基于Web Service與BIM集成技術(shù)的基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)

李 璐 劉新根 劉樹亞 吳蔚博

（1.深圳市地鐵集團有限公司，518026，深圳；2.上海同巖土木工程科技股份有限公司，200092，上海//第一作者，工程師）

基于Web Service與BIM集成技術(shù)的基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)

李 璐1劉新根2劉樹亞1吳蔚博1

（1.深圳市地鐵集團有限公司，518026，深圳；2.上海同巖土木工程科技股份有限公司，200092，上海//第一作者，工程師）

為了實現(xiàn)安全監(jiān)測的三維可視化、信息自動化和多方協(xié)同參與，在施工現(xiàn)場安全監(jiān)測中可應(yīng)用集成了Web Service與BIM技術(shù)的基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)。Web Service與BIM技術(shù)集成的關(guān)鍵技術(shù)是信息交互與監(jiān)測數(shù)據(jù)管理。介紹了監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及部分指令。該安全監(jiān)測系統(tǒng)已應(yīng)用于深圳市某地鐵基坑施工監(jiān)測中，實現(xiàn)了監(jiān)測信息的動態(tài)管理和監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動分析處理，具有良好的功能擴展性和平臺移植性。

基坑工程；安全監(jiān)測；Web Service；建筑信息模型

地鐵基坑具有開挖面積大、超深、支護體系復(fù)雜的特點［1］。地鐵基坑往往位于城市的人口密集區(qū)或交通樞紐地帶，其周邊建筑及地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一旦出現(xiàn)安全事故，就會造成很壞的經(jīng)濟和社會影響。根據(jù)工程安全科學(xué)理論，事故發(fā)生是有一定的發(fā)展過程的，事故預(yù)兆可以在監(jiān)測數(shù)據(jù)中反映出來［2］。因此對基坑安全監(jiān)測的實時性、可視化、自動化和預(yù)測性就愈發(fā)重要［3］。

目前基坑監(jiān)測的主要方法有現(xiàn)場巡檢、人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測等三類［4］。文獻［5-8］也基于信息化技術(shù)手段對基坑監(jiān)測方法進行了改進和優(yōu)化。

此外，在政府的引導(dǎo)和各行業(yè)的大力推動下，市政基礎(chǔ)工程越來越多地應(yīng)用BIM（建筑信息模型）技術(shù)進行全生命周期管理［9］，提升了工程質(zhì)量，降低了成本［10］。利用BIM技術(shù)可實現(xiàn)信息三維化集中管理，便于監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享與協(xié)同。而通過Web Service技術(shù)可以實現(xiàn)基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程收集和發(fā)布管理。

在前人的研究基礎(chǔ)上，本文著重研究了Web Service與BIM集成的關(guān)鍵技術(shù)，并將其應(yīng)用到基坑安全監(jiān)測工程中，以實現(xiàn)基坑監(jiān)測的自動化、信息化和可視化。

1 基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

1.1 Web Service與BIM技術(shù)的集成

Web Service是一種新型的Web應(yīng)用程序，具有自包含（Self-contained）、自描述（Self-describing）及模塊化的特點，可通過Web來發(fā)布、查找和調(diào)用［11］。對于外部使用者而言，Web Service是一種部署在Web上的對象，建立在以XML（可擴展標記語言）為主的、開放的Web規(guī)范技術(shù)基礎(chǔ)上，具有對象技術(shù)所承諾的所有優(yōu)點。具體而言Web Service程序具有如下特征：①良好的封裝性——使用者僅能看到該對象提供的功能列表；②松散耦合——只要約定的接口函數(shù)不變，其函數(shù)實現(xiàn)的主體對使用者而言都是透明的，調(diào)用者也無需關(guān)心；③使用標準協(xié)議規(guī)范——所有公共的協(xié)約完全使用開放的標準協(xié)議進行描述、傳輸和交換；④高度可集成能力——Web Service可跨平臺，兼容CORBA、DCOM和EJB等標準。利用Web Service技術(shù)構(gòu)建的基坑現(xiàn)場安全監(jiān)測管理系統(tǒng)，可通過網(wǎng)頁界面對進行實時、高效的監(jiān)測。

BIM是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的建筑模型，可通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物的真實信息。BIM技術(shù)是一種數(shù)據(jù)化工具，通過建筑模型整合項目的各類相關(guān)信息，在項目策劃、設(shè)計、建筑、運行和維護的全生命期中進行信息的共享和傳遞，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。在基坑安全監(jiān)測管理系統(tǒng)中，BIM模型集成了多源數(shù)據(jù)（包括基坑幾何參數(shù)、支護結(jié)構(gòu)、施工工藝及施工組織等數(shù)據(jù)）。

