基于 web 和 BIM 技術的運營期地鐵隧道結構質量信息管理系統(tǒng)

劉紀儉，司小東，陳 陽，徐從杰，鄭全鵬

（1. 青島地鐵運營有限公司，山東青島 266100；2. 中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京 100088）

1 引言

近年來，隨著城市的發(fā)展，我國地鐵建設和運營里程也迅速增加[1]。地鐵作為城市居民出行的重要交通方式、使用期限長達100年的建設工程，保障其安全、平穩(wěn)運營十分重要，其中對地鐵隧道進行檢查維護尤為關鍵。

施工階段遺留下的病癥（如結構缺陷、背后空洞等）會導致地鐵隧道結構局部的先天不足[2]，而運營階段周邊建筑施工及隧道結構、設施隨時間的老化將引起地鐵隧道結構受損、變形、滲漏水等病害的發(fā)生[3-6]，從而影響地鐵運營的安全。

為獲取隧道結構的健康狀態(tài)，需要對其進行定期巡檢。目前，地鐵隧道巡檢仍主要采取人工巡檢和手工記錄的傳統(tǒng)方式，存在以下問題。

（1）采用人工巡檢、手工記錄及對部分病害信息拍照留存的方式，效率較低，巡檢結果因人而異，連續(xù)性差。

（2）病害信息采用紙質記錄然后轉成電子表格的形式進行上報，存在匯總收集過程中版本過多和數(shù)據(jù)缺失的情況，導致資料管理十分困難，數(shù)據(jù)沉睡和信息孤島效應顯著，不利于數(shù)據(jù)分享及后期的統(tǒng)計分析、深度挖掘，無法發(fā)揮數(shù)據(jù)的真正價值[5]。

（3）隧道結構的表觀病害和結構性病害信息往往互相割裂，未實現(xiàn)有效融合，不利于病害數(shù)據(jù)關聯(lián)分析和發(fā)展誘因分析。此外，表觀病害信息多采用展開圖的形式進行展示，可視化程度低。

為對隧道結構病害信息、維修保養(yǎng)信息及監(jiān)測信息進行集成和數(shù)據(jù)融合利用，本研究圍繞運營期地鐵隧道結構病害信息化管理這一核心問題，以已有運營期隧道結構質量信息管理系統(tǒng)為借鑒[7-10]，開發(fā)一套基于web和建筑信息模型（BIM）技術的地鐵隧道結構質量信息管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)隧道結構質量信息的便捷查詢及數(shù)據(jù)的高效互聯(lián)互通。

2 系統(tǒng)概述

地鐵隧道結構質量信息管理系統(tǒng)包括web信息管理系統(tǒng)和移動APP客戶端2部分。web信息管理系統(tǒng)作為系統(tǒng)的主體部分，可滿足各種用戶需求，支持全部用戶角色的登錄和業(yè)務處理功能。移動APP客戶端由巡檢人員使用，可完成對現(xiàn)場病害信息的采集，實現(xiàn)電子化巡檢。

2.1 系統(tǒng)功能架構

通過調研不同用戶的需求（如地鐵巡檢人員、管理人員等），吸取已有運營期隧道結構質量信息系統(tǒng)的應用經(jīng)驗，并結合地鐵隧道本身的特點，確定本系統(tǒng)功能架構，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能架構

該系統(tǒng)具備信息錄入與管理、信息查詢、統(tǒng)計分析、可視化等功能模塊。其中，信息錄入與管理模塊可對隧道結構病害、維修保養(yǎng)、變形監(jiān)測等信息進行錄入、導入及管理，對于采用自動化監(jiān)測的項目，可預留自動化監(jiān)測系統(tǒng)接口；信息查詢模塊可查詢病害、維修保養(yǎng)、變形監(jiān)測等信息；統(tǒng)計分析模塊能夠動態(tài)體現(xiàn)各類病害及其處置情況，以及結構變形情況；可視化模塊采用BIM技術對隧道進行建模，實現(xiàn)隧道病害信息的可視化展示。

2.2 系統(tǒng)信息設置

2.2.1 隧道結構位置信息設置

為確保病害信息的標準化表達及病害的快速、準確定位，研發(fā)人員對隧道結構進行了拆分和解析，以實現(xiàn)隧道結構位置信息的準確設定。

在拆分隧道結構時，按照資產(chǎn)管理的理念，采用組織分解結構（OBS）解析方式，參考地鐵隧道結構圖紙及地鐵運營公司隧道結構維修相關的制度文件，按照線路、線路方向、區(qū)間、里程、剖面位置、部位、部件ü從大到小的順序依次對隧道結構進行解析，如圖 2所示。由于不同類型隧道結構的相關信息存在不同，因此在設置結構位置信息時，還與隧道類型進行了關聯(lián)。經(jīng)過上述操作，隧道主體結構被拆分為沿長度方向1 m、橫剖面分6塊的結構單元，附屬結構和附屬設施根據(jù)里程信息與隧道主體結構進行匹配。

圖2 隧道結構解析示例

2.2.2 隧道結構質量基礎信息設置

隧道結構質量基礎信息包括病害信息、維修保養(yǎng)信息、變形監(jiān)測信息，本節(jié)將以病害信息設置為例進行介紹。為實現(xiàn)對病害信息的標準化設置，參照地鐵運營公司隧道結構維修相關制度文件和行業(yè)標準CJJ/T 289-2018《城市軌道交通隧道結構養(yǎng)護技術標準》[11]并以前者為主進行病害信息設置。設置時，按照病害類型、病害等級及評判標準、病害描述、病害照片的順序依次進行，其中病害類型需與工法、部位、部件進行關聯(lián)，如圖3所示。后期，若參考的技術標準進行了修訂，使用人員可根據(jù)權限，在系統(tǒng)設置中對病害類型、病害等級等信息進行相應的添加和修改。

