基于Web Service与BIM集成技术的基坑安全监测系统

李 璐 刘新根 刘树亚 吴蔚博

（1.深圳市地铁集团有限公司，518026，深圳；2.上海同岩土木工程科技股份有限公司，200092，上海//第一作者，工程师）

基于Web Service与BIM集成技术的基坑安全监测系统

李 璐1刘新根2刘树亚1吴蔚博1

（1.深圳市地铁集团有限公司，518026，深圳；2.上海同岩土木工程科技股份有限公司，200092，上海//第一作者，工程师）

为了实现安全监测的三维可视化、信息自动化和多方协同参与，在施工现场安全监测中可应用集成了Web Service与BIM技术的基坑安全监测系统。Web Service与BIM技术集成的关键技术是信息交互与监测数据管理。介绍了监测系统结构及部分指令。该安全监测系统已应用于深圳市某地铁基坑施工监测中，实现了监测信息的动态管理和监测数据的自动分析处理，具有良好的功能扩展性和平台移植性。

基坑工程；安全监测；Web Service；建筑信息模型

地铁基坑具有开挖面积大、超深、支护体系复杂的特点［1］。地铁基坑往往位于城市的人口密集区或交通枢纽地带，其周边建筑及地下结构复杂。一旦出现安全事故，就会造成很坏的经济和社会影响。根据工程安全科学理论，事故发生是有一定的发展过程的，事故预兆可以在监测数据中反映出来［2］。因此对基坑安全监测的实时性、可视化、自动化和预测性就愈发重要［3］。

目前基坑监测的主要方法有现场巡检、人工监测和自动化监测等三类［4］。文献［5-8］也基于信息化技术手段对基坑监测方法进行了改进和优化。

此外，在政府的引导和各行业的大力推动下，市政基础工程越来越多地应用BIM（建筑信息模型）技术进行全生命周期管理［9］，提升了工程质量，降低了成本［10］。利用BIM技术可实现信息三维化集中管理，便于监测数据的共享与协同。而通过Web Service技术可以实现基坑监测数据的远程收集和发布管理。

在前人的研究基础上，本文着重研究了Web Service与BIM集成的关键技术，并将其应用到基坑安全监测工程中，以实现基坑监测的自动化、信息化和可视化。

1 基坑安全监测系统的开发

1.1 Web Service与BIM技术的集成

Web Service是一种新型的Web应用程序，具有自包含（Self-contained）、自描述（Self-describing）及模块化的特点，可通过Web来发布、查找和调用［11］。对于外部使用者而言，Web Service是一种部署在Web上的对象，建立在以XML（可扩展标记语言）为主的、开放的Web规范技术基础上，具有对象技术所承诺的所有优点。具体而言Web Service程序具有如下特征：①良好的封装性——使用者仅能看到该对象提供的功能列表；②松散耦合——只要约定的接口函数不变，其函数实现的主体对使用者而言都是透明的，调用者也无需关心；③使用标准协议规范——所有公共的协约完全使用开放的标准协议进行描述、传输和交换；④高度可集成能力——Web Service可跨平台，兼容CORBA、DCOM和EJB等标准。利用Web Service技术构建的基坑现场安全监测管理系统，可通过网页界面对进行实时、高效的监测。

BIM是以建筑工程项目的各项相关信息数据为基础建立的建筑模型，可通过数字信息仿真模拟建筑物的真实信息。BIM技术是一种数据化工具，通过建筑模型整合项目的各类相关信息，在项目策划、设计、建筑、运行和维护的全生命期中进行信息的共享和传递，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。在基坑安全监测管理系统中，BIM模型集成了多源数据（包括基坑几何参数、支护结构、施工工艺及施工组织等数据）。

Web Service可通过其应用程序接口与BIM进行信息交互，从而实现Web Service与BIM技术的集成（如图1所示）。在监测初始阶段，将监测点对象添加到BIM中，使监测数据成为BIM模型的附加数据。在监测过程中，对监测点的监测信息不断地更新，并通过Web Service与BIM交互，便可实时呈现并自动存储三维可视化监测信息。

