基于BIM的地鐵隧道監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李益斌 陳健 徐傳旺

摘 要：在地鐵隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中數(shù)據(jù)量繁多且抽象，因此建立相關(guān)的信息管理系統(tǒng)尤為必要。為此本文將先進(jìn)的BIM技術(shù)與傳統(tǒng)隧道監(jiān)測(cè)理念相結(jié)合，自主開(kāi)發(fā)了基于BIM和云平臺(tái)的隧道動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，并進(jìn)行工程應(yīng)用。主要研究?jī)?nèi)容為：① 研究了隧道BIM參數(shù)化快速建模方法，采用Revit（三維參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)工具）進(jìn)行IFC標(biāo)準(zhǔn)的隧道族構(gòu)件庫(kù)的建立，使用Revit軟件構(gòu)建了隧道三維BIM模型。② 基于地鐵隧道監(jiān)測(cè)信息管理的實(shí)踐需求，進(jìn)行了系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)及系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)。③ 利用 Visual Studio 及 Unity 3D 平臺(tái)，采用C#編程語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的添加及修改、形變量的計(jì)算、基于模型的變形信息展示等功能。通過(guò)上述BIM模型表達(dá)、監(jiān)測(cè)信息與BIM模型的關(guān)聯(lián)，提高了監(jiān)測(cè)信息的可視化程度，并且為提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性提供技術(shù)支持，取得良好效果。說(shuō)明本文系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法和程序是成功的，可以有效地提高隧道監(jiān)測(cè)信息的管理水平。

關(guān)鍵詞：建筑信息模型;信息化;隧道;參數(shù)化建模;變形監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU198 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1006-8023（2021）03-0131-06

Abstract：In the metro tunnel monitoring project， the data are numerous and abstract， so it is necessary to establish the relevant information management system. Therefore， this paper combines advanced BIM technology with traditional tunnel monitoring concept， independently develops a tunnel dynamic monitoring information system based on BIM and cloud platform， and carries out engineering application. The main research contents are as follows： （1） The rapid modeling method of tunnel BIM parameterization is studied. Revit （3D Parameterized Building Design Tool） is used to build the tunnel family component library of IFC standard， and Revit software is used to construct the tunnel 3D BIM model. （2） Based on the practical requirements of metro tunnel monitoring information management， the system function design and system framework design are carried out. （3） Using Visual Studio and Unity 3D platform， using C# programming language for system development， to achieve the monitoring information to add and modify， the calculation of shape variables， deformation information based on the model display and other functions. Through the association between the above BIM model expression and monitoring information and BIM model， the degree of visualization of monitoring information is improved， and technical support is provided for improving the accuracy of analysis results， which has achieved good results. It shows that the development method and program of this system are successful and can effectively improve the management level of tunnel monitoring information.

Keywords：Building information model; informatization; tunnel; parametric modeling; deformation monitoring

0 引言

地鐵隧道建成后，如何對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)、維護(hù)成了城市發(fā)展的重中之重。隧道表面滲水，隧道壁形變、位移和開(kāi)裂等，如未經(jīng)及時(shí)處理，均會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的坍塌事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)地鐵隧道，尤其是部分較為年久的隧道進(jìn)行準(zhǔn)確高效的監(jiān)測(cè)維護(hù)工作極其重要[1]。

在隧道監(jiān)測(cè)工作之后，需要將大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，方便后續(xù)計(jì)算及分析的進(jìn)行。傳統(tǒng)的地鐵隧道監(jiān)測(cè)信息管理方式通常采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，將監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行存儲(chǔ)管理，例如：王麗華等[2]開(kāi)發(fā)了分布式的隧道監(jiān)測(cè)信息管理和預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)信息的存儲(chǔ)、處理、查詢、數(shù)據(jù)自動(dòng)化輸出及預(yù)警。這種管理方式并沒(méi)有將監(jiān)測(cè)信息與地鐵隧道的物理結(jié)構(gòu)屬性對(duì)應(yīng)，也就是空間數(shù)據(jù)（物理結(jié)構(gòu)屬性）與屬性數(shù)據(jù)（監(jiān)測(cè)信息）沒(méi)有相互關(guān)聯(lián)，如果只是孤立地分析屬性信息得出的結(jié)果具有片面性[3-4]。BIM（building information modeling，建筑信息模型） 技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性和全生命周期性等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，大量學(xué)者正在從事BIM 技術(shù)與隧道結(jié)合的應(yīng)用研究，黃廷等[5]建立了基于BIM的隧道管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)可視化的隧道運(yùn)維管理;劉訓(xùn)房[6]開(kāi)發(fā)了基于BIM的隧道動(dòng)態(tài)施工信息系統(tǒng)，對(duì)隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);武勝林等[7]將BIM技術(shù)用于隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息化分析，取得了較好的效果。本文以某市地鐵隧道保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，基于BIM技術(shù)開(kāi)發(fā)了監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息與模型的關(guān)聯(lián)，不僅提高了數(shù)據(jù)的可視化程度，而且為后續(xù)分析的結(jié)果更加全面、準(zhǔn)確提供技術(shù)支撐。

