魏興國 柴金飛 李堯

1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司 原平分公司， 山西 原平 034100；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

快速準(zhǔn)確建立建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是項(xiàng)目管理信息化的核心和方向，為項(xiàng)目管理提供了一種新的模式和思路，同時(shí)能夠有效提高項(xiàng)目進(jìn)度和效率，控制項(xiàng)目成本，降低施工和安全風(fēng)險(xiǎn)［1］。

周穎［2］提出了基于BIM的數(shù)字化協(xié)同管理體系的實(shí)施策略。蔣海里等［3］將基于BIM + GIS（Geographic Information System）的三維圖形引擎應(yīng)用到閔浦三橋的施工中。孟飛等［4］從組織機(jī)構(gòu)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工程應(yīng)用和軟件支持四個(gè)方面闡述了我國鐵路BIM的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了影響鐵路BIM發(fā)展的關(guān)鍵因素。王建秀等［5］對(duì)BIM的應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定、軟件開發(fā)、技術(shù)人員培養(yǎng)以及BIM在地下空間工程中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。羅軍等［6］利用GIS + BIM技術(shù)對(duì)建筑物設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化、分析處理和三維建模，實(shí)現(xiàn)了BIM模型的可視化。韓寶劍等［7］基于BIM +GIS數(shù)據(jù)集成技術(shù)，搭建了一體化的京雄城際鐵路四電施工管理平臺(tái)。閆嘯坤等［8］解決了橋梁快速建模、BIM與GIS融合等關(guān)鍵技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了橋梁設(shè)備的三維可視化。

但是由于目前各類BIM軟件中的隧道構(gòu)件庫僅具備存儲(chǔ)和展示管理功能，無法與實(shí)際構(gòu)件后期應(yīng)用進(jìn)行信息交互，極大影響了構(gòu)件庫的應(yīng)用價(jià)值。隧道BIM往往忽略了隧道周邊地質(zhì)信息。隧道地質(zhì)模型、結(jié)構(gòu)模型、傾斜攝影模型與GIS圖像的融合程度較低，隧道設(shè)備BIM + GIS展示平臺(tái)尚不完善。針對(duì)上述問題，本文確定了隧道構(gòu)件的編碼方式，探討了運(yùn)營重載鐵路隧道BIM快速建模技術(shù)和基于BIM + GIS的隧道設(shè)備服役狀態(tài)信息集成方法。

1 運(yùn)營重載鐵路隧道BIM快速構(gòu)建技術(shù)

設(shè)計(jì)和施工階段BIM涵蓋的信息不全，沒有包含隧道運(yùn)維期間結(jié)構(gòu)變形、環(huán)境參數(shù)等必要元素以及各元素之間的關(guān)系。這些參數(shù)來源于不同的數(shù)據(jù)源。通過定義各數(shù)據(jù)間的關(guān)系來進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，并與BIM結(jié)合，形成全面、完整的運(yùn)維數(shù)據(jù)庫。

為了將運(yùn)維信息與BIM精確對(duì)接，進(jìn)行可視化展示，對(duì)隧道構(gòu)件進(jìn)行了實(shí)體編碼，使每個(gè)隧道構(gòu)件模型對(duì)應(yīng)唯一的編碼。

根據(jù)重載鐵路隧道特點(diǎn)，通過收集隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙等技術(shù)資料，建立了不同地質(zhì)條件下典型隧道BIM的構(gòu)件庫（見圖1），實(shí)現(xiàn)了典型隧道區(qū)段BIM的快速構(gòu)建。結(jié)合鐵路隧道劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，建立了典型隧道病害庫，對(duì)構(gòu)件名稱、病害類型等信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，不僅為隧道病害的標(biāo)準(zhǔn)化描述和統(tǒng)計(jì)提供了支撐，也為病害自動(dòng)識(shí)別和評(píng)估分析提供了條件。

