程方圓， 姚國明， 奎永才， 王建華， 趙秀清

(1. 同濟大學(xué)地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 云南交投集團投資有限公司， 云南 昆明 650228；3. 云南第二公路橋梁工程有限公司， 云南 昆明 650205)

0 引言

由于地質(zhì)環(huán)境的隱蔽性與復(fù)雜多變性、災(zāi)害事故的突發(fā)性，長大公路隧道建設(shè)面臨著重大挑戰(zhàn)。截至2016年底，我國公路隧道通車總里程達14 040 km，數(shù)量1.5萬余處，其中特長隧道運營里程3 622.7 km，共計815處[1]。大規(guī)模公路隧道建設(shè)產(chǎn)生的海量工程數(shù)據(jù)急需高效的數(shù)字化管理方法。

地理信息系統(tǒng)(GIS)和建筑信息模型(BIM)是實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)存儲、分析和管理的2大平臺體系。在GIS方面，王麗園等[2]利用CAD與GIS管理公路隧道信息資料庫，構(gòu)建公路隧道三維可視化系統(tǒng)；陸軼等[3]采用GIS技術(shù)設(shè)計了基于ArcGIS Engine的公路隧道監(jiān)測信息系統(tǒng)，實現(xiàn)具有空間屬性的監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析；閻一瀾[4]建立了水文地質(zhì)數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)，使用ArcGIS建模實現(xiàn)水文地質(zhì)數(shù)據(jù)分析。在BIM方面，鄧小軍等[5]關(guān)聯(lián)BIM模型與進度、質(zhì)量與安全等資料，實現(xiàn)公路隧道基于BIM的進度、質(zhì)量與安全施工信息集成；蔣雅君等[6]通過對AutoCAD和Revit的二次開發(fā),實現(xiàn)運營階段公路隧道襯砌病害的三維可視化；宋戰(zhàn)平等[7]初步提出面向隧道工程全生命周期數(shù)據(jù)協(xié)同管理，形成規(guī)劃、設(shè)計、施工與運維一體化BIM管理平臺?？梢钥闯觯壳癎IS適用于地理空間數(shù)據(jù)管理和分析，而BIM側(cè)重于設(shè)計、施工與運營等階段工程結(jié)構(gòu)屬性數(shù)據(jù)協(xié)同管理。因此，有學(xué)者充分利用GIS與BIM技術(shù)互補優(yōu)勢，開展了一些隧道數(shù)字化管理研究。寇邦寧[8]從BIM三維參數(shù)化模型建立、信息模型和GIS平臺真實場景展示等方面研究了鐵路隧道勘察設(shè)計的技術(shù)路線；李福健[9]建立了GIS+BIM+物聯(lián)網(wǎng)的安全監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了鐵路隧道圍巖監(jiān)控量測信息與BIM模型的集成與共享；王秋蘭[10]基于GIS+BIM集成技術(shù)設(shè)計了公路隧道智慧管養(yǎng)系統(tǒng)框架，具有結(jié)構(gòu)健康檢測與安全評估預(yù)警等功能。同濟大學(xué)提出的基礎(chǔ)設(shè)施智慧服務(wù)系統(tǒng)(infrastructure Smart Service System, iS3)，是面向基礎(chǔ)設(shè)施全生命數(shù)據(jù)采集、處理、表達、分析的一體化決策服務(wù)系統(tǒng)[11-12]，融合了GIS與BIM技術(shù)，從信息流的角度出發(fā)涵蓋了規(guī)劃、勘察、設(shè)計、施工與運營等階段全生命周期數(shù)據(jù)，可用于盾構(gòu)隧道[13]、綜合管廊[14]等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域數(shù)字化管理。

綜上所述，在實際應(yīng)用過程中，集成GIS/BIM實現(xiàn)公路隧道數(shù)字化管理存在著一些問題： 1)地質(zhì)與結(jié)構(gòu)等海量工程數(shù)據(jù)尚未建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)； 2)急需有效的數(shù)字化管理手段實現(xiàn)GIS與BIM等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的無縫融合。針對上述問題，本文將公路隧道建設(shè)過程中產(chǎn)生的海量工程數(shù)據(jù)進行分類，并制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)，為工程數(shù)據(jù)與GIS、BIM模型的集成提供技術(shù)方案；依托云南省老營隧道工程，基于iS3平臺開發(fā)公路隧道數(shù)字化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)GIS/BIM一體化聯(lián)動、數(shù)據(jù)實時錄入與資料在線查詢等初步的集成應(yīng)用，以期為今后公路隧道全生命周期數(shù)字化管理研究提供技術(shù)儲備。

