隧道機(jī)械化施工中工程數(shù)字化建造配套技術(shù)

摘要：為了解決在隧道項(xiàng)目施工中出現(xiàn)的問(wèn)題，如海量工程資料缺少儲(chǔ)存管理，且管理的效率低下等，某隧道工程項(xiàng)目利用GIS/BIM技術(shù)進(jìn)行隧道數(shù)字化的建造，將隧道中海量工程資料進(jìn)行歸類(lèi)和整合，最后整理成數(shù)據(jù)字典，并建立一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。將CAD轉(zhuǎn)化為ArcGIS，將二維平面圖像以專(zhuān)題圖的方式展現(xiàn)出來(lái)，并生成隧道工程項(xiàng)目的底圖和數(shù)字化目標(biāo)。采用GIS和BIM技術(shù)相結(jié)合的方法，利用GIS/BIM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)檢索等一體化的綜合應(yīng)用，確保隧道施工的安全。

關(guān)鍵詞：隧道工程；工程數(shù)據(jù)；數(shù)字化；配套

0" "引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)隧道工程建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多。相對(duì)于其他土建設(shè)施來(lái)說(shuō)，隧道工程中的地質(zhì)狀況比較復(fù)雜，周?chē)鷰r土介質(zhì)不確定性因素非常大，不便于相關(guān)工作人員分析問(wèn)題。

數(shù)字化技術(shù)是近年來(lái)在隧道工程建設(shè)中比較重要的研究領(lǐng)域之一，它以人們比較容易感知的三種圖像描述隧道模型、勘察信息、監(jiān)測(cè)信息，能夠更加直觀，美觀地展現(xiàn)隧道工程建設(shè)情況。

在隧道項(xiàng)目施工中應(yīng)用數(shù)據(jù)化機(jī)械設(shè)備，能夠有效提升整體項(xiàng)目建設(shè)的效率，有效推動(dòng)公路隧道建設(shè)的進(jìn)度，同時(shí)設(shè)備自身的成本低，能夠?yàn)楣匪淼榔髽I(yè)節(jié)省項(xiàng)目成本。本文結(jié)合具體的施工案例，全方位對(duì)公路隧道施工的數(shù)據(jù)化建設(shè)技術(shù)進(jìn)行了探索。

1" "工程概況

某隧道右幅隧道全長(zhǎng)11520m，左幅隧道全長(zhǎng)11430m，為分離式的長(zhǎng)隧道，穿越Ⅲ、Ⅳ和Ⅲ級(jí)的圍巖層。其主要結(jié)構(gòu)和坡度各分為9種斷面類(lèi)型，左右幅隧道間設(shè)置了行人和車(chē)輛通行，共6種不同的斷面類(lèi)型。整個(gè)隧道采用鉆孔爆破法，由入口和出口相向進(jìn)行施工，共分4個(gè)標(biāo)段。

該公路隧道埋設(shè)深度最深的高達(dá)1259.03m，從古生界地質(zhì)層穿越到新生界地質(zhì)層，其跨越的地質(zhì)歷史年限比較大，水文狀況和地質(zhì)狀況復(fù)雜多變。該隧道建造工程北向地勢(shì)高，南向地勢(shì)低，高山和陡坡分布多，其山體和河道的流向呈現(xiàn)北西方向，隧道里的地貌屬于切割中山斜坡、侵蝕溶蝕中山的地質(zhì)構(gòu)造。該隧道工程地質(zhì)構(gòu)造種類(lèi)多，建造安全隱患大。

2" "工程數(shù)字化建造配套技術(shù)應(yīng)用

2.1" " 信息分類(lèi)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)

公路隧道工程的資料來(lái)源非常豐富，涉及設(shè)計(jì)，施工，操作、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)方面。通過(guò)大量的調(diào)查，并結(jié)合隧道工程，將公路隧道建設(shè)所需的大量工程資料分為五大類(lèi)：地勢(shì)地質(zhì)、周?chē)h(huán)境、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建筑施工、施工監(jiān)測(cè)。每一大類(lèi)都是一階、二階、三階分類(lèi)和信息節(jié)點(diǎn)。以地理地質(zhì)資料為例，可將其劃分為工程地質(zhì)與水文地質(zhì)兩大類(lèi)。在此公路隧道工程建設(shè)的基礎(chǔ)上，將工程地質(zhì)分為調(diào)繪與勘察兩大類(lèi)，它們都是由若干層次的分類(lèi)法和信息結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的。