1 地鐵隧道 BIM 模型構(gòu)建

BIM是具有可視化、協(xié)調(diào)性和全生命周期性的一種管理模型，以建筑工程項(xiàng)目各項(xiàng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于數(shù)字信息仿真構(gòu)建建筑物真實(shí)信息，為建筑從業(yè)者提供一個(gè)數(shù)據(jù)處理及信息共享的平臺(tái)[8-10]。

基于BIM技術(shù)開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，將監(jiān)測(cè)信息集成于BIM模型上，并與隧道的物理屬性信息相關(guān)聯(lián)，為解決隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)抽象和變形分析“孤立”等問(wèn)題提供有效途徑[11-14]。

本文采用Autodesk公司的Revit（三維參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)工具）軟件進(jìn)行隧道BIM模型的構(gòu)建。Revit全面創(chuàng)新的概念設(shè)計(jì)功能帶來(lái)的易用工具，能夠輔助用戶進(jìn)行自由形狀建模和參數(shù)化設(shè)計(jì)[15-16]。根據(jù)隧道周?chē)h(huán)境的不同，地鐵隧道開(kāi)鑿的方法也會(huì)有所不同，地鐵隧道開(kāi)鑿主要分為明挖法、暗挖法和盾構(gòu)法。本文所依托的地鐵隧道保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目所處長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，地表建筑密集，使用盾構(gòu)法開(kāi)鑿隧道處較多，故模型搭建以盾構(gòu)隧道為例。模型構(gòu)建步驟分為3步：定線、定參和建模，如圖1所示。

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)參數(shù)，分類(lèi)提取出隧道中線各點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，而后將中線各點(diǎn)添加到CAD中，利用CAD做出隧道中線的平面線及縱斷線，如圖2所示。

在得到隧道中心線數(shù)據(jù)后，進(jìn)行盾構(gòu)排版，設(shè)置隧道高程、管片寬度、管片楔形量（錐度）和盾構(gòu)直徑等，并與實(shí)際隧道盾構(gòu)面進(jìn)行比對(duì)。在確認(rèn)結(jié)果無(wú)誤后執(zhí)行程序，程序?qū)⒆詣?dòng)進(jìn)行隧道盾構(gòu)面參數(shù)排版，并用于后續(xù)的隧道盾構(gòu)面生成，建模過(guò)程如圖3—圖5所示。

在Revit軟件中，根據(jù)不同盾構(gòu)管片參數(shù)構(gòu)建管片族庫(kù)，然后根據(jù)隧道中心參數(shù)導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的管片族庫(kù)。選擇自動(dòng)搭建盾構(gòu)隧道選項(xiàng)，進(jìn)行盾構(gòu)管片的自動(dòng)生成。生成結(jié)果如圖6所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

地鐵隧道監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)要完成的任務(wù)是通過(guò)使用已有的計(jì)算機(jī)軟硬件、開(kāi)發(fā)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)等資源，來(lái)設(shè)計(jì)并且開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)收集、管理、分析一體化的信息管理系統(tǒng)，為用戶進(jìn)行相關(guān)變形分析提供技術(shù)支持[17-19]。系統(tǒng)功能需求是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的核心動(dòng)力，完善的需求有助于系統(tǒng)的人性化、性能化實(shí)現(xiàn)。基于實(shí)際工程應(yīng)用需求，系統(tǒng)的主要功能分為以下幾個(gè)模塊：系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、監(jiān)測(cè)信息模塊和上層應(yīng)用模塊，如圖7所示[20]。

（1）系統(tǒng)管理模塊：包括用戶信息及項(xiàng)目信息管理。用戶信息包括用戶名、姓名、部門(mén)及權(quán)限等信息;項(xiàng)目信息包括項(xiàng)目所在地、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和監(jiān)測(cè)設(shè)備等信息。

（2）數(shù)據(jù)分析模塊：根據(jù)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行形變量計(jì)算;對(duì)形變量進(jìn)行預(yù)處理;結(jié)合BIM模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（3）監(jiān)測(cè)信息模塊：原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及隧道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理。

（4）上層應(yīng)用模塊： BIM模型的管理;基于BIM模型變形信息的可視化展示;根據(jù)變形信息生成各類(lèi)圖表、曲線;根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行變形預(yù)警信息的推送。

2.2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，系統(tǒng)基于Visual Studio平臺(tái)，采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，隧道監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，隧道BIM模型采用Autodesk公司的Revit軟件進(jìn)行構(gòu)建，BIM模型與監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)基于 Unity 平臺(tái)中的Unity 3D引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)。按照整體性和一致性原則進(jìn)行系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)從邏輯上分為：數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層及應(yīng)用層，如圖8所示。

