基于BIM的紫之隧道運維管理系統開發與應用

儲偉偉， 儲雪松， 高立強， 吳 鋒

(杭州市城市建設科學研究院， 浙江 杭州 310003)

0 引言

目前，BIM技術是土木工程領域研究和應用的熱點之一，越來越多的隧道工程在設計和施工階段應用了BIM技術[1-4]。近年來，在隧道運維管理系統的開發上，也逐步引入了BIM技術，以提高隧道運維管理信息化、數字化、智能化的程度。胡珉等[5]在上海大連路隧道工程中，基于BIM建立了隧道可視化智能決策系統； 何擁軍等[6]在上海延安東路隧道工程中，通過BIM實現了對隧道結構及設備的在線自動監測和綜合控制管理； 黃廷等[7]將BIM技術引入浙江省41省道嶺下隧道工程的運維管理中，開發了可視化的公路隧道運維管理系統。

綜合調研結果可知，國內BIM 技術在運維階段的應用總體還處于初級階段，尚未成熟應用和全面推廣。以上研究成果均在管理系統中引入了BIM技術，但三維展示功能均采用unity3D技術，用戶需要安裝對應版本的插件或客戶端，限制了系統跨平臺使用的靈活度。本文利用純Javascript腳本實現的WebGL技術來開發三維展示功能，輕量簡便，無需安裝任何插件或客戶端。此外，對日常養護中較為重要的人工定檢病害數據，雖有研究對其進行了電子化錄入，但未結合BIM模型進行三維展示。本文在網頁端實現了病害照片點在隧道模型中的三維定位和展示，使管理者能快速了解病害的位置和周邊工程結構的情況，為制定合理的養護維修措施提供幫助。同時，本文還研究了基于Autodesk平臺的多款BIM軟件混合建模技術，充分利用各軟件的特點，實現了隧道工程快速準確建模。

1 工程概況及建模技術

1.1 隧道工程概況

杭州市紫之隧道(紫金港路—之江路)工程位于杭州繞城高速與西湖景區之間，南北走向，南起之江路、之浦路，北至西溪路、紫金港路。紫之隧道是杭州最長的隧道，也是全國最長的城市隧道，全長14 km，建設規模為雙向6車道，主線由3座隧道、2座橋涵組成。南、北口采用“分級分流”的交通組織模式，主線雙向4車道進出洞，并各設置1對匝道，匝道為分離式雙向2車道。

紫之隧道工程投資達40多億，涉及地勘、結構、通風、給排水和供配電等多種專業。隧道途經多種級別圍巖，局部下穿河流道路，地質環境復雜，支護類型繁多。全線共有6個通風豎井、10座變電所、200多臺風機、300多臺攝像頭、2 000多臺綜合設備箱和近萬臺照明燈具，管道線路紛繁交錯，是一個龐大的系統，維護任務異常艱巨。

紫之隧道工程的土建結構依舊采用了傳統的二維設計。在施工期間，第3標段施工單位為了對項目設計、施工過程進行有效管理，委托設計院利用Bentley平臺軟件進行了BIM應用的研究[8]，但僅限于第3標段的地質和土建結構。本文從整個紫之隧道的運維需求出發，建立了包含結構、照明、通風、供配電和給排水等系統在內的紫之隧道運維模型。

1.2 建模軟件及建模關鍵技術

現有的3大BIM軟件平臺歐特克(Autodesk)、奔特力(Bently)和達索(Dassault)，在隧道建模方面都有應用案例： Dassault平臺在寶蘭客專石鼓山隧道[1]、上海沿江通道越江隧道[9]、上海楊高路隧道[10]中有應用； Bently平臺在杭州紫之隧道第3標段[8]中有應用； Autodesk平臺在西成客運專線清涼山隧道[2]中有應用。在綜合考慮便利性、開放性和經濟性等因素后，最終選擇Autodesk平臺，主要使用Civil3D和Revit軟件進行紫之隧道的三維建模。

Revit是一款參數化的建筑圖元軟件，能夠較好地提供建筑業BIM解決方案，但對于道路和隧道這種線性工程有一定局限性。Revit中三維實體的創建方法主要是通過拉伸、融合、旋轉、放樣、放樣融合5個命令來完成。而隧道工程是帶狀線性工程，隧道中心線是一條三維空間曲線，通過Revit的放樣或者放樣融合命令創建的隧道支護，在端點處無法符合隧道斷面豎直的工程實際，導致隧道段拼接時會出現錯臺和誤差； 同時，Revit軟件中基于面或者工作平面的構件放置方法，無法適應隧道中通過里程樁號沿三維隧道中心線放置構件的實際情況。