為實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、全面性和易用性的組織、存儲(chǔ)和交換，本文使用AGS的數(shù)據(jù)傳輸與交換格式，組成一組包含目標(biāo)所有屬性的公路隧道工程資料詞典的資料表格。數(shù)據(jù)詞典中的數(shù)據(jù)表與信息節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，指定數(shù)據(jù)單位、類(lèi)型等。

數(shù)據(jù)表對(duì)3個(gè)領(lǐng)域的狀態(tài)進(jìn)行了定義，以區(qū)分不同領(lǐng)域的重要性。依據(jù)隧道的實(shí)際工程數(shù)據(jù)，按相關(guān)的儲(chǔ)存規(guī)則進(jìn)行記錄。舉例說(shuō)明勘測(cè)鉆孔的基本數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表格的關(guān)鍵字段中，使用數(shù)字ID的1、2、3，輸入整數(shù)類(lèi)型。需要輸入“探查孔”的名字，并輸入字符X。如2DP表示一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，這個(gè)類(lèi)型只有兩個(gè)小數(shù)點(diǎn)。DT代表日期、時(shí)間類(lèi)型。在此基礎(chǔ)上，將環(huán)境、地質(zhì)、設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)、施工等方面的資料輸入到SQLServer中，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用到云計(jì)算平臺(tái)上[1]。

2.2" " GIS/BIM模型

2.2.1" "GIS模型

CAD是一種非常適合于數(shù)字繪圖的軟件，它具有很強(qiáng)的編輯和處理能力。目前，我國(guó)的測(cè)繪機(jī)構(gòu)大多采用CAD技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)地理資料的收集。在ArcGIS中，通過(guò)對(duì)CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，使CAD數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合。ArcGIS的構(gòu)建主要是將DWG文件轉(zhuǎn)化為ArcGIS中的SHP，實(shí)現(xiàn)DWG中各個(gè)實(shí)體的“點(diǎn)、線(xiàn)、面”的轉(zhuǎn)化。例如，點(diǎn)元通常是一個(gè)實(shí)體對(duì)象，它突出了地理位置，但忽略了其實(shí)際的尺寸和形狀，如鉆孔、監(jiān)測(cè)點(diǎn)和圈點(diǎn)。而線(xiàn)要素則是有形的，如隧道的軸線(xiàn)和河流。表層要素則是指具有特定區(qū)域的地層、水環(huán)境保護(hù)、蓄水池等。DWG文件中使用SHP格式的點(diǎn)元進(jìn)行存儲(chǔ)，以方便ArcGIS的輸出[2]。

采用ArcGIS的二維模型，將CAD數(shù)據(jù)以圖層的方式存儲(chǔ)在ArcGIS中。TPK文件是在無(wú)互動(dòng)的層產(chǎn)生的，這是一個(gè)工程地圖，例如隧道軸圖層。從地理基本圖中分離出需要進(jìn)行交互處理的數(shù)字物體（例如監(jiān)測(cè)點(diǎn)、鉆孔等），將ID屬性信息添加到屬性表格中，然后映射到數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而產(chǎn)生Geodatabase文件。然后，將TPK與數(shù)字對(duì)象相結(jié)合，建立了一個(gè)基于層次可視的二維GIS模型。

2.2.2" "BIM模型

目前隧道BIM的建模主要有兩種：一是利用BIM技術(shù)對(duì)隧道進(jìn)行建模。二是將BIM軟件結(jié)合編程方法建立隧道模型。為了使模型的重復(fù)性能增加，采用Revit方法建立隧道結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型。把隧道結(jié)構(gòu)的模型定義3個(gè)LOD級(jí)別，以改善模型的重復(fù)性。

