案例隧洞BIM 數(shù)字管理演示模型及展現(xiàn)探究

楊睿之

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

基于BIM 技術(shù)的工程數(shù)字管理演示及展現(xiàn)應(yīng)用，使工程管理數(shù)字化增添場(chǎng)景模擬演示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在線傳輸和查詢。本研究參考隧洞工程案例數(shù)據(jù)，借助BIM工程數(shù)理模擬體系，創(chuàng)建案例隧洞數(shù)理模型及建筑狀態(tài)模型，并且將二者實(shí)施在線整合推送，完成BIM模型的在線推送、展現(xiàn)和瀏覽案例操作，以為隧洞BIM模型工程應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考，助力提高工程管理數(shù)字化應(yīng)用水平。

1 案例工程概況

案例隧洞工程位處我國(guó)西南地區(qū)，為100 km/h設(shè)計(jì)時(shí)速的分離式六車道公路隧洞。其右線長(zhǎng)度193 m，起止軸線樁號(hào)系為K11+930—K12+123；左線長(zhǎng)度212 m，起止軸線樁號(hào)系為ZK11+886—ZK12+098。該隧洞為巖質(zhì)短線程隧洞，圍巖體主要為Ⅴ級(jí)和Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。圍巖體長(zhǎng)度參數(shù)和占比隧洞總長(zhǎng)度技術(shù)狀態(tài)具體見(jiàn)表1 所示。

表1 案例隧洞圍巖體分級(jí)表

隧址區(qū)位處明月峽的背斜軸部北端，侏羅系下沙溪廟上亞組、三疊系下嘉陵江組和須家河組地層。地貌屬于低山升抬褶皺型類型。進(jìn)口處位洪沖溝右岸緩斜坡的低部，地面坡角變化在25°至40°區(qū)間，緩斜坡總體呈順直狀態(tài)，喬木、灌叢較為發(fā)育，植被茂密。緩斜坡基巖裸露狀態(tài)明顯，黏結(jié)土蓋覆緩坡平臺(tái)區(qū)域，不過(guò)厚度不大。洞口周邊為相對(duì)平坦的谷地，大多為旱地，部分被用作水田。出洞口處位坳溝后緣，緩斜坡多基巖裸露，灌叢相對(duì)較為發(fā)育，坡形狀態(tài)相對(duì)比較直順，坡度值基本為25°～35°區(qū)間。緩坡平臺(tái)區(qū)域蓋覆黏結(jié)性土質(zhì)，只是厚度不是很大。洞外分布水塘、水田和沖溝谷底。洞身北東向穿越山脊，泥巖質(zhì)山體間或夾雜少量的砂巖長(zhǎng)石，區(qū)域植被生長(zhǎng)分布良好。沿隧洞軸線延展，地面高度最大值為454 m，最低值為391 m，洞體的最大埋深值近50 m。隧洞體限界，車道主軸線截面凈寬度值175 m，其中邊道的整體寬度1.75 m，行車道的整體寬度11.25 m，檢修專用道的整體寬度1.75 m。洞體凈高度設(shè)計(jì)為5.0 m。

洞身選用混合型支護(hù)砌襯，方型仰拱曲墻，設(shè)計(jì)參照新奧原理，選用噴錨網(wǎng)早期支護(hù)，增加鋼架強(qiáng)化輔助，采取濕噴操作工藝；二次砌襯選用混凝土或者混凝土鋼筋構(gòu)造。洞身砌襯支護(hù)參數(shù)具體見(jiàn)表2 所示。

表2 主洞砌襯支護(hù)基本技術(shù)參數(shù)（直徑/mm，長(zhǎng)度/m）

2 數(shù)字地形模型和建筑模型的建立

2.1 案例隧洞數(shù)字地形模型

本研究參考案例經(jīng)緯度地理區(qū)域設(shè)計(jì)劃定計(jì)算研究范圍，借助Local Space Viewer 通道載獲研究區(qū)間最強(qiáng)地質(zhì)精密度地形標(biāo)準(zhǔn)影像和參數(shù)生成基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

借助Global Mapper 系統(tǒng)依次把地形和影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)（WGS84）UTM 坐標(biāo)，并以 DEM 格式和Geo TIFF 格式保存。

Super Map GIS 系統(tǒng)系國(guó)產(chǎn)的地理信息大型模擬計(jì)算系統(tǒng)，可提供GIS 規(guī)模運(yùn)算及云計(jì)算服務(wù)，可借助該平臺(tái)迅速構(gòu)建相關(guān)行業(yè)技術(shù)應(yīng)用的GIS 功能應(yīng)用子系統(tǒng)。本研究基于Super Map 平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)施工程三維場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。在借助SM Desktop系統(tǒng)加載目標(biāo)地理和影像基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參數(shù)時(shí)，地形參數(shù)數(shù)據(jù)須生成三維Tin 類型（*.sct）的地理地形緩存[1]。

2.2 案例隧洞建筑模型

因案例隧洞屬于短距離公路隧洞，不存在特殊人行橫道和緊急救護(hù)停車帶等特別標(biāo)段，所以完全可以借助系統(tǒng)插件實(shí)施隧洞數(shù)字化建模。案例隧洞右線側(cè)洞身配套砌襯的支護(hù)以及操作必要輔助基本措施具體見(jiàn)表3 所示。