1 工程概況

老營隧道是云南省保瀘(保山—瀘水)高速公路的控制性工程，右幅隧道長11 520 m，左幅隧道長11 430 m，為分離式特長隧道，穿越Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3種圍巖級別，主體結(jié)構(gòu)和斜井分別包括9種斷面類型，左右幅隧道之間設(shè)有人行橫通道和車行橫通道，共有6種斷面類型。老營隧道全程采用鉆爆法施工，由進出口相向施工，分為4個標(biāo)段，其中保山進口端為1標(biāo)，瀘水出口端為4標(biāo)，中間的2標(biāo)、3標(biāo)分別先行開挖1#斜井和2#斜井，待與右幅主洞相接后再進行主洞施工。

老營隧道穿越橫斷山脈南端的保山壩“西山梁子”，是怒江和瀾滄江的分水嶺，河流眾多，為自然地理的分界線，如圖1所示。隧道最大埋深達1 259.03 m，穿越古生界至新生界諸多地層，地質(zhì)時代跨度較大，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況復(fù)雜。隧道所處地勢基本呈北高南低，區(qū)內(nèi)大多山高坡陡，山脈走向及河流流向多呈北西走向，隧道隧址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕、溶蝕中切割中山陡坡地形地貌。

圖1 老營隧道隧址區(qū)

老營隧道地質(zhì)條件復(fù)雜、結(jié)構(gòu)類型多、施工風(fēng)險大、參與人員范圍廣。因此，開展集成GIS/BIM的公路隧道數(shù)字化管理研究，對實現(xiàn)公路隧道海量工程數(shù)據(jù)存儲與管理、促進各方協(xié)同工作具有重要意義。

2 信息分類與數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)

公路隧道工程數(shù)據(jù)來源十分廣泛，涵蓋勘察、設(shè)計、施工與運營多個階段。在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合老營隧道工程，將公路隧道建設(shè)過程中涉及的海量工程數(shù)據(jù)劃分為5大類：地理地質(zhì)(geology)、環(huán)境(environment)、設(shè)計(structure)、施工(construction)與監(jiān)測(monitoring)。各個大類逐級細(xì)化，進一步細(xì)分為一級分類、二級分類、三級分類和信息節(jié)點。例如，對于地理地質(zhì)數(shù)據(jù)，可劃分為工程地質(zhì)和水文地質(zhì)2個一級分類。其中，工程地質(zhì)又可分為地質(zhì)調(diào)繪和地質(zhì)勘探2個二級分類，均由多個三級分類和信息節(jié)點組成，如表1所示。

為保證工程數(shù)據(jù)組織、存儲和交換的規(guī)范性、全面性和易用性，參考數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)文件AGS[15]的數(shù)據(jù)傳輸與交換格式，形成公路隧道工程數(shù)據(jù)字典，即一系列工程對象的數(shù)據(jù)表格(包含對象的所有屬性集合)。數(shù)據(jù)字典中的一張數(shù)據(jù)表格對應(yīng)一個信息節(jié)點，規(guī)定數(shù)據(jù)狀態(tài)(status)、字段(heading)、數(shù)據(jù)單位(suggested unit)、數(shù)據(jù)類型(suggested type)等，其中字段名稱采用“表名_字段的英文名縮寫”形式。為區(qū)別不同字段的重要程度，數(shù)據(jù)表格定義了3種字段狀態(tài)： 1)關(guān)鍵字段(*),表格中某條記錄的唯一標(biāo)識，如ID； 2)必填字段(R),不能為空； 3)其他字段,可以為空，根據(jù)工程實際情況來選擇是否需要填入數(shù)據(jù)。