LOD100是一個(gè)設(shè)計(jì)階段，它反映了全線(xiàn)的線(xiàn)路走向等；LOD200是基于LOD100的初步方案，著重于不同的襯砌截面尺寸；LOD300為設(shè)計(jì)階段，主要介紹錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架等的施工技術(shù)，并以L(fǎng)OD100、LOD200為主要內(nèi)容。例如，LOD200相應(yīng)的二次襯砌裝置，應(yīng)用Revit中的放樣方法，將襯砌截面引入CAD繪圖。在曲線(xiàn)交叉點(diǎn)畫(huà)出與之相交的基準(zhǔn)面，并增加相應(yīng)的編號(hào)，見(jiàn)圖1。所建立的隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型單元包括直線(xiàn)襯砌、曲線(xiàn)襯砌、錨桿、鋼拱架、鋼筋籠、排水管與路面結(jié)構(gòu)等。

在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展背景下，三維地質(zhì)模型在地質(zhì)勘探中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)行三維建模與工程數(shù)據(jù)整合時(shí)，必須將Revit屬性與Revit屬性相分離。向Revit中加入ID，在SQLServer中保存Revit的屬性資訊。采用FBX文件，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)單元、鉆孔單元、地層單元等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

在此基礎(chǔ)上，采用C#技術(shù)，對(duì)地下通道的縱向資料進(jìn)行拼接，給出不同LOD條件下隧道結(jié)構(gòu)模型。然后對(duì)斷層和軟弱結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)力學(xué)特性進(jìn)行全面分析，并給出實(shí)際工程中應(yīng)用的各種力學(xué)指標(biāo)。

將此腳本加入U(xiǎn)nity軟件，可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：第一，在此模型中添加了一個(gè)漫游的腳本，讓其能夠在多種情況下進(jìn)行任意的全景轉(zhuǎn)換；第二，對(duì)所述分類(lèi)模型進(jìn)行特征分析；第三，在需要互動(dòng)狀態(tài)下，增加一個(gè)可以突出顯示的互動(dòng)腳本。完成上述一系列操作后，發(fā)布系統(tǒng)需要的Unity3D文件。

3" "集成與應(yīng)用

3.1" " 系統(tǒng)架構(gòu)

在iS3平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的公路隧道數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用框架層和應(yīng)用層等四個(gè)層次，如圖2所示。數(shù)據(jù)層提供數(shù)據(jù)規(guī)范格式，可以進(jìn)行各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)、BIM和GIS等數(shù)據(jù)的連接。服務(wù)層提供數(shù)據(jù)存取部件，利用WebAPI對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行增、改、刪、查，以及各種數(shù)據(jù)的分析。

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(yǔ)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(shí)際應(yīng)用需求設(shè)計(jì)應(yīng)用。本系統(tǒng)主要面向公路隧道工程設(shè)計(jì)與施工階段，包括業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工等相關(guān)工程人員[3]。

3.2" " 數(shù)據(jù)集成

將GIS/BIM與屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和關(guān)聯(lián)，有效對(duì)大量的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化管理。在數(shù)據(jù)屬性方面，基于現(xiàn)有的隧道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，大量的工程資料被儲(chǔ)存起來(lái)。

在幾何模型方面，本文使用ArcGISRuntimeSDKfor.NET作為GIS二維圖形繪制引擎。最后，將此模型裝載到iS3-Config中，并整合關(guān)鍵字段ID，與GIS、BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

3.3" " 數(shù)據(jù)管理

隧道施工過(guò)程地勢(shì)條件多變，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生了許多隧道過(guò)程數(shù)據(jù)信息。龐雜的數(shù)據(jù)信息，給相關(guān)過(guò)程人員施加了較大工作壓力，如何高效地整理隧道工程數(shù)據(jù)、保管數(shù)據(jù)成為數(shù)據(jù)信息錄入人員最為關(guān)注的問(wèn)題。在互聯(lián)網(wǎng)+背景下，利用信息化手段進(jìn)行數(shù)據(jù)信息管理是企業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果。

現(xiàn)階段，在隧道數(shù)據(jù)管理體系中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了GIS/BIM一體化聯(lián)動(dòng)的數(shù)據(jù)錄入功能，工作人員可以實(shí)時(shí)進(jìn)行信息查詢(xún)，有效提升了工作效率。

