1、都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 收稿日期:2022-09-01 修回日期:2023-02-24 第一作者:闫海生，男，硕士，高级工程师，主要从事城市轨道交通工程建设安全风险管理和技术研究， 基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFC0805408)引用格式:闫海生，吕培印，唐明明，等.基坑工程定位系统与 BIM 模型共建技术J.都市快轨交通，2023，36(3)：29-34.YAN Haisheng,LYU Peiyin,TANG Mingming,et al.Co-construction technology of positioning system an
2、d BIM model for foundation pit engineeringJ.Urban rapid rail transit,2023,36(3):29-34.29城市轨道交通建设安全专辑URBAN RAPID RAIL TRANSITdoi:10.3969/j.issn.1672-6073.2023.03.005 基坑工程定位系统与BIM模型共建技术 闫海生，吕培印，唐明明，刘 淼，王晓宁（北京安捷工程咨询有限公司，北京 100050）摘 要:城市轨道交通工程建设施工安全管理要求高，越来越多的先进技术手段被用于施工现场安全管理，其中，BIM 建模和人员定位系统在明挖基坑工程中广泛
3、应用。然而，将基于 UWB(超宽带)定位技术的人员二维空间定位数据叠加到三维模型中时，由于维度不同，数据无法实现三维匹配。为解决数据匹配问题，依托北京地铁 12号线北岗子站基坑工程，通过将基坑土方模型进行分层建模，并创建人员模型 X 方向自变量与 Z 方向因变量的关系式，土方模型随施工进度逐层挖除，人员模型 Z 坐标与土方模型动态吻合，实现人员定位与 BIM 模型的三维共建，从而实现定位数据在 BIM 模型上的融合展示。通过实际工程对三维共建技术进行应用与验证，为其他类似工程三维共建提供实例参考。关键词:城市轨道交通；基坑工程；人员定位；建筑信息模型；三维共建 中图分类号:U231 文献标志码
4、:A 文章编号:1672-6073(2023)03-0029-06 Co-construction Technology of Positioning System and BIM Model for Foundation Pit Engineering YAN Haisheng,LYU Peiyin,TANG Mingming,LIU Miao,WANG Xiaoning(AGILETECH Engineering Consultants Co.,Ltd.,Beijing,100050)Abstract:The safety management requirements for urban
5、 rail transit construction projects are high,and advanced techniques are employed for construction site safety management.BIM modeling and personnel positioning systems are widely used in open-cut foundation pit engineering.However,when two-dimensional spatial positioning data of personnel based on
6、UWB positioning technology are superimposed onto a three-dimensional model,the data cannot be matched in three dimensions due to their varying dimensions.To address this issue involving data matching,this study relies on the foundation pit project of Beigangzi Station on Beijing Metro Line 12.Layere
7、d modeling of the earthwork model for the foundation pit and relationship between the X-direction independent variable and Z-direction dependent variable of the personnel model are created.As the earthwork model is excavated layer by layer with the progress of the construction,the Z-coordinate of th
8、e personnel model is dynamically aligned with the surface layer of the earthwork model,achieving a three-dimensional co-construction of personnel location and BIM model.This allows for the integration of positioning data on the BIM model.The three-dimensional co-construction technology was applied a