根據(jù)老營隧道實際工程信息，按照制定的存儲規(guī)則錄入數(shù)據(jù)。以勘察孔基本信息(HDPH)數(shù)據(jù)表為例，其中鉆孔編號ID為關(guān)鍵字段，輸入1，2，3，…整數(shù)類型；勘察孔名稱為必填字段，應(yīng)輸入文本類型(X)；2DP表示保留2位小數(shù)點的浮點類型；DT是指日期，為時間類型等，如表2所示。將地理地質(zhì)、環(huán)境、設(shè)計、施工與監(jiān)測屬性數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)表格中，導(dǎo)入SQL Server數(shù)據(jù)庫，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，將工程數(shù)據(jù)部署于云服務(wù)器中。

表1工程地質(zhì)信息目錄與信息節(jié)點(部分)

Table 1 Partial information catalog and nodes of engineering geology

一級分類二級分類三級分類信息節(jié)點工程地質(zhì)地質(zhì)調(diào)繪地質(zhì)勘探氣象遙感地質(zhì)構(gòu)造鉆探氣象(WEAT)航空航片信息(AERP)遙感信息解譯(IRSI)地形地貌(GMPG)地層(STRA)斷層(FALT)褶皺(FOLD)裂隙(JONT)不良地質(zhì)(AGEO)特殊性巖土(SPEC)勘察孔基本信息(HDPH)鉆孔地層信息(DETL)鉆孔取芯信息(CORE)地球物理勘探(GEOE)

表2 勘察孔基本信息(HDPH)(部分)

3 GIS/BIM模型

3.1 GIS模型

CAD具有強大的圖形編輯和處理功能，是數(shù)字成圖的首選工具，工程測繪和勘察單位所獲得的基礎(chǔ)地理地質(zhì)數(shù)據(jù)多以CAD的數(shù)據(jù)格式存儲[16]。為了實現(xiàn)地理地質(zhì)等二維圖形數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫屬性數(shù)據(jù)融合，需將CAD圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ArcGIS中的二維模型。

ArcGIS建模過程即為DWG文件數(shù)據(jù)格式向ArcGIS的SHP格式轉(zhuǎn)換過程，將每個DWG實體類型轉(zhuǎn)換成要素類，即點、線、面3種要素，如表3所示。例如，點要素通常指鉆孔、監(jiān)測點和泉點等突出地理位置、忽略實際大小和形狀的實體對象，線要素包括隧道軸線、河流等呈線狀分布的實體對象，而面要素主要指地層、水文保護區(qū)和水庫等占據(jù)一定面積的實體對象。為方便導(dǎo)出ArcGIS圖層，將DWG文件中的文字也以SHP格式的點要素存儲。

表3 CAD與GIS圖形要素

在完成ArcGIS二維建模后，所有CAD圖形數(shù)據(jù)均在ArcGIS中以圖層的形式存在。將不需要交互的圖層生成TPK文件，作為工程的地理底圖，例如隧道軸線圖層。將需要交互的數(shù)字化對象(如監(jiān)測點、鉆孔等)從地理底圖中獨立出來，在屬性表中附加ID屬性信息，映射數(shù)據(jù)庫中存儲的地理地質(zhì)數(shù)據(jù)，導(dǎo)出Geodatabase文件。

組合工程底圖(TPK文件)與數(shù)字化對象(Geodatabase文件)，最終以主題圖的形式分層次可視化表達二維GIS模型。例如，GIS剖面圖分為施工進度圖、襯砌類型圖、地質(zhì)剖面圖(見圖2)和物探圖，分別突出表達施工進度、襯砌類型、地層與鉆孔以及物探信息。

3.2 BIM模型

隧道BIM建模方法的研究可分2大類： 一是直接使用BIM軟件建立隧道模型，二是BIM軟件結(jié)合編程方法建立隧道模型。為提高模型的可復(fù)用性，本文采用Revit軟件建立隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型單元，并將隧道結(jié)構(gòu)模型定義為3個LOD等級。LOD100為方案設(shè)計階段，體現(xiàn)隧道整體的線路走向等；LOD200為初步設(shè)計階段，在LOD100的基礎(chǔ)上強調(diào)各襯砌類型斷面尺寸；LOD300為施工圖設(shè)計階段，基于LOD100與LOD200注重錨桿、鋼筋網(wǎng)與鋼拱架等施工細(xì)節(jié)的表達。以LOD200所對應(yīng)的直線二次襯砌模型單元為例，在Revit中采用放樣的方式定義二次襯砌長度，導(dǎo)入CAD圖中的襯砌斷面，通過在曲線的交點處繪制與曲線相切的參照平面以及添加相應(yīng)的尺寸標(biāo)注實現(xiàn)直線段二襯厚度的參數(shù)化，如圖3所示。所建立的隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型單元包括直線襯砌、曲線襯砌、錨桿、鋼拱架、鋼筋籠、排水管與路面結(jié)構(gòu)等，此外還建立了鉆孔模型和地層模型。