图1 Web与BIM集成框架

在基坑监测现场，监测员利用移动端设备或自动监测设备将监测数据通过Web Service程序发送至监测数据库中；接受数据后，监测系统立即自动对监测数据（包括测点累计历史数据）进行分析，判断是否有异常；如数据有异常，则监测系统启动预警机制，而BIM亦进行响应、显示异常位置。现场监测中心和各方管理人员无需到达现场，便可通过Web端基于BIM进行全程监测、在线沟通、协同处理，实现高效全面的安全监测。采用Web与BIM集成技术的基坑安全监测信息传递如图2所示。

图2 采用Web Service与BIM集成技术的基坑安全监测信息传递示意图

1.2 集成技术在基坑安全监测系统中的应用

Web Service与BIM集成技术在基坑监测系统中集成应用的关键在于信息交互和数据管理（包括监测数据的采集、分析和预警等）。

1.2.1 Web Service与BIM的信息交互

Web Service技术为客户端调用服务端应用提供了桥梁，BIM一般由商业软件构建，如何通过Web Service对BIM进行交互式操作是实现Web Service与BIM技术集成的关键。

目前，多数BIM软件均可兼容工业基础类（Industry Foundation Classes，IFC）标准数据。IFC 是用于交换和共享复杂BIM的综合性国际标准［12］。IFC标准对建筑信息的表达运用了面向对象的设计思想。目前被业界认可的IFC2×3版本包含了600多个实体及300多个抽象实体，基本可划分为资源层、核心层、共享层和领域层等4层。IFC架构使用标准规范ISO 10303—2011定义的EXPRESS语言定义，采用ISO 10303定义的STEP物理文件传输数据。由于各常规构件（如板、梁、柱）数据格式已确定，故可通过编程方式自动解读IFC文件，并提取或修改构件数据（如几何尺寸、组织关系等）。

用户通过Web Service接口远程提交操作请求，交互构件的对象ID、参数、属性及组织关系等信息。服务端验证客户合法性并检查用户权限后，通过IFC接口操作IFC数据，并将结果反馈给客户端，从而实现Web Service和BIM的信息交互。Web Service与IFC标准数据交互的流程见图3。

图3 Web Service程序与IFC标准数据交互流程

1.2.2 监测数据管理

基坑安全监测系统主要提供测点配置管理、监测数据采集、数据分析、预警管理和系统管理等功能。

测点配置管理：管理员或者配置的具有权限的用户可对监测点信息进行设置，包括增减监测点，修改监测点的位置、名称、监测项目、单位精度、监测频率等。

监测数据采集：监测人员可通过移动端或PC端手动添加监测数据，亦可从文档中批量导入监测数据。

数据分析：专业分析测点数据（包括历史数据），自动生成测点时程曲线图及变形速率图等。

预警管理：根据系统设置的预警条件，判断监测点是否进入预警状态；一旦到达或超过预警值则立即启动预警响应机制；由监测负责人审核预警数据，确认并发布预警信息。

系统管理：主要包括用户管理、角色管理、权限管理（角色权限分配见表1）、密码管理、日志管理、历史数据记录及设备故障预警预报等。安全监测管理系统监测数据处理流程见图4。

1.3 基坑安全监测系统开发中的结构及部分指令

基坑安全监测系统以Unity作为图形引擎，利用Web Service技术搭建系统应用程序接口，将IFC标准的数据库构建在SQL Server 2008上，通过Revit IFC开源接口与IFC文件数据进行交互。该基坑安全监测系统直接导入BIM模型作为三维基础模型，通过客户端远程录入或自动输入监测数据，系统自动进行分析和预警管理。

表1 基坑安全监测系统的角色权限分配

图4 监测数据处理流程

依据业务逻辑关系，将系统划分成数据逻辑层、数据管理层和数据应用层（见表2）。数据逻辑层是整个系统的核心，定义了系统的各数据结构并存储。数据管理层和应用层是对统一数据结构下的同一数据库系统进行数据操作和应用。各层结构的软件架构是相互独立的，没有直接的程序接口，而实现数据和数据操作的分离，便于系统数据安全和功能扩展。