3.3.1" "GIS/BIM一體化聯(lián)動(dòng)

一般隧道數(shù)據(jù)庫(kù)中，存放著隧道項(xiàng)目屬性信息、二維成像CIS圖文以及三維成像BIM圖文等，將隧道數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存的信息移動(dòng)到公路隧道數(shù)據(jù)化管理程序中，程序會(huì)開(kāi)啟自動(dòng)化信息處理服務(wù)，將多項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合，最終呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)集合模型便是GIS/BIM一體化聯(lián)動(dòng)。

3.3.2" "隧道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)儲(chǔ)備

公路隧道數(shù)據(jù)化管理程序中涉及地勢(shì)地質(zhì)、周?chē)h(huán)境、工程施工、項(xiàng)目設(shè)計(jì)以及施工檢測(cè)多個(gè)方面的內(nèi)容。現(xiàn)階段，倘若依舊采用傳統(tǒng)的在線(xiàn)上表格中錄入項(xiàng)目數(shù)據(jù)的方式，會(huì)給相關(guān)工作人員造成巨大的工作壓力。

對(duì)數(shù)據(jù)程序進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)增添一鍵式數(shù)據(jù)，增添刪除、信息數(shù)據(jù)快速查詢(xún)、數(shù)據(jù)上傳自動(dòng)導(dǎo)入等工具，數(shù)據(jù)相關(guān)管理人員便可以實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入以及存儲(chǔ)。這不僅減輕了數(shù)據(jù)管理人員的工作壓力，同時(shí)減少了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.3" "實(shí)時(shí)查詢(xún)功能

隧道工程項(xiàng)目施工中會(huì)產(chǎn)生大量的視頻、圖片，比如隧道施工進(jìn)度視頻、隧道施工項(xiàng)目圖片等。為最大化地滿(mǎn)足隧道施工工作人員的需求，數(shù)據(jù)程序在原有基礎(chǔ)上，針對(duì)施工“圖片”及“視頻”進(jìn)行處理，在程序中增添子模塊，為圖片以及視頻數(shù)據(jù)提供專(zhuān)項(xiàng)儲(chǔ)存位置，能夠?yàn)樗淼朗┕すぷ魅藛T提供實(shí)時(shí)施工進(jìn)度查詢(xún)、施工圖紙資料調(diào)取等便捷化服務(wù)。

例如，點(diǎn)擊施工視頻選項(xiàng)，GIS與BIM模型中施工視頻所對(duì)應(yīng)的實(shí)際里程樁號(hào)位置，將分別出現(xiàn)視頻圖標(biāo)。點(diǎn)擊GIS模型或BIM模型中的視頻圖標(biāo)，選擇打開(kāi)視頻，即可調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)施工視頻。

4" "結(jié)語(yǔ)

公路隧道項(xiàng)目施工環(huán)節(jié)中會(huì)涉及海量的數(shù)據(jù)信息，倘若數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)存，極為容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，嚴(yán)重者會(huì)給企業(yè)造成不可逆的經(jīng)濟(jì)財(cái)務(wù)損失。針對(duì)公路隧道施工環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，結(jié)合公路隧道數(shù)據(jù)化管理程序建設(shè)信息節(jié)點(diǎn)，制定了體系化的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理制度，有效提升了數(shù)據(jù)管理的效率。

通過(guò)對(duì)二維成像GIS以及三維成像BIM進(jìn)行數(shù)據(jù)屬性分類(lèi)，增添了“圖片”、“視頻”的存儲(chǔ)管理子模塊，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)公路隧道不同來(lái)源的數(shù)據(jù)的整合提供了先例。在公路隧道數(shù)據(jù)化管理程序基礎(chǔ)上，建立隧道項(xiàng)目數(shù)據(jù)以及GIS/BIM模型的體統(tǒng)關(guān)聯(lián)，面對(duì)海量的施工數(shù)據(jù)，在程序與GIS/BIM模型的配合下，有效推動(dòng)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)儲(chǔ)存以及查詢(xún)功能的研發(fā)，降低了數(shù)據(jù)丟失或錄入失誤的現(xiàn)象，有效提升了數(shù)據(jù)管理效率。

參考文獻(xiàn)

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