表3 隧洞右線側(cè)圍巖體分段和支護(hù)（直徑/mm，長(zhǎng)度/m）

借助Revit 插件智能參數(shù)化地推演生成噴射混凝土、拱墻、導(dǎo)管、錨桿和鋼筋網(wǎng)等工程基本構(gòu)件[1]，附加給對(duì)應(yīng)實(shí)例特定屬性基礎(chǔ)信息，且向材質(zhì)和貼圖及時(shí)賦予這些信息，其最終成圖效果具體見(jiàn)圖1和圖2 所示。

圖1 隧洞構(gòu)件最終模型效果

圖2 隧洞構(gòu)件內(nèi)部局部模型效果

可經(jīng)過(guò)插件實(shí)施仰拱及防水層構(gòu)件生成，其他隧洞構(gòu)造的數(shù)字模型。

2.2.1 主線路面構(gòu)成

主線隧洞路面系為混合型瀝青路面，具體規(guī)格參數(shù)如下：

a）基層 混凝土C20，厚度參數(shù)15 cm。

b）下面層 混凝土面板，厚度參數(shù)26 cm。

c）封層 礫石同步封層，厚度參數(shù)1 cm。

d）上面層 瀝青混凝土，厚度參數(shù)10 cm。

基于上述技術(shù)參數(shù)，建立案例隧洞的路面構(gòu)造數(shù)字模型并附加屬性說(shuō)明信息，其計(jì)算效果具體見(jiàn)圖3 所示。

圖3 數(shù)字模擬隧洞路面

2.2.2 充填仰拱數(shù)理模型

充填仰拱選用C15 混凝土材料，選用手工模式充填建立仰拱模型，并且賦予必要屬性提示說(shuō)明。仰拱模型具體效果見(jiàn)圖4 所示。

圖4 數(shù)理仰拱充填模型示例

2.2.3 電纜槽數(shù)理模型

電纜槽數(shù)理模型選用C15 混凝土材料，亦采取手工模式充填創(chuàng)立，并且賦予必要屬性提示說(shuō)明。其具體模型效果參見(jiàn)圖5 所示。

圖5 工程電纜槽數(shù)理模型

2.3 案例隧洞的整體三維數(shù)理模型

結(jié)合前述所介紹的結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及相關(guān)數(shù)字構(gòu)造模擬模型，適當(dāng)給與必要的分類整理，相關(guān)屬性說(shuō)明信息亦盡可能充分完備地輸入，最終所模擬得到的案例數(shù)理三維整體模型具體見(jiàn)圖6、圖7 所示。

圖6 案例隧洞工程建筑模型

圖7 案例隧洞內(nèi)部局部建筑模型效果

3 案例隧洞BIM 三維數(shù)理模型的可視化實(shí)現(xiàn)與在線發(fā)布

3.1 隧洞BIM三維數(shù)理模型的可視化實(shí)現(xiàn)

隧洞建筑模型手工和數(shù)理搭建完成后，借助Revit 插件的 Super Map Exporter for Revit 功能，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Super Map i Desktop 功能區(qū)。向插入窗格做經(jīng)緯度和高度輸入，即可使帶有附加屬性信息的建筑數(shù)理模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入超圖區(qū)。借助Super Map 屬性列表，相關(guān)數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)應(yīng)用瀏覽，也可以進(jìn)行必要的修改。

因?yàn)樗矶垂こ虒儆陔[蔽工程，所以建筑模型有可能為地形模型所遮蔽，影響隧洞工程場(chǎng)景的三維可視化實(shí)現(xiàn)，為使二者無(wú)縫一體化融合，地形模型有必要進(jìn)行數(shù)字剪裁。借助新版SuperMap9D 系統(tǒng)，對(duì)Tin 數(shù)字地形數(shù)據(jù)施加布爾運(yùn)算，借以達(dá)成地物地形的無(wú)縫一體化融合。案例BIM三維可視化模型的實(shí)現(xiàn)狀態(tài)具體見(jiàn)圖8、圖9 所示。

圖8 案例BIM 三維可視化模型的實(shí)現(xiàn)狀態(tài)