Web Service可通過其應(yīng)用程序接口與BIM進行信息交互，從而實現(xiàn)Web Service與BIM技術(shù)的集成（如圖1所示）。在監(jiān)測初始階段，將監(jiān)測點對象添加到BIM中，使監(jiān)測數(shù)據(jù)成為BIM模型的附加數(shù)據(jù)。在監(jiān)測過程中，對監(jiān)測點的監(jiān)測信息不斷地更新，并通過Web Service與BIM交互，便可實時呈現(xiàn)并自動存儲三維可視化監(jiān)測信息。

圖1 Web與BIM集成框架

在基坑監(jiān)測現(xiàn)場，監(jiān)測員利用移動端設(shè)備或自動監(jiān)測設(shè)備將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過Web Service程序發(fā)送至監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中；接受數(shù)據(jù)后，監(jiān)測系統(tǒng)立即自動對監(jiān)測數(shù)據(jù)（包括測點累計歷史數(shù)據(jù)）進行分析，判斷是否有異常；如數(shù)據(jù)有異常，則監(jiān)測系統(tǒng)啟動預(yù)警機制，而BIM亦進行響應(yīng)、顯示異常位置?，F(xiàn)場監(jiān)測中心和各方管理人員無需到達現(xiàn)場，便可通過Web端基于BIM進行全程監(jiān)測、在線溝通、協(xié)同處理，實現(xiàn)高效全面的安全監(jiān)測。采用Web與BIM集成技術(shù)的基坑安全監(jiān)測信息傳遞如圖2所示。

圖2 采用Web Service與BIM集成技術(shù)的基坑安全監(jiān)測信息傳遞示意圖

1.2 集成技術(shù)在基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

Web Service與BIM集成技術(shù)在基坑監(jiān)測系統(tǒng)中集成應(yīng)用的關(guān)鍵在于信息交互和數(shù)據(jù)管理（包括監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、分析和預(yù)警等）。

1.2.1 Web Service與BIM的信息交互

Web Service技術(shù)為客戶端調(diào)用服務(wù)端應(yīng)用提供了橋梁，BIM一般由商業(yè)軟件構(gòu)建，如何通過Web Service對BIM進行交互式操作是實現(xiàn)Web Service與BIM技術(shù)集成的關(guān)鍵。

目前，多數(shù)BIM軟件均可兼容工業(yè)基礎(chǔ)類（Industry Foundation Classes，IFC）標準數(shù)據(jù)。IFC 是用于交換和共享復(fù)雜BIM的綜合性國際標準［12］。IFC標準對建筑信息的表達運用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想。目前被業(yè)界認可的IFC2×3版本包含了600多個實體及300多個抽象實體，基本可劃分為資源層、核心層、共享層和領(lǐng)域?qū)拥?層。IFC架構(gòu)使用標準規(guī)范ISO 10303—2011定義的EXPRESS語言定義，采用ISO 10303定義的STEP物理文件傳輸數(shù)據(jù)。由于各常規(guī)構(gòu)件（如板、梁、柱）數(shù)據(jù)格式已確定，故可通過編程方式自動解讀IFC文件，并提取或修改構(gòu)件數(shù)據(jù)（如幾何尺寸、組織關(guān)系等）。

用戶通過Web Service接口遠程提交操作請求，交互構(gòu)件的對象ID、參數(shù)、屬性及組織關(guān)系等信息。服務(wù)端驗證客戶合法性并檢查用戶權(quán)限后，通過IFC接口操作IFC數(shù)據(jù)，并將結(jié)果反饋給客戶端，從而實現(xiàn)Web Service和BIM的信息交互。Web Service與IFC標準數(shù)據(jù)交互的流程見圖3。

圖3 Web Service程序與IFC標準數(shù)據(jù)交互流程

1.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)管理

基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)主要提供測點配置管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警管理和系統(tǒng)管理等功能。

測點配置管理：管理員或者配置的具有權(quán)限的用戶可對監(jiān)測點信息進行設(shè)置，包括增減監(jiān)測點，修改監(jiān)測點的位置、名稱、監(jiān)測項目、單位精度、監(jiān)測頻率等。

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集：監(jiān)測人員可通過移動端或PC端手動添加監(jiān)測數(shù)據(jù)，亦可從文檔中批量導(dǎo)入監(jiān)測數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析：專業(yè)分析測點數(shù)據(jù)（包括歷史數(shù)據(jù)），自動生成測點時程曲線圖及變形速率圖等。

預(yù)警管理：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的預(yù)警條件，判斷監(jiān)測點是否進入預(yù)警狀態(tài)；一旦到達或超過預(yù)警值則立即啟動預(yù)警響應(yīng)機制；由監(jiān)測負責(zé)人審核預(yù)警數(shù)據(jù)，確認并發(fā)布預(yù)警信息。

系統(tǒng)管理：主要包括用戶管理、角色管理、權(quán)限管理（角色權(quán)限分配見表1）、密碼管理、日志管理、歷史數(shù)據(jù)記錄及設(shè)備故障預(yù)警預(yù)報等。安全監(jiān)測管理系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程見圖4。

