基于BIM技术的地铁站深基坑开挖三维可视化应用

王 亮， 萧 雨， 杜玉鹏， 王档良， 高 岳

(1. 中铁十九局集团有限公司，北京 100176； 2. 中国矿业大学， 江苏 徐州 221116)

1 引言

目前，基坑监测信息化管理需求日益增多。将BIM技术引入基坑工程监测工作，可以解决以往在基坑围护结构变形监测过程中不能直观表现其变形情况和变形趋势的缺点。已有文献将基坑的几何尺寸、围护结构、周边环境等数据建立BIM模型，利用服务器进行多账号登陆以方便业主管理人员、设计人员、施工人员等查看基坑围护结构的变形情况。随着BIM管理信息化的逐步扩展，参建人员不用再翻阅纸质资料，依靠智能手机就可以在现场查看到所有监测点数据并实时了解整个基坑情况。信息技术为常规监测数据提升了效率。

本文尝试将各类监测点与BIM模型相结合，利用物联网技术将每天的监测数据导入模型，将结果用4D技术(三维模型+时间轴)+变形色谱云图的表现方式呈现出来。

2 工程概况

九里山站位于中山北路与荆马河南路交叉路口西北角，荆马河以北江苏恩华药业股份有限公司拆迁地块内，车站临中山北路南北向敷设。九里山站为11 m站台地下二层岛式车站，车站长度206 m，标准段宽度19.7 m，站台中心里程处底板埋深约16.27 m，属于深基坑。根据区域水文地质资料、现场调查及引用资料分析，场地水文地质条件一般。地下水类型分为填土中的潜水、第四系土层中的孔隙水及基岩裂隙水，第四系地下水混合水位埋深约1.10～3.60 m，水位标高30.88～32.93 m，根据地区经验，潜水水位变化幅度约为1.5 m。场地范围内主要揭露第四系、寒武系地层，研究区从上到下的地层见表1。

表1 研究区综合地层特征

本基坑采用围护桩+钢支撑支护形式，围护桩采用Φ1000@800套管咬合桩。车站标准段竖向设置三道支撑、北端头井设置四道支撑、南端头井设置四道支撑+一道换撑，首道支撑采用砼支撑，支撑间距约8.75 m，其余各道支撑采用直径为Φ800 mm、壁厚16 mm钢支撑，水平间距约3.5 m，钢支撑竖向间距5.5～6.1 m。

3 深基坑施工的BIM技术实现途径

3.1 九里山站基坑模型的建立

据文献显示，BIM概念在2002年提出，此后开发出多种三维建模软件。其中，Revit系列软件具有良好的通用性成为行业共识BIM软件。该软件中包含建筑、结构、电气三个专业系列，可以直观地表现设计师意图并三维显示。本文使用Revit软件完成九里山站基坑支护，如图1所示。基坑周边环境模型效果图如图2所示。

图1 基坑支护三维视图

图2 基坑及周边环境的三维视图

3.2 地层模型的建立

本文中地层模型是采用3DMAX软件建立的。该软件具有良好的通用性，目前在电影电视后期特效制作、游戏引擎、建筑设计、室内设计、工业设计等领域得到了广泛应用。3DMAX同时可以与同公司其他产品进行无缝链接、数据整合。该深基坑地层模型效果图如图3所示。

图3 地层的三维视图

3.3 地层模型与基坑模型的融合

BIM技术的主要特点是可以把不同的模型数据进行整合，通过计算机可视化使得数据显示更加贴近实际。BIM模型的主要优势是进行碰撞模拟，及时发现图纸中存在的不足。通过建模软件的布尔运算，得到基坑与地层模型融合模型，如图4所示。

图4 基坑模型与地层模型的融合效果图

4 基于BIM技术的基坑工程信息化施工管理

4.1 BIM全生命周期管理

工程项目的全生命周期是指规划、设计、施工、运营维护、拆除，其管理需要数据归一。实际上，工程项目涉及建设、施工等众多单位，具有施工周期长、风险高的特点。因而，采用BIM技术进行全生命周期管理具有优势，建筑信息全生命周期管理概念如图5所示。

图5 建筑信息全生命周期管理概念图

4.2 基坑工程信息化施工管理

以九里山站基坑工程为依托工程，根据地质资料、周边环境以及设计方案，完成了BIM模型的创建。建立BIM模型是可视化管理的第一步，然后基于物联网技术，采用BIM管理平台对基坑施工进行信息化管理，平台的功能见图6。