分離幾何模型與Revit屬性信息是三維模型與工程數(shù)據(jù)集成的關(guān)鍵前提。在Revit中為各模型單元添加ID，將Revit屬性信息存儲于SQL Server數(shù)據(jù)庫中；對于三維幾何模型，將隧道結(jié)構(gòu)單元、鉆孔單元與地層單元等均導(dǎo)出FBX格式，并載入Unity軟件。利用編寫的C#程序，根據(jù)隧道軸線信息在Unity中拼接成不同LOD的隧道結(jié)構(gòu)模型，如圖4所示[17]。基于建立的地層單元，通過布爾運算、可見性控制等操作實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)與地層模型在三維場景中的可視化表達。

模型拼接與渲染后，在Unity軟件中為三維模型附加腳本，實現(xiàn)： 1)給模型添加漫游腳本，可在全景空間中自由切換場景，達到瀏覽不同場景的目的； 2)梳理幾何模型的分類結(jié)構(gòu)，方便映射導(dǎo)出的模型屬性信息； 3)對需要交互操作的模型分類結(jié)構(gòu)添加交互腳本，可高亮顯示點選的模型結(jié)構(gòu)。完成上述一系列操作后，發(fā)布系統(tǒng)需要的Unity3D文件。

圖2 隧道ArcGIS地質(zhì)剖面圖

圖3 直線二次襯砌參數(shù)化模型單元(單位： mm)

(a) LOD100隧道結(jié)構(gòu)模型

(b) LOD200隧道結(jié)構(gòu)模型

(c) LOD300隧道結(jié)構(gòu)模型

(d) 特殊段隧道接頭模型

4 集成與應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于iS3平臺開發(fā)的公路隧道數(shù)字化管理系統(tǒng)架構(gòu)包含4層，分別是數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用框架層以及應(yīng)用層，如圖5所示。數(shù)據(jù)層提供數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式，實現(xiàn)各種類型數(shù)據(jù)的對接，如各類數(shù)據(jù)庫、BIM及GIS等數(shù)據(jù)。服務(wù)層則實現(xiàn)數(shù)據(jù)的云存儲，提供數(shù)據(jù)訪問組件，通過WebAPI實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的增刪改查，并提供數(shù)據(jù)的各類分析功能。應(yīng)用框架層為基于C/S架構(gòu)的桌面端應(yīng)用程序，采用C#與WPF語言完成系統(tǒng)研發(fā)工作。應(yīng)用層則是基于應(yīng)用框架層，根據(jù)工程實際應(yīng)用需求設(shè)計應(yīng)用，本系統(tǒng)主要面向公路隧道工程設(shè)計與施工階段，包括業(yè)主、設(shè)計、施工等相關(guān)工程人員。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 數(shù)據(jù)集成

為實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)與GIS/BIM幾何模型的集成與關(guān)聯(lián)，從而進一步實現(xiàn)海量工程數(shù)據(jù)有效數(shù)字化管理，本文提出了如圖6所示的集成技術(shù)方案。

對于屬性數(shù)據(jù)，采用制定的公路隧道數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)作為數(shù)據(jù)存儲規(guī)則，將涉及的海量工程數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中。對于幾何模型，分別采用ArcGIS Runtime SDK for.NET作為GIS模型的二維圖形引擎與Unity3D作為BIM模型的三維可視化引擎。最終，利用系統(tǒng)的iS3-Config配置工具載入幾何模型，通過關(guān)鍵字段ID實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與GIS、BIM模型的集成和關(guān)聯(lián)。

4.3 數(shù)據(jù)管理

老營隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜，建設(shè)過程中積累了大量的工程數(shù)據(jù)，如何有效地集成與管理這些數(shù)據(jù)、方便信息輸入與查詢是工程人員十分關(guān)注的問題，也是利用數(shù)字化手段實現(xiàn)進度、質(zhì)量與安全等施工過程信息管理的基礎(chǔ)。因此，目前系統(tǒng)在集成應(yīng)用方面初步實現(xiàn)了GIS/BIM一體化聯(lián)動、數(shù)據(jù)實時錄入與資料在線查詢功能。