圖1 典型隧道BIM的構(gòu)件庫

典型隧道構(gòu)件庫的構(gòu)建思路：

1）對(duì)構(gòu)件幾何尺寸進(jìn)行分析或提取，構(gòu)建參數(shù)化的構(gòu)件模型。

2）歸集整理每種構(gòu)件類型包含的屬性信息，從身份描述、定位信息、幾何信息、技術(shù)信息、組織角色、項(xiàng)目信息、生產(chǎn)信息、資產(chǎn)信息、運(yùn)維信息等方面對(duì)信息進(jìn)行定義，形成構(gòu)件屬性信息標(biāo)準(zhǔn)。

3）通過分類創(chuàng)建構(gòu)件表和屬性表，對(duì)構(gòu)件分類編碼、有序存儲(chǔ)。隧道構(gòu)件編碼采用組合碼，由9部分42位代碼組成。具體包括：?jiǎn)挝淮a（5位）、線路代碼（4位）、行別代碼（2位）、線別代碼（2位）、運(yùn)營管理方式代碼（1位）、位置代碼（11位）、長(zhǎng)短鏈標(biāo)記（1位）、設(shè)施設(shè)備代碼（12位）、序號(hào)代碼（4位）。其中設(shè)施設(shè)備代碼按照專業(yè)屬性分類，逐層劃分編制代碼，采用6層12位代碼表示，如表1所示。

表1 設(shè)施設(shè)備代碼編制示例

4）以分類編碼為關(guān)聯(lián)手段，建立隧道結(jié)構(gòu)樹狀組織關(guān)系，并將隧道構(gòu)件與病害庫進(jìn)行內(nèi)部關(guān)聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)相應(yīng)內(nèi)容的自動(dòng)識(shí)別讀取，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件庫的創(chuàng)建與調(diào)用，進(jìn)而與線路平縱曲線關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)隧道BIM的快速構(gòu)建。

通過構(gòu)建典型隧道構(gòu)件庫和收集整理地質(zhì)信息，實(shí)現(xiàn)典型隧道BIM（圖2）和地質(zhì)模型（圖3）的快速構(gòu)建。

圖2 典型隧道BIM

圖3 典型隧道地質(zhì)模型

2 基于BIM+GIS的重載鐵路隧道設(shè)備服役狀態(tài)信息集成方法

重載鐵路隧道工程具有長(zhǎng)距離、環(huán)境復(fù)雜、與地形地貌關(guān)系密切等特點(diǎn)，將BIM、地質(zhì)模型、GIS數(shù)據(jù)、多源檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可實(shí)現(xiàn)基于BIM + GIS的重載鐵路隧道設(shè)備服役狀態(tài)信息集成和對(duì)隧道BIM中構(gòu)件的精細(xì)化管理。

BIM與GIS的數(shù)據(jù)集成可通過系統(tǒng)集成和應(yīng)用集成來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用過程中可通過BIM與GIS數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)信息集成。運(yùn)維管理工作對(duì)模型精度要求不高，但對(duì)數(shù)據(jù)集成、系統(tǒng)集成的要求較高，因此考慮采用GIS引擎來統(tǒng)一管理BIM數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)兩者的融合。

通過實(shí)例化技術(shù)、細(xì)節(jié)層次技術(shù)、輕量化技術(shù)和三維緩存技術(shù)等多種技術(shù)，對(duì)BIM性能進(jìn)行優(yōu)化，解決精細(xì)化BIM在大場(chǎng)景展示時(shí)占用存儲(chǔ)資源大、加載卡頓等問題。同時(shí)利用WebGL技術(shù)，通過調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)底層圖形處理單元實(shí)現(xiàn)圖形的三維可視化渲染。

具體集成方法如下：

1）選擇GIS平臺(tái)

結(jié)合隧道設(shè)備的管理需求和前期調(diào)研情況，選擇SuperMap系統(tǒng)作為GIS平臺(tái)。

2）鐵路隧道多源數(shù)據(jù)分類

隧道設(shè)備服役狀態(tài)信息集成是把不同來源、特點(diǎn)、格式及性質(zhì)的數(shù)據(jù)集中與共享。鐵路隧道設(shè)備數(shù)據(jù)分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為隧道臺(tái)賬信息及其關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為：①采用固定格式的文本文檔、電子表格等方式記錄的隧道運(yùn)營和施工單位采集的數(shù)據(jù)；②檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的圖像照片、視頻流、語音包等數(shù)據(jù)信息。