9、nd verified via an actual project,providing a reference for similar three-dimensional co-construction projects.Keywords:urban rail transit;foundation pit engineering;personnel positioning;building information modeling;three-dimensional co-construction 都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 30 URBAN RAPID RAI
10、L TRANSIT 城市轨道交通工程建设地质及环境条件复杂、作业难度大、施工危险性大，施工现场危险源和危险区域众多，对于现场作业人员和管理人员的实时位置跟踪和安全状态监测尤为重要。建筑信息模型技术(building information modeling，BIM)1，最早由 1975 年美国乔治亚理工大学的 Chuck Eastman 教授提出，并经历了萌芽阶段、产生阶段和发展阶段 3 个阶段。我国近几年对 BIM 的研究和应用越来越多，BIM 在城市轨道交通工程施工阶段的应用也有了长足的进步2-4。利用 BIM 技术建立轨道交通基坑工程模型，实现基坑土方开挖的三维模型动态展示，为基坑工程进
11、度管理、安全监管提供了技术支撑。近年来，无线定位技术得到了普遍的应用和发展，为实现人员的精细管理以及对现场人员实时跟踪定位提供了技术保障5。无线定位技术通过无线通信的方式获得移动标签到基站的距离等信息，从而推算出移动标签的位置。无线定位技术领域可分为广域定位和短距离无线定位 2 类。广域定位包括卫星定位和移动定位等，短距离无线定位包括 WLAN(wireless local area network，无线局域网)、RFID(radio frequency identification，射频识别)、UWB(ultra-wideband，超宽带)、蓝牙、超声波等。1 定位系统现状 GPS(glob
12、al positioning system)全球定位系统可以为用户提供米级的位置服务，基本解决了在室外空间中进行准确定位的问题，然而，在轨道交通暗挖车站、罩棚施工区以及地下隧道施工等密闭空间环境中，受到建筑物、地层、施工作业机械设备的遮挡和多径效应的影响，GPS 定位精度急剧降低，无法满足轨道交通室内位置服务需要。UWB 超宽带定位技术具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低等优点，定位精度可达厘米级，更适用于室内定位。基于 UWB超宽带技术的人员定位系统，通过对 3 个不同位置的基站信息解算获得标签所在的平面精确坐标6-8。UWB定位原理如图 1 所示。目前，很多基于 BI
13、M、数字孪生等技术的可视化平台，均实现了与基于 UWB 定位技术的融合，如图扑软件开发的钢厂人员定位安全管理 3D 可视化监控平台。但多应用于厂房、仓库、运营车站等静态的、平面的场景，没有在动态的、有坡面的场景中应用的案例，如轨道交通工程基坑土方开挖施工。图 1 UWB 定位原理 Figure 1 UWB positioning principle 究其原因，目前的定位技术大部分还只能实现存在性检测的零维点定位、单轴方向上的一维直线定位和 2 个坐标轴上的二维平面定位9，受空间限制、成本和造价等因素的影响，用于施工现场的人员定位系统，大部分无法实现三维定位。在应用 BIM 技术对轨道交通工程明
14、挖基坑土方和人员进行三维建模后，将三维 BIM 模型与基于UWB 的平面人员定位进行共建时，会出现匹配了人员定位系统二维数据的人员模型，与相对固定的土方模型无法契合的现象，比如人员模型沿基坑长度方向行走时，会出现人员穿越地层或悬浮于空中的现象，导致模型效果失真。本文依托北京地铁 12 号线北岗子站基坑工程，研究基于 BIM的土方模型和基于 UWB 定位技术的人员模型的三维共建技术，提出优化土方与人员模型共建的方法，避免出现模型效果失真，为类似不同维度的模型交互解决方案提供借鉴参考。2 三维共建工程概况 2.1 基坑概况 北京地铁 12 号线北岗子站为地下 2 层岛式站台车站，采用明挖法施工。基
15、坑开挖长度 302 m，开挖深度标准段 16.95 m，盾构井段基坑深 18.33 m，轨排井基坑深 17.95 m，集水坑深 20.25 m，属于深基坑，总计约挖土 117 698 m3，且该基坑支护结构安全等级为一级，风险等级为二级。车站施工平面如图 2 所示。车站主体围护结构采用 600 mm 地下连续墙+3 道800 mm钢管支撑(轨排井段600 mm地下连续墙+4道锚索)的内支撑体系。第 1 道支撑结构平面如图 3 所示。基坑工程定位系统与 BIM 模型共建技术 31URBAN RAPID RAIL TRANSIT 图 2 12 号线北岗子站施工平面 Figure 2 Constru
16、ction plan of Beigangzi station on Line 12 图 3 第 1 道支撑结构平面 Figure 3 Structural plan of the first support 2.2 土方开挖专项施工方案 主体开挖从基坑西端开始，沿基坑向东端顺序进行开挖。基坑开挖遵循“由上而下，先撑后挖，分层开挖”的原则，运用“时空理论”，采用“竖向分层、纵向分段、纵向拉槽、横向扩边”的开挖方法。每一段土方从上到下分层开挖，开挖时及时架设钢支撑/张拉锚索。钢支撑段共分为 5 层。第 1 层土方从东西两侧向中间挖至冠梁底；第 24 层土方从基坑西端向东开挖，分别开挖至第 2 道钢支撑下 0.5 m、第 3 道钢支撑下 0.5 m 和坑底，坡度均采用 110；第 5 层为集水坑段，开挖至底部。轨排井段共分为 6 层。第 1 层土方从东西两侧向中间直接挖装；第 25 层土方从基坑西端向东开挖，分别开挖至第 1 道锚索下 0.5 m、第 2 道锚索下 0.5 m、第 3 道锚索下 0.5 m 和坑底，坡度均采用 110；第 6层开挖槽底中拉槽的两侧土方。土方分层开挖如图 4所