基于BIM+GIS的運營重載鐵路隧道快速建模與信息集成技術(shù)

魏興國 柴金飛 李堯

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

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

周穎［2］提出了基于BIM的數(shù)字化協(xié)同管理體系的實施策略。蔣海里等［3］將基于BIM + GIS（Geographic Information System）的三維圖形引擎應用到閔浦三橋的施工中。孟飛等［4］從組織機構(gòu)、技術(shù)標準、工程應用和軟件支持四個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)展的關鍵因素。王建秀等［5］對BIM的應用現(xiàn)狀、技術(shù)標準的制定、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用進行了介紹。羅軍等［6］利用GIS + BIM技術(shù)對建筑物設計中的計算機輔助設計數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化、分析處理和三維建模，實現(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。閆嘯坤等［8］解決了橋梁快速建模、BIM與GIS融合等關鍵技術(shù)問題，實現(xiàn)了橋梁設備的三維可視化。

但是由于目前各類BIM軟件中的隧道構(gòu)件庫僅具備存儲和展示管理功能，無法與實際構(gòu)件后期應用進行信息交互，極大影響了構(gòu)件庫的應用價值。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，隧道設備BIM + GIS展示平臺尚不完善。針對上述問題，本文確定了隧道構(gòu)件的編碼方式，探討了運營重載鐵路隧道BIM快速建模技術(shù)和基于BIM + GIS的隧道設備服役狀態(tài)信息集成方法。

1 運營重載鐵路隧道BIM快速構(gòu)建技術(shù)

設計和施工階段BIM涵蓋的信息不全，沒有包含隧道運維期間結(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)間的關系來進行數(shù)據(jù)集成，并與BIM結(jié)合，形成全面、完整的運維數(shù)據(jù)庫。

為了將運維信息與BIM精確對接，進行可視化展示，對隧道構(gòu)件進行了實體編碼，使每個隧道構(gòu)件模型對應唯一的編碼。

根據(jù)重載鐵路隧道特點，通過收集隧道結(jié)構(gòu)設計圖紙等技術(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)合鐵路隧道劣化評定標準，建立了典型隧道病害庫，對構(gòu)件名稱、病害類型等信息進行結(jié)構(gòu)化存儲，不僅為隧道病害的標準化描述和統(tǒng)計提供了支撐，也為病害自動識別和評估分析提供了條件。

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）對構(gòu)件幾何尺寸進行分析或提取，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、項目信息、生產(chǎn)信息、資產(chǎn)信息、運維信息等方面對信息進行定義，形成構(gòu)件屬性信息標準。

3）通過分類創(chuàng)建構(gòu)件表和屬性表，對構(gòu)件分類編碼、有序存儲。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：單位代碼（5位）、線路代碼（4位）、行別代碼（2位）、線別代碼（2位）、運營管理方式代碼（1位）、位置代碼（11位）、長短鏈標記（1位）、設施設備代碼（12位）、序號代碼（4位）。其中設施設備代碼按照專業(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 設施設備代碼編制示例

4）以分類編碼為關聯(lián)手段，建立隧道結(jié)構(gòu)樹狀組織關系，并將隧道構(gòu)件與病害庫進行內(nèi)部關聯(lián)，最終實現(xiàn)相應內(nèi)容的自動識別讀取，實現(xiàn)構(gòu)件庫的創(chuàng)建與調(diào)用，進而與線路平縱曲線關聯(lián)，實現(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的重載鐵路隧道設備服役狀態(tài)信息集成方法

重載鐵路隧道工程具有長距離、環(huán)境復雜、與地形地貌關系密切等特點，將BIM、地質(zhì)模型、GIS數(shù)據(jù)、多源檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)進行融合，可實現(xiàn)基于BIM + GIS的重載鐵路隧道設備服役狀態(tài)信息集成和對隧道BIM中構(gòu)件的精細化管理。

BIM與GIS的數(shù)據(jù)集成可通過系統(tǒng)集成和應用集成來實現(xiàn)。在實際應用過程中可通過BIM與GIS數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)信息集成。運維管理工作對模型精度要求不高，但對數(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)，以實現(xiàn)兩者的融合。

通過實例化技術(shù)、細節(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BIM性能進行優(yōu)化，解決精細化BIM在大場景展示時占用存儲資源大、加載卡頓等問題。同時利用WebGL技術(shù)，通過調(diào)節(jié)計算機底層圖形處理單元實現(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

結(jié)合隧道設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。

2）鐵路隧道多源數(shù)據(jù)分類

隧道設備服役狀態(tài)信息集成是把不同來源、特點、格式及性質(zhì)的數(shù)據(jù)集中與共享。鐵路隧道設備數(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)為隧道臺賬信息及其關系數(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營和施工單位采集的數(shù)據(jù)；②檢測監(jiān)測設備采集的圖像照片、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

在運維BIM中，構(gòu)件單元作為隧道結(jié)構(gòu)劃分的最低層級，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，可將一部分數(shù)據(jù)基于BIM直接寫入，其余數(shù)據(jù)通過關聯(lián)數(shù)據(jù)庫寫入。

4）鐵路隧道設備綜合管理模塊研發(fā)

重載鐵路隧道設備綜合管理模塊（圖4）分為設備信息管理、檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)展示（圖5）兩個子模塊。

圖4 重載鐵路隧道設備綜合管理模塊界面

圖5 檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)展示界面

①設備信息管理子模塊

設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、工點信息展示、監(jiān)測設備數(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、中心里程、管段等），點擊“查詢”按鈕，查詢結(jié)果高亮顯示，地圖自動縮放到包含所有查詢結(jié)果的范圍；點擊“圖查詢”按鈕只需將鼠標移至地圖中隧道所在地點，在鼠標下方會顯示此隧道的名稱，系統(tǒng)左下方顯示其相關的基本信息，鼠標單擊即可進入隧道詳細信息頁面。

快速定位：從查詢樹中點擊“隧道名稱”按鈕，如果該隧道處于當前地圖區(qū)域，則直接閃爍顯示；否則地圖先自動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，對區(qū)段內(nèi)整條隧道病害進行展示，通過BIM關聯(lián)設備臺賬信息、病害以及評估、整治、竣工資料等信息；不同種類信息勾選種類后，會彈出浮窗顯示；區(qū)段信息可以用表格形式導出。

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

②檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)展示子模塊

該子模塊主要完成基于BIM + GIS的隧道檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)的展示。用戶可以通過移動巡檢應用程序?qū)?shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫對檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)進行展示，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)場實測數(shù)據(jù)開發(fā)了隧道設備BIM + GIS展示平臺。