1)GIS/BIM一體化聯(lián)動。將存儲于數(shù)據(jù)庫中的老營隧道工程屬性數(shù)據(jù)、二維GIS圖形文件與三維BIM圖形文件導(dǎo)入公路隧道數(shù)字化管理系統(tǒng)，系統(tǒng)會自動完成多源數(shù)據(jù)的無縫融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與GIS/BIM模型一體化聯(lián)動。以鉆孔對象為例，通過可視化的交互操作，如點擊下方數(shù)據(jù)列表中的一條鉆孔記錄，二維GIS剖面圖形與三維BIM模型中的鉆孔對象將同時高亮顯示，如圖7所示。

圖6 技術(shù)方案

圖7 二維、三維模型關(guān)聯(lián)與可視化

2)數(shù)據(jù)實時錄入。系統(tǒng)集成了地理地質(zhì)、周邊環(huán)境、設(shè)計、施工與監(jiān)測5個方面的設(shè)計與施工海量數(shù)據(jù)，并以信息目錄樹與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)列表、GIS二維模型以及BIM三維模型3種模式全方面展示海量工程數(shù)據(jù)。然而，在數(shù)據(jù)表格中填入工程數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的操作十分繁瑣與滯后，不利于現(xiàn)場工程人員管理海量工程數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)一鍵式增刪、查詢、上傳與存儲等功能，現(xiàn)場工程人員可以按照制定的數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)場遠程操作數(shù)據(jù)庫，錄入所需記錄的工程數(shù)據(jù)，實時完成數(shù)據(jù)的云存儲，如圖8所示。

3)資料在線查詢。老營隧道建設(shè)工程中產(chǎn)生了大量的圖片與視頻等媒體類非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，例如掌子面照片、現(xiàn)場施工視頻等。為滿足現(xiàn)場工程人員的實際需求，在實現(xiàn)二維、三維GIS/BIM模型聯(lián)動可視化的基礎(chǔ)上，對于此類非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在施工子模塊中提供了加載圖片與視頻數(shù)據(jù)功能，方便現(xiàn)場工程人員進行資料的在線查詢與可視化管理。例如，點擊施工視頻選項，GIS與BIM模型中(施工視頻所對應(yīng)的實際里程樁號處)將分別出現(xiàn)視頻圖標(biāo)，然后點擊GIS模型或BIM模型中的視頻圖標(biāo)，選擇打開視頻，可調(diào)取如圖9所示的現(xiàn)場施工視頻。

圖8 數(shù)據(jù)實時錄入

圖9 資料在線查詢

5 結(jié)論與討論

1)將公路隧道工程建設(shè)過程中涉及的海量工程數(shù)據(jù)分為環(huán)境、設(shè)計、施工、地理地質(zhì)與監(jiān)測5類，形成信息目錄與信息節(jié)點，制定了數(shù)據(jù)存儲規(guī)則，為工程數(shù)據(jù)的存儲與共享提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

2)在建立GIS二維模型與BIM三維模型，添加屬性信息并發(fā)布圖形數(shù)據(jù)文件的基礎(chǔ)上提出了工程數(shù)據(jù)與GIS/BIM模型的集成技術(shù)方案，為實現(xiàn)公路隧道多源異構(gòu)數(shù)據(jù)無縫融合提供了有效手段。

3)基于公路隧道數(shù)字化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了工程數(shù)據(jù)與GIS/BIM模型的集成與關(guān)聯(lián)，并在二維、三維數(shù)據(jù)聯(lián)動可視化的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時錄入與資料在線查詢功能，對現(xiàn)場施工管理具有一定的實用價值。

隨著工程的推進，未來需要解決模型動態(tài)更新、海量工程數(shù)據(jù)可視化表達與施工過程信息管理等問題，并進一步完善系統(tǒng)的功能，例如增加結(jié)構(gòu)分析接口與運營養(yǎng)護階段結(jié)構(gòu)服役性能評估接口等，以期實現(xiàn)公路隧道工程的全壽命周期數(shù)字化管理。