3）多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成

在運(yùn)維BIM中，構(gòu)件單元作為隧道結(jié)構(gòu)劃分的最低層級(jí)，是多源異構(gòu)數(shù)據(jù)傳遞、集成、融合和流轉(zhuǎn)的基本載體。因此，在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成過程中，可將一部分?jǐn)?shù)據(jù)基于BIM直接寫入，其余數(shù)據(jù)通過關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫寫入。

4）鐵路隧道設(shè)備綜合管理模塊研發(fā)

重載鐵路隧道設(shè)備綜合管理模塊（圖4）分為設(shè)備信息管理、檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示（圖5）兩個(gè)子模塊。

圖4 重載鐵路隧道設(shè)備綜合管理模塊界面

圖5 檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示界面

①設(shè)備信息管理子模塊

設(shè)備信息管理子模塊具有GIS地圖瀏覽、隧道信息雙向查詢、快速定位、BIM展示、整條隧道信息展示、工點(diǎn)信息展示、監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)展示等功能。

GIS地圖瀏覽：具有放大和縮小功能，通過分級(jí)加載技術(shù)無縫切換BIM及傾斜攝影模型。

隧道信息雙向查詢：在查詢文本框中填入查詢內(nèi)容（隧道名稱、隧道號(hào)、中心里程、管段等），點(diǎn)擊“查詢”按鈕，查詢結(jié)果高亮顯示，地圖自動(dòng)縮放到包含所有查詢結(jié)果的范圍；點(diǎn)擊“圖查詢”按鈕只需將鼠標(biāo)移至地圖中隧道所在地點(diǎn)，在鼠標(biāo)下方會(huì)顯示此隧道的名稱，系統(tǒng)左下方顯示其相關(guān)的基本信息，鼠標(biāo)單擊即可進(jìn)入隧道詳細(xì)信息頁面。

快速定位：從查詢樹中點(diǎn)擊“隧道名稱”按鈕，如果該隧道處于當(dāng)前地圖區(qū)域，則直接閃爍顯示；否則地圖先自動(dòng)縮放到包含該隧道區(qū)域，再閃爍顯示。

整條隧道信息展示：基于GIS地圖，對(duì)區(qū)段內(nèi)整條隧道病害進(jìn)行展示，通過BIM關(guān)聯(lián)設(shè)備臺(tái)賬信息、病害以及評(píng)估、整治、竣工資料等信息；不同種類信息勾選種類后，會(huì)彈出浮窗顯示；區(qū)段信息可以用表格形式導(dǎo)出。

工點(diǎn)信息展示：針對(duì)隧道病害進(jìn)行展示，具備病害類型篩選展示功能，典型病害以浮窗展示；病害庫和工點(diǎn)信息均可以表格形式導(dǎo)出，隧道的設(shè)計(jì)圖紙、歷史數(shù)據(jù)和病害記錄均可查詢。

②檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示子模塊

該子模塊主要完成基于BIM + GIS的隧道檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展示。用戶可以通過移動(dòng)巡檢應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫對(duì)檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，參見圖5。

3 結(jié)語

本文確定了隧道構(gòu)件的編碼方式，探討了運(yùn)營重載鐵路隧道BIM快速建模技術(shù)和基于BIM + GIS的重載鐵路隧道設(shè)備服役狀態(tài)信息集成方法，構(gòu)建了隧道構(gòu)件庫，建立了典型隧道地質(zhì)模型和結(jié)構(gòu)模型，開發(fā)了隧道地質(zhì)模型、結(jié)構(gòu)模型、傾斜攝影模型與GIS圖像的融合技術(shù)，并根據(jù)朔黃鐵路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開發(fā)了隧道設(shè)備BIM + GIS展示平臺(tái)。