基坑工程是大型的土体开挖工程，其最直接的后果是引起周围土体应力应变的重分布，导致周围地层的移动，产生较大的地表沉降与不均匀沉降，对周围建筑环境不利。现今的基坑工程正向着“深、难、险、大”方向发展，对环境的影响也日益严重。本文针对3DGIS、BIM技术在基坑监测应用进行探讨。

1、背景

      深基坑开挖不但要保证基坑自身的安全与稳定，而且要有效控制基坑周围地层移动以保护周边环境。一则由于地下20米深度内的地层多属于软弱的粘性土，土强度低，含水量高，有很大的流变性，在这类地层进行深基坑开挖和施工，极易产生较大的地层移动；再者由于城市中深基坑周边常碰到重要的市政设施（如地铁、隧道、管沟等）、浅基础民宅等，这些建筑大多是结构差、设施陈旧，对变形的反应较为敏感。

     基坑工程的监测技术是指基坑在开挖施工过程中，用科学仪器、设备和手段对支护系统、周边环境(如土体，建筑物，道路，地下设施等)的位移、倾斜、沉降、应力、开裂、基底隆起以及地下水位的动态变化、土层孔隙水压力变化等进行综合监测。然后，根据开挖期间监测到的结构和土体变位等各种信息，对勘察、设计所预期的性状与监测结果及时比较，对原设计进行评价并判断施工方案的合理性，修正原设计的不足，预测下一段施工可能出现的新行为、新动态，为进行合理组织施工提供可靠的信息，对后续的开挖方案与开挖步骤提出建议，对施工过程中可能出现的险情进行及时的预报，当发现有异常情况时立即采取必要的工程措施，将问题抑制在萌芽状态，以确保基坑工程的安全施工。

2、系统方案

      基于3DGIS技术、BIM技术、虚拟现实技术和基坑综合监控系统、三维有限元开挖模拟与分析技术，以及基坑周边的地理空间信息，开发基于深基坑4D监测系统，提升基坑施工过程的可视化、精细化管理水平和工作效率，将安全隐患消灭在萌芽状态、杜绝安全事故的发生，为保障工程施工质量和施工进度提供技术支撑。

      基于BIM技术的深基坑施工4D监控系统是与深基坑施工工况相结合的深基坑三维模型显示监测系统，通过计算机三维显示技术实现深基坑施工工况的参数化模拟，由三维图形能直观的表达出深基坑及其周边环境各监测点随施工工况变化的监测数据历时情况，体现了监测数据的时空效应，同时通过计算机互联网实现了深基坑监测数据的分布式管理，并能根据监测的数据计算预测下一步工程施工时深基坑及其周边环境的安全，能极大方便了各级管理与技术人员对监测数据的管理与分析，进而能较迅速与准确的判定与反馈深基坑的安全状态，指导深基坑施工。

图1 基坑4D施工监测系统总架构图

      采集层主要包括人工录入和系统集成。其中动态监测数据是可以通过人工获取监测器采集来的数据录入到本系统中，也可以将在线监测系统通过网络接入本系统；静态模型数据可以通过平台维护管理员在系统初始化中导入，同时支持开发数据接口，导入已经完成电子化的数据；BIM模型通过平台工具转换处理后导入到系统，3DS模型可直接添加到系统，基坑监测系统和视频监控则是将第三方网络视频监控系统集成到本平台上。

      数据层主要包括业务应用数据库和地理空间数据两类数据库。其中业务应用数据库包含系统管理和业务应用产生的各类数据：静态模型信息数据库，动态模拟仿真数据库，动态监测数据库，操作日志数据库，用户权限数据库等；地理空间数据库包含构建整个数字地球三维场景的各类基础数据：遥感影像数据，矢量地图数据，数字高程模型数据，BIM模型数据库，建筑三维数据库。

      平台层即整个系统的三维地理空间信息支撑平台，包含：空间数据构建子系统，空间数据服务子系统，和空间数据承载应用子系统。平台层通过各类地理空间数据的融合处理以及业务员数据的组织调用，在3D数字地球引擎软件的支撑下创建真实的深基坑施工状态仿真与监测平台。

      应用层由：系统管理模块，业务应用模块，二部分构成。

      （1）系统管理模块：

      主要包括用户管理，基于用户角色的访问权限控制，日志管理和查询等功能构成。

      （2）业务应用模块：

      基坑地上地下无缝三维浏览：通过鼠标拖拽和键盘操作，实现地面与地下的无缝自由三维浏览漫游。

      静态数据展示：在三维场景中，通过拉框、圈选、点选、模糊查询、缓冲区查询等方式，对选取区域内模型的静态数据进行查询和定位。根据实际应用需要，提供距离量测、坐标和标高输出等辅助功能。

      动态数据展示：可以通过录入窗口编辑指定模型的动态数据，通过模型的形状，位置，颜色的改变实时体现模型数据状态，通过拉框、圈选、点选、模糊查询、缓冲区查询等方式，对选取区域内模型的动态数据进行查询和定位；可沿时间轴展示上述信息发展的变化历程，可追溯任意历史时间点的信息数据并展示；根据实际应用需要，提供地面沉降量（体积）的统计、各类变形监测数据的二维曲线图等辅助功能；根据实际应用需要，展示地面、地下作业面的实时监控视频画面的相关信息。

      动态报警功能：可以预设动态数据的状态值区间，比如地面沉降0~0.01cm为正常，0.01~0.02为轻微沉降，0.02~0.03严重沉降等，当动态数据达到非正常状态时，系统可通过改变动态数据相应模型的颜色，警告列表和及时定位的形式实现动态报警功能。

1. 系统功能

◆ 场景浏览漫游：二维地形和三维场景的浏览漫游；支持自定义和手动路径的浏览漫游，以及以第1人称视角和飞行视角进行浏览漫游；支持二维及三维状态的切换。

◆ 属性信息查询：支持以多种方式查询并展示地层信息，地下管线信息，地面道路、建筑等环境信息；

◆ 施工模拟仿真：在加载了各类静态信息的三维平台上，模拟建设进度、基坑结构变形（沉降和收敛）、周边地面沉降形态、管线变形沉降、周边重要建筑物的沉降倾斜等监测数据，并进行应用仿真；

◆ 施工动态监测：支持以多种方式查询并展示建设进度、结构变形（沉降和收敛）、周边地面沉降形态、管线变形沉降、周边重要建筑物的沉降倾斜等监测数据；

◆ 空间量测分析：提供距离量测、面积量测、高度量测、坐标获取和标高输出等辅助功能；根据实际应用需要，提供地面沉降量（体积）的统计、各类变形监测数据的二维曲线图等辅助功能；

◆ 实时视频监控：根据实际应用需要，接入展示地面、地下作业面的实时监控视频画面的相关信息等；

◆ 历史数据查询：可沿时间轴展示建设进度、结构变形（沉降和收敛）、周边地面沉降形态、管线变形沉降、周边重要建筑物的沉降倾斜等监测数据发展的变化历程，可追溯任意历史时间点的信息数据并展示；

◆ 监测分析报警：分析各类变形监测数据的发展规律，采用颜色或其他指示方式动态反应各类监测对象的预警状态（如蓝色、黄色、橙色、红色预警级别），当监测数据达到某一警戒值时，提供图形化报警功能。

3、结束语

基于3DGIS、BIM技术的施工优化与监测数据管理分析系统，将非常有利于保证深基坑项目的顺利实施，把基坑施工的风险减小到最低程度，从技术上保证方案的优化，对基坑的施工将起到关键性的作用，深基坑信息化施工也将近一步的提高。