圖3 病害信息組成示例

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 信息錄入

病害信息通常采用錄入和導入2種方式輸入系統(tǒng)：錄入可在APP端和web端進行，導入則通過web端以Excel表格的形式輸入。此外，系統(tǒng)還與第三方隧道快速檢測系統(tǒng)設置接口協(xié)議，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)導入，提高系統(tǒng)的可擴展性。病害信息錄入后，有權限的使用人員可在病害信息管理欄查看其具體位置、類型、等級等屬性信息，并在操作列對其進行處理和修改，如圖4所示。

圖4 病害信息管理頁面

3.2 信息查詢

系統(tǒng)中，除病害信息管理欄可以進行查詢外，還針對只有查看權限沒有修改權限的使用人員單獨設置信息查詢功能欄。

使用人員可根據(jù)隧道結構病害對應的相關信息，進行篩選查詢，并在檢索出的病害信息列表中點擊查看”，進入病害信息詳情頁面。病害信息詳情包括病害基本信息、病害描述、巡檢記錄、維修保養(yǎng)記錄，如圖5所示。通過查看病害信息詳情頁面，可以掌握病害的發(fā)展過程及處置結果，為隧道結構病害原因和發(fā)展規(guī)律分析提供有力的支持。

圖5 病害信息詳情頁面

3.3 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析功能可以實現(xiàn)對病害位置信息、種類、等級等要素規(guī)律的分析，追蹤歷史病害數(shù)量，將病害信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)通過圖表、曲線等形式進行可視化顯示。分析類型包括綜合分析和快捷分析2類：綜合分析涵蓋所有病害屬性信息分析形式，如病害區(qū)間分布分析、病害類型餅狀圖分析等，如圖6所示；便捷分析包括單區(qū)間單病害、多區(qū)間單病害、單區(qū)間多病害等若干快捷圖表分析，旨在以簡化查詢過程。

圖6 病害類型餅狀圖分析頁面

3.4 可視化展示

對于隧道結構病害的展示，以往多采用病害展開圖的形式，不能形象地體現(xiàn)其分布情況。而本系統(tǒng)集成了可視化展示模塊，利用BIM模型的可視化功能，以3D互動形式直觀顯示隧道結構病害的分布、等級等情況，實現(xiàn)了對病害的可視化展示，如圖7所示。

在傳統(tǒng)的展示形式中，隧道結構表觀病害和結構性病害往往是互相割裂的，不利于分析整個隧道結構病害的發(fā)生原因并預測其發(fā)展趨勢。而利用BIM模型對多種病害進行融合展示，并將相關病害信息賦存于隧道結構單元中，可以進行更有效、準確的分析和預測。

隧道結構BIM模型根據(jù)上文中提到的OBS解析信息構建，礦山法和盾構法隧道采用相同模型，明挖法則使用另一種模型。模型中，隧道沿縱向以1 m為單元進行切分，剖面按照左邊墻、右邊墻、左拱腰、右拱腰、拱頂、道床6部分進行切分，與錄入的隧道結構病害位置信息保持一致；此外，還根據(jù)病害等級，用不同的顏色進行標記。使用人員可根據(jù)需要選擇區(qū)間、上下行線、病害類型、分段長度（有100 m、500 m、1 000 m 3種分段長度）、里程范圍等參數(shù)，隨后點擊查詢按鈕，通過鼠標拖拽實現(xiàn)對隧道結構病害的多維度展示和查看。由于病害信息都賦存于隧道結構BIM模型的構件中，因此點擊標記異常的構件可查看相關病害信息并對其進行詳細分析，如圖8所示。

圖8 BIM模型與隧道病害信息互聯(lián)

3.5 移動 APP 客戶端

移動APP客戶端由巡檢人員使用，具備現(xiàn)場病害信息采集錄入、電子化巡檢、信息查詢等功能，如圖9、圖10所示。為更好地服務巡檢人員，開發(fā)人員以方便快捷為原則，進行移動APP客戶端軟件功能開發(fā)。例如，針對病害信息錄入量大的問題，引入輸入聯(lián)想功能；在信息列表中增加區(qū)間篩選和里程排序功能，方便巡檢人員根據(jù)其所在區(qū)間及巡檢方向，對照已經(jīng)存在的問題實現(xiàn)快速巡檢。

圖9 病害信息錄入及錄入結果展示

圖10 病害信息查看和巡檢維修添加功能

4 結語

本研究圍繞地鐵隧道結構病害信息化管理這一核心問題，開發(fā)了一套基于web和BIM技術的地鐵隧道結構質量信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對隧道結構病害信息、維修保養(yǎng)信息、變形監(jiān)測信息的存儲及管理，以及電子化巡檢、數(shù)據(jù)共享、資料數(shù)字化管理等功能，從而達到病害信息便捷查詢、數(shù)據(jù)高效互聯(lián)互通的目的；采用BIM模型對隧道結構表觀病害和結構性病害數(shù)據(jù)進行集成融合，對隧道結構質量信息進行三維可視化展示，使得病害展示更加直觀和形象；通過統(tǒng)計分析功能，對地鐵隧道結構數(shù)據(jù)進行及時分析和高效利用，從而為保障運營期地鐵隧道結構的安全性與可靠性提供信息化、數(shù)字化手段。下一步將通過隧道結構質量信息數(shù)據(jù)的積累和沉淀，采用大數(shù)據(jù)分析的方法，分析隧道結構病害規(guī)律，力求盡早發(fā)現(xiàn)病害，并采取合理有效的維護措施，實現(xiàn)主動維護、智慧維護。