图6 基坑工程施工信息化管理模式图

4.2.1 基于“全球眼”的安全监控

“全球眼”网络视频监控业务的主要目的是进行安全监测。目前，该技术已在建设工程行业逐渐推广，能够确保对工地现场进行监控，统一管理。

将全球眼应用到BIM平台是一项崭新的应用，将“全球眼”远程监控系统与BIM系统进行对接。该方案的优势是监控视频不需要单独查看，管理者在使用平台进行管理时可以随时调用视频。传统工程项目中，面对场地大、人员进出情况复杂、工程周期较长等情况，项目管理人员不可能实时入场进行检查，因而不能有效掌握工程现场的情况。然而，通过“全球眼”网络视频监控，管理人员可以实时观察现场安全情况。

九里山站基坑工程施工过程中，主要对出入口、东区、西区和中区进行监控，将“全球眼”网络视频监控与BIM管理系统进行融合，图7为2018年5月21日下午两点51分对西区的监控视频直播画面。

图7 “全球眼”监控视频画面

4.2.2 基于BIM进度管理

BIM系统的另一个优势是进行项目的进度管理。从人机料等角度综合分析，摆脱了传统进度管理的束缚。本项目的进度管理系统如图8所示，图中左侧是任务名称以及开始和结束时间，每个任务都链接了BIM模型，可以实时显示施工进度，查看完成情况。在状态一栏，也可以对施工进度做出及时的评价，以便及时做出调整。右侧是导入project的横道图，可以更直观地表达进度编制情况，对整条线路关键控制点计划制定、执行、变更等情况做到全过程把控。通过云平台，项目所有管理人员依照权限可以查看三维模型、结合进度说明及横道图，可以实时了解现场已经完成的工作和后续工作，因此提高了整个建筑生命周期的效率。

图8 九里山站进度管理图

4.2.3 基于BIM成本管理

BIM系统的另一个优势是成本管理。本深基坑BIM建模过程中将常用构件的材料、型号、尺寸、进场价格录入数据库。程序可通过查询数据库信息获得这些常用构件的属性，并自动统计工程量和价格。

实际上，施工过程中会出现多种意外情况，如设计错误导致的使用量变化、或者市场价格剧烈波动导致的项目成本发生改变。上述情况时有发生，导致项目成本不能及时和准确更新，常常造成成本失控。

BIM系统可以快速地计算出变更的工程量和变更之后的价格。如桩基施工中进行的变更，包括材质、尺寸、数量发生变化时，权限所有者只需要修改BIM模型，桩基的明细表进行相应的重新计算，得到更新数据，从而达到成本实时可控。

4.2.4 基于BIM安全管理

监理指令的落实完成是保证项目质量的重中之重。传统的项目施工过程是依靠施工作业人员的经验或习惯，通常施工技术交底采用二维平面布置图。通过BIM技术，可以进行虚拟施工，对施工方案进行优化和调整。还可以通过可视化演示，对将会发生的事故的危险指数、人员疏散的安全、应急通道的开放、消防设施的齐全、应急处理方式进行判断，从而使施工布置更为合理。图9为本BIM系统设计的安全管理模块。

图9 九里山站安全管理图

图9中显示安全事件名称、发起人、经办人、事件状态，监理提出安全问题后，只有现场负责人解决问题并且上传照片证实后，此条安全事件才能消除，避免了很多安全问题的遗忘。

4.2.5 基于BIM监测管理

监测管理包括7个内容：监测预警、预警时间、监测项目、预警设置、巡检信息、风险管理、监测报表等。采用基于物联网技术的监测系统进行测量数据采集。本项目信息化监测管理如图10所示。

图10 九里山站监测管理图

图中BIM模型中显示不同颜色的测点代表不一样的监测项目，监测人员在模型中导入每天的监测数据，如果点击其中一个测点，在右侧会显示具体的监测数据，以及累计变化量的曲线。除了可以对测点的监测情况进行直观查看，有问题的测点都会以图中感叹号的标志进行标注，方便定位危险位置。另外，在拥有前期数据的基础上，可以利用拟合公式对基坑变形的历史进行模拟，以此来预测未来一段时间内的基坑变形趋势。同时，还可以根据实测数据确定是否立即启动应急预案。实际工程中，还可以依靠其他监测项目的数据辅助专业人员找出影响基坑变形的主要原因，例如地下水位的变化，周边建筑物及道路的沉降，管线的变形情况等，以避免基坑工程事故的发生。