Civil3D是Autodesk旗下另一款設計軟件，包含了AutoCAD的所有功能，是根據專業需要進行了專門定制的AutoCAD，主要針對道路和土石方工程。Civil3D里有明確的道路中心線概念，利用平面線和縱斷面線來生成。Civil3D也是三維軟件，可以由道路中心線和道路裝配來生成道路三維實體，并且生成的道路實體在兩端是豎直截面，符合工程實際。同時，道路在不同的區間里可以采用不同的裝配方式，這也比較符合隧道在不同區間采取不同支護形式的情況。

對于通過里程樁號沿隧道中心線放置構件的問題，通過對BIM軟件的二次開發，混合利用了Civil3D和Revit 2款軟件的特點進行了解決。

1.3 隧道襯砌結構建模

根據紫之隧道運維需求，將紫之隧道按路線和支護類型分段，每段隧道又拆分為路面、邊溝、管溝、管溝蓋板、仰拱等構件。通過綜合利用Autodesk系列的 Subassembly Composer、Civil3D和Revit 3種軟件，結合二次開發，快速準確地建立了紫之隧道的襯砌結構模型。具體方法如下： 1)在Subassembly Composer里建立紫之隧道各種類型支護的“裝配”，將“裝配”導入Civil3D中，在Civil3D中創建隧道中心線，并結合“裝配”沿隧道中心線創建各段隧道的三維實體； 2)利用Civil3D軟件的accoremgd.dll、acdbmgd.dll等動態鏈接庫提供的API，將每段三維實體以“.dwg”格式導出到外部文件中； 3)通過Revit二次開發將這些文件讀入Revit，形成帶屬性信息的隧道三維模型。在此基礎上，還創建了通過excel表格讀取隧道段里程樁號和支護類型的隧道快速建模方法。

根據不同圍巖等級、車道數、施工方法，以及是否有緊急停車帶、是否有橫通道等影響因素，紫之隧道支護的設計類型多達60余種。圖1示出紫之隧道某匝道涉及的4種支護裝配。

(a) Z-Ⅲ (b) Z-Ⅳ

(c) Z-Ⅴa (d) Z-Ⅴb

紫之隧道第2標段的襯砌結構模型見圖2，為觀察方便，圖中根據不同的支護類型對隧道段進行了涂色，藍色系的為南側匝道，橙色系的為3車道段主線，灰色系為2車道段主線，綠色系為橫通道，紫色系的為大跨漸變段。

1.4 隧道設施構件建模

在Revit軟件中，模型的建立是通過創建各種構件族的實例來完成的。模型的參數化主要依靠構件的族功能得以實現，族的創建貫穿建模工作的始終。目前，Revit針對建筑行業創建了大量的族，如門、窗、梁、樓板等，但對隧道中的相關設施，如燈具、指示牌、風機、綜合設備箱等，基本沒有對應的族。因此，需根據紫之隧道文件資料創建隧道內各種設施、設備族。紫之隧道設施構件三維建模成果主要包括照明系統、通風系統、綜合洞室、變電所、橋涵、交通控制系統、視頻監控系統以及電力電纜等。

圖2 第2標段隧道支護類型分布圖

由前述可知，Revit軟件中構件的放置是基于面或者工作平面的，無法通過里程樁號沿三維的隧道中心線進行放置。以照明系統為例，如果先將燈具放置到某一水平面，再根據里程樁號計算燈具豎直方向上到該水平面的距離來調整燈具高度，工作量非常龐大。利用Civil3D中的“道路”功能，在路線的每個(組)燈具樁號的位置上創建豎直的“參考平面”，再將創建好的道路經過處理后保存為“.dwg”格式。最后通過Revit二次開發，在導入的“道路”上循環獲取每個“參考平面”，用這些“參考平面”作為工作平面來放置燈具族的實例。燈具的高度則在Revit燈具族里進行設置，而此時的高度是相對道路中心線的高度，是一個固定的值。利用這種方法，實現了照明燈具、綜合洞室、交通指示牌及射流風機等設備沿里程樁號的準確快速放置。帶有設備的典型隧道段模型見圖3，紫之隧道部分機電設施模型見圖4和圖5。

紫之隧道全線共設10座降壓變電所，1#降壓變電所與管理用房合建，2#、10#降壓變電所與工作豎井合建，其余7座分