表2 系统逻辑层次

Web Services运行在IIS服务器上，其接口定义由 WSDL（Web Service Descripition Language）语言描述。Web Services的部分主要参数指令见表3。

表3 Web Services部分参数指令及功能

2 工程应用案例

基坑安全监测系统已应用于深圳市某地铁枢纽基坑监测项目。该基坑深25.5 m，宽58.92 m，长97.03 m，采用明挖法施工。监测项目分为基坑支护体系监测和基坑周边环境监测。监测点约有47个（会随工程进度而变化）。

基坑安全监测系统界面如图5所示。用户通过三维基坑模型可方便地选择监测点进行数据交互、数据管理（见图6）、及时发布预警信息等操作，实现了“所见即所得”。

图5 基坑安全监测系统界面

用户亦可通过移动端（如手机）从现场直接录入或查询监测数据（见图7），基坑安全监测系统可将用户录入的数据立即或稍后上传至系统服务器，并将数据保存至服务端的数据库；服务端接受数据后可立即对监测数据进行分析，并将分析结果反馈给相关人员。

基坑安全监测系统投入运行后，能收集众多监测数据，并根据施工工况、地质条件和环境条件等数据，综合分析监测数据的变化原因和变化规律，预测其发展趋势及影响范围，为各方面协同工作提供依据。

图6 监测数据管理界面

图7 监测数据移动端界面

3 结语

Web Service与BIM的集成技术应用于基坑安全监测系统，是对基坑施工现场安全监测信息化、可视化、自动化管理的探索。经过工程实践验证，得到以下几点体会：

（1）使用Web Service技术为客户端调用服务端，可实现松散耦合，可跨平台操作，移植性好。

（2）基于IFC标准，可直接导入BIM数据，从而建立基坑模型。这不仅便于实现基坑监测三维可视化，还可提高BIM的利用率及信息共享率。

（3）基于Web Service与BIM集成技术的基坑安全监测系统可实现基坑安全监测管理的自动化、可视化、无纸化及信息化，能提升施工安全管理的整体水平。

（4）基坑安全监测系统采用模块化设计，其架构系统可移植到其它施工安全监测领域，具备广泛应用性。

［1］ 顾雷雨，黄宏伟，陈伟，等.复杂环境中基坑施工安全风险预警标准［J］.岩石力学与工程学报，2014，33（S2）：4154.

［2］ 钱七虎．地下工程建设安全面临的挑战与对策［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（10）：1945.

［3］ 吴振君，王浩，王水林，等.分布式基坑监测信息管理与预警系统的研制［J］.岩土力学，2008，29（9）：2503.

［4］ 金淮，张建全，吴峰波，等.城市轨道交通工程监测理论与技术实践［M］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

［5］ 彭仪普，周楷淳，林祥德.基于WebGIS的变形监测系统研究与实现［J］.铁道科学与工程学报，2013，10（5）：103.

［6］ 贺跃光，杜年春，李志伟.基于WebGIS的城市地铁施工监测信息管理系统研究［J］.岩土力学，2009，30（1）：265.

［7］ 仲青，苏振民，王先华.基于RFID与BIM的集成施工现场安全监控关键技术研究［J］.建筑科学，2015，31（4）：123.

［8］ 周二众，刘星，青舟.深基坑监测预警系统的研究与实现［J］.地下空间与工程学报，2013，9（1）：204.

［9］ 张飞涟，郭三伟，杨中杰.基于BIM的建设工程项目全寿命期集成管理研究［J］.铁道科学与工程学报，2015，12（3）：702.

［10］ 刘照球，李云贵.建筑信息模型的发展及其在设计中的应用［J］.建筑科学，2009，25（1）：97.

［11］ 程炜，杨宗凯，乐春晖.基于Web Service的一种分布式体系结构［J］.计算机应用研究，2002（3）：105.

［12］ 李犁，邓雪原，基于IFC标准BIM数据库的构建与应用［J］.四川建筑科学研究，2013，39（3）：296.

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）