5 BIM技术在九里山站基坑监测中的应用

5.1 BIM技术在基坑监测应用中的思路

根据上述技术方法，在本地铁站深基坑工程中利用BIM技术的参数化建模优势，可以建立三维可视化模型。同时，以规范要求的工程监控位置与频率，建立基坑BIM模型和监测点专用族库。通过在监测点族上添加参数信息将工程变形的物联网监控数据与BIM模型进行融合。

已有文献报道可以利用4D技术即在3DBIM模型中添加时间轴来实现基坑模型的实时监控，并根据监测点的色彩变化模拟实现基坑监测的预警功能，对基坑工程的智能监控以及信息化施工起到推动作用。

5.2 基于BIM管理平台的监测管理

九里山站基坑监测BIM模型建立完成后，再导入BIM信息管理平台中进行监测管理融合。首先在Revit软件中对BIM模型进行减模处理，需要将rvt格式的模型转换成BIM平台可以识别的tzpm格式的模型。其次，将不同的测点项目赋值不同的颜色，方便管理人员识别。

监测模型导入后，需要根据预警算法优先设置预警值。BIM系统与物联网监测融合如图11所示，存在变形过大的测点会以图中感叹号的标志进行标注，而颜色就代表不同的预警程度，从而可以快速找到基坑支护结构中的危险位置，对变形危险位置重点观测。预警值设置如图12所示。

图11 BIM平台中显示的监测模型图

图12 预警值设置图

在平时的监测工作中，可以将监测数据及时输入平台中，方便在平台模型中查看。可以查看任意测点对应时间段的本次变化量、累积变化量、变化速率、累积变化曲线以及与预警值之间的距离。以桩顶部竖向位移测点编号Z0001-01为例，见图13和图14。

图13 监测点变化量以及变换速率图

图14 监测点数据变化曲线图

5.3 基于BIM平台的危险监测点分析

对于监测数据量测的主要目的还包括变化趋势分析及预警。由于系统中对于存在变形过大等问题的测点会以感叹号的标志进行标注，而颜色就代表不同的预警程度，从而可以快速找到基坑支护结构中的危险位置，对变形危险位置重点观测。在九里山站基坑工程监测工作中，以桩顶水平位移监测点T0001-01为例。桩顶水平位移监测点T0001-01的数据变化曲线如图15所示，监测点显示黄色，表示达到黄色预警值20 mm，对此监测点进行重点监测，并利用数值计算模型进行预测，数值模型计算结果如图16所示。

图15 桩顶水平位移监测点T0001-01的数据变化曲线图

图16 监测点数据变化曲线图

图16表示桩顶水平位移监测点T0001-01的模拟预测图。可以认为随着基坑不断开挖，桩顶水平位移逐渐增加到18 mm，然后减少到12 mm，经过稳定状态后，又增加到16 mm进而呈稳定趋势。在本BIM平台显示该监测点的数据是在黄色预警值20 mm左右浮动。从数值模型计算的模拟曲线来看，该监测点不会达到红色预警值。

6 结论

以徐州地铁2号线03标九里山站基坑和奔腾大道站基坑工程项目为背景，基于Revit软件的二次开发平台，3DMAX技术、融合基坑监测技术和物联网技术，实现了九里山站基坑工程开挖的三维可视化显示及BIM信息化管理系统，对BIM在基坑工程领域的发展进行了探索。同时本文在BIM技术的基础上，融合了数值模拟技术，完成了九里山站基坑的三维数值计算模型，对基坑的稳定性进行实时计算与评估，为基坑工程的安全开挖提供了技术保障。同时介绍了奔腾大道车站基坑在BIM平台监测管理中的应用，主要成果如下：

(1)基于BIM技术的基坑开挖三维可视化应用。主要根据地质资料和周边环境，使用Revit和3DMAX软件完成三维地质和基坑支护的模型创建和整合。

(2)基于BIM技术的基坑信息化施工管理系统。将BIM模型导入BIM系统平台中，进行可视化管理，包括进度管理、安全管理、成本管理和监测管理等。

(3)基于BIM技术的基坑监测数值模拟。在BIM技术的基础上完成了数值计算，可以根据模拟结果评估基坑的稳定性，预测基坑变形发展趋势。

(4)在BIM平台监测管理中对危险点进行重点观测和模拟预测相结合的方式，使监测工作更加安全严谨。