1.3 基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)中的結(jié)構(gòu)及部分指令

基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)以Unity作為圖形引擎，利用Web Service技術(shù)搭建系統(tǒng)應(yīng)用程序接口，將IFC標準的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建在SQL Server 2008上，通過Revit IFC開源接口與IFC文件數(shù)據(jù)進行交互。該基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)直接導(dǎo)入BIM模型作為三維基礎(chǔ)模型，通過客戶端遠程錄入或自動輸入監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動進行分析和預(yù)警管理。

表1 基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)的角色權(quán)限分配

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程

依據(jù)業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，將系統(tǒng)劃分成數(shù)據(jù)邏輯層、數(shù)據(jù)管理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層（見表2）。數(shù)據(jù)邏輯層是整個系統(tǒng)的核心，定義了系統(tǒng)的各數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并存儲。數(shù)據(jù)管理層和應(yīng)用層是對統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下的同一數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)操作和應(yīng)用。各層結(jié)構(gòu)的軟件架構(gòu)是相互獨立的，沒有直接的程序接口，而實現(xiàn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)操作的分離，便于系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全和功能擴展。

表2 系統(tǒng)邏輯層次

Web Services運行在IIS服務(wù)器上，其接口定義由 WSDL（Web Service Descripition Language）語言描述。Web Services的部分主要參數(shù)指令見表3。

表3 Web Services部分參數(shù)指令及功能

2 工程應(yīng)用案例

基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)已應(yīng)用于深圳市某地鐵樞紐基坑監(jiān)測項目。該基坑深25.5 m，寬58.92 m，長97.03 m，采用明挖法施工。監(jiān)測項目分為基坑支護體系監(jiān)測和基坑周邊環(huán)境監(jiān)測。監(jiān)測點約有47個（會隨工程進度而變化）。

基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖5所示。用戶通過三維基坑模型可方便地選擇監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)管理（見圖6）、及時發(fā)布預(yù)警信息等操作，實現(xiàn)了“所見即所得”。

圖5 基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)界面

用戶亦可通過移動端（如手機）從現(xiàn)場直接錄入或查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)（見圖7），基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)可將用戶錄入的數(shù)據(jù)立即或稍后上傳至系統(tǒng)服務(wù)器，并將數(shù)據(jù)保存至服務(wù)端的數(shù)據(jù)庫；服務(wù)端接受數(shù)據(jù)后可立即對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，并將分析結(jié)果反饋給相關(guān)人員。

基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)投入運行后，能收集眾多監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)施工工況、地質(zhì)條件和環(huán)境條件等數(shù)據(jù)，綜合分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化原因和變化規(guī)律，預(yù)測其發(fā)展趨勢及影響范圍，為各方面協(xié)同工作提供依據(jù)。

圖6 監(jiān)測數(shù)據(jù)管理界面

圖7 監(jiān)測數(shù)據(jù)移動端界面

3 結(jié)語

Web Service與BIM的集成技術(shù)應(yīng)用于基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)，是對基坑施工現(xiàn)場安全監(jiān)測信息化、可視化、自動化管理的探索。經(jīng)過工程實踐驗證，得到以下幾點體會：

（1）使用Web Service技術(shù)為客戶端調(diào)用服務(wù)端，可實現(xiàn)松散耦合，可跨平臺操作，移植性好。

（2）基于IFC標準，可直接導(dǎo)入BIM數(shù)據(jù)，從而建立基坑模型。這不僅便于實現(xiàn)基坑監(jiān)測三維可視化，還可提高BIM的利用率及信息共享率。

（3）基于Web Service與BIM集成技術(shù)的基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)基坑安全監(jiān)測管理的自動化、可視化、無紙化及信息化，能提升施工安全管理的整體水平。

（4）基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，其架構(gòu)系統(tǒng)可移植到其它施工安全監(jiān)測領(lǐng)域，具備廣泛應(yīng)用性。

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Safety Monitoring System for Metro Foundation Pit Based on Web Service and BIM

LI Lu，LIU Xingen，LIU Shuya，WU Weibo

To achieve the goal of efficient safety monitoring in 3D visualization，information automation and coordinative participation of multiple parties，an integrated technology of Web Service and BIM technology in safety monitoring is applied to the construction site，the keys of Web Service and BIM technology integration are information exchanges and monitoring data management.In this paper，the design method and main functions of the system are described，the safety monitoring system has been applied to a foundation pit engineering for Shenzhen metro，realizing data dynamic management，automatic analysis and processing with good functional extendibility and platform portability.

foundation pit engineering；safety monitoring；Web Service；building information modeling（BIM）

First-author′s address Shenzhen Metro Group Co.，Ltd.，518026，Shenzhen，China

TU433

10.16037/j.1007-869x.2017.12.016

2016-04-26）