圖9 案例BIM 三維可視化模型展示效果

3.2 隧洞BIM模型的在線發(fā)布與系統(tǒng)應(yīng)用

案例BIM三維可視化模型建立完后，數(shù)據(jù)信息發(fā)布運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，其應(yīng)用會(huì)更便捷和服務(wù)廣泛，才能更利于該數(shù)理成果的最大應(yīng)用價(jià)值。借助Super Map 平臺(tái)該數(shù)據(jù)成果就可以實(shí)現(xiàn)有效的網(wǎng)絡(luò)傳送和發(fā)布。因?yàn)榇怂矶春偷匦螖?shù)理一體融合模型數(shù)據(jù)量相對(duì)較大，要高效率實(shí)現(xiàn)基于WEB 加載和用戶在線登陸瀏覽的工程應(yīng)用功能，數(shù)據(jù)發(fā)布則要求提前做好相關(guān)數(shù)據(jù)的必要切片化技術(shù)處理。保證結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)多層次LOD 化構(gòu)建實(shí)現(xiàn)以及體例化的信息存儲(chǔ)技術(shù)，可借助S3M格式化生成系統(tǒng)三維瓦片，借以達(dá)成WEB 端和移動(dòng)端高效地渲染大場(chǎng)景模型的目標(biāo)[2]。因此宜先將影像數(shù)據(jù)信息、地形數(shù)據(jù)信息和模型數(shù)據(jù)信息給與切片計(jì)算處理，生成三維工程場(chǎng)景的數(shù)據(jù)緩存。 要求以 S3M（Spatial 3D Model）格式導(dǎo)出模型數(shù)據(jù)信息。

場(chǎng)景緩存運(yùn)算生成后，即可借助Super Map i Server 技術(shù)傳送和發(fā)布三維模型數(shù)據(jù)，提供查詢和應(yīng)用服務(wù)。SMServer9D 系為基于高云GIS 內(nèi)核的數(shù)據(jù)服務(wù)器，勝任一體二至三維化工程數(shù)據(jù)發(fā)布推送服務(wù)和查詢管理應(yīng)用，該系統(tǒng)預(yù)置擴(kuò)展多層應(yīng)用開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)接口，授權(quán)用戶可借助應(yīng)用端二次開(kāi)發(fā)SDK應(yīng)用功能，迅速搭建適合特定具體工程的一體化GIS 云端系統(tǒng)[3]。本研究的案例隧洞BIM三維數(shù)理模型數(shù)據(jù)在線傳送和發(fā)布，即借助Super Map i Server9D系統(tǒng)實(shí)施。

基于Super Map 的GIS 在線客戶端開(kāi)發(fā)存在Plugin 和Web GL 兩種制式，其中Plugin 為基于Super Map UGCC++內(nèi)核所編制的工程專業(yè)GIS 開(kāi)發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)，由Java Script API 和Web 插件組成的三維GIS 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)在于其具有場(chǎng)景三維可視化功能，而且尤其擅長(zhǎng)場(chǎng)景可視模型的查詢信息的相關(guān)統(tǒng)計(jì)和演算，以及三維碰撞淹沒(méi)系列的相關(guān)信息分析[2]。不過(guò)需要說(shuō)明的是Plugin 系統(tǒng)是要求額外安裝特定插件模塊的工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，額外安裝會(huì)一定程度帶來(lái)工程應(yīng)用操作的不便。Web GL制式為基于HTML5WebGL 技術(shù)及Java Script 技術(shù)的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，無(wú)需安裝額外工具插件，而且支持跨操作系統(tǒng)、跨設(shè)備和跨瀏覽器。只須輸入web 地址即可進(jìn)入瀏覽三維模型場(chǎng)景。

圖10 案例隧洞BIM 模型在線瀏覽

圖11 案例在線查詢

基于Super Map Server 的數(shù)據(jù)在線發(fā)布完成后，經(jīng)過(guò)服務(wù)管理授權(quán)，用戶可以在線查詢發(fā)布或管理相關(guān)服務(wù)內(nèi)容，依次找到相應(yīng)的三維可視和數(shù)據(jù)存在網(wǎng)絡(luò)地址，在html 的URL 填入地址，即可抵達(dá)相關(guān)服務(wù)頁(yè)面。之后借助Java Script 語(yǔ)言亦可點(diǎn)擊前往查詢模型的相關(guān)屬性信息或開(kāi)展其他功能操作。最終，案例隧洞BIM模型在線瀏覽和屬性查詢效果見(jiàn)圖10、圖11 所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究借助BIM工程數(shù)理模擬體系，創(chuàng)建案例隧洞數(shù)理模型及建筑狀態(tài)模型，并且將二者實(shí)施在線整合推送，完成BIM 模型的在線推送、展現(xiàn)和瀏覽案例操作。主要收獲：

a）參考案例隧址區(qū)域基本地理和工程信息，創(chuàng)立了區(qū)域地形數(shù)理三維場(chǎng)景模型。

b）參考隧洞工程案例數(shù)據(jù)，借助插件Revit 功能，結(jié)合必要手動(dòng)操作和完善附加信息，完成隧洞工程建筑建模。

c）對(duì)三維地形數(shù)字模型輔助施加必要的布爾運(yùn)算，完美融合地形數(shù)理模型同隧洞建筑數(shù)理模型，達(dá)成隧洞模型與周邊地形的一體化三維數(shù)理表達(dá)。

d）實(shí)現(xiàn)案例隧洞BIM模型的三維視圖展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)在線服務(wù)傳送、發(fā)布、網(wǎng)絡(luò)在線瀏覽和應(yīng)用客戶端查詢。

隧洞三維視圖化模型的迅速搭建與網(wǎng)絡(luò)在線瀏覽和應(yīng)用客戶端查詢，能有效提升公路隧洞構(gòu)件的數(shù)字化建模效率，可為隧洞BIM模型工程應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考，助力提高工程管理數(shù)字化應(yīng)用水平。