（1）數(shù)據(jù)層是在收集隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)、屬性信息及采集變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)管理。主要包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、BIM 模型數(shù)據(jù)、 隧道屬性數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運(yùn)行管理數(shù)據(jù)，運(yùn)行管理數(shù)據(jù)包括操作日志數(shù)據(jù)、用戶管理數(shù)據(jù)和項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)等[21-22]。

（2）平臺(tái)層即整個(gè)系統(tǒng)的信息支撐平臺(tái)，系統(tǒng)是在Visual Studio平臺(tái)之上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，平臺(tái)層通過(guò)融合Revit平臺(tái)的模型管理技術(shù)及Unity 3D引擎技術(shù)，可將BIM模型與監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行集成關(guān)聯(lián)[23]。

（3）應(yīng)用層是最終用戶與系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行交互訪問(wèn)的一個(gè)平臺(tái)，是用戶最能直觀感受，并進(jìn)行操作的界面平臺(tái)。

3 工程應(yīng)用

以某市地鐵隧道保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，介紹本系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用。該運(yùn)營(yíng)地鐵隧道附近正在新建一條快速公路，為了監(jiān)控公路施工對(duì)地鐵隧道運(yùn)營(yíng)的影響，需要對(duì)臨近地鐵隧道區(qū)域進(jìn)行保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)方式采用徠卡TM30測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量非常龐大。

采用本系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理分析，系統(tǒng)主界面如圖9所示，主界面包含隧道屬性信息管理、點(diǎn)位數(shù)據(jù)管理、形變量計(jì)算及查詢、模型展示等菜單。

（1）文件菜單主要負(fù)責(zé)用戶信息及項(xiàng)目信息的錄入。

（2）編輯菜單用于對(duì)用戶信息及項(xiàng)目信息進(jìn)行編輯管理。

（3）隧道屬性信息菜單屬于監(jiān)測(cè)信息管理模塊，負(fù)責(zé)對(duì)隧道相關(guān)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入、修改、刪除等管理功能。

（4）點(diǎn)位數(shù)據(jù)菜單屬于監(jiān)測(cè)信息管理模塊，負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備信息及原始觀測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、修改和刪除等。

（5）形變量計(jì)算及查詢菜單屬于數(shù)據(jù)分析模塊，包含形變量計(jì)算、分析、處理及查詢等功能。

（6）模型展示菜單屬于上層應(yīng)用模塊，主要實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)隧道BIM模型及關(guān)聯(lián)于模型上的各類(lèi)變形信息進(jìn)行全方位的瀏覽。

系統(tǒng)部分功能應(yīng)用如圖10—圖13所示。系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用SQLsever（關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)）數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理，自動(dòng)計(jì)算形變量，繪制各類(lèi)過(guò)程曲線，便于變形分析人員進(jìn)行形變規(guī)律的可視化分析。系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)信息與BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步提升了變形信息的可視化程度，實(shí)現(xiàn)變形信息的圖形化瀏覽和查詢，同時(shí)，變形分析人員可以將變形信息與隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)（管片號(hào)、管片寬度、管片楔形量等）進(jìn)行結(jié)合，為提高分析的準(zhǔn)確性提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

本文通過(guò)引入BIM技術(shù)構(gòu)建了地鐵隧道模型，綜合利用Visual Studio 、Unity 3D 平臺(tái)及SQLsever數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行地鐵隧道監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于工程實(shí)踐。主要結(jié)論如下。

（1）研究BIM應(yīng)用平臺(tái)，使用Revit軟件運(yùn)用參數(shù)化與自適應(yīng)特性建立隧道構(gòu)件族庫(kù)，針對(duì)工程實(shí)例隧道參數(shù)進(jìn)行模型拼裝，實(shí)現(xiàn)隧道BIM模型的參數(shù)化建模。

（2）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了地鐵隧道監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)。針對(duì)工程實(shí)踐需求進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用SQLsever數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)及監(jiān)測(cè)信息的存儲(chǔ)，利用Unity 3D 平臺(tái)對(duì)BIM模型與監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最后基于Visual Studio 平臺(tái)，采用C#編程語(yǔ)言進(jìn)行了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

（3）依托某市地鐵隧道保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用。以BIM模型為可視化基礎(chǔ)，增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)信息表達(dá)的直觀效果，通過(guò)監(jiān)測(cè)信息與BIM模型中的隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)聯(lián)，使得監(jiān)測(cè)信息和隧道空間結(jié)構(gòu)不再孤立，用戶能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)信息與地鐵隧道的物理特性與功能特性進(jìn)行時(shí)空關(guān)聯(lián)分析，為提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性提供技術(shù)支撐。

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