）列表统计设备资产数量；
（4）设定报警值，对设备监测值超出累计报警值范围的点位进行预警，展示预警信息并统计累计预警数量；
（5）关联BIM+智慧工地数据决策系统，辅助决策。
此次项目共埋设108 个监测点，其中包括11 个锚杆计、10 个水位孔、33 个建筑沉降、42 个水平沉降、12 个路面沉降。在基坑施工期间，可视化平台获取到2 个水位预警提醒。
基坑监测项目可视化平台效果展示如图7～图9所示。
图7 基坑实景建模
图8 可视化监测系统主页面
图9 基坑监测可视化系统展示界面
通过BIM+GIS 技术融合，实现三维可视化模型和智能监控系统的结合应用、对各施工自检报告的实时抓取、施工进度的掌握，进而对地基工程监测进行高效的管理，完善对比检测达到验收闭环，为业主提供详尽的监测工程信息，提高项目信息化水平，使工程后期运营维护效率大大提高，极大地保证工程质量，并避免了人力物力的浪费。在后期应用中，由于监控平台过多，还需要开发一个集成的平台进行监控，提升数据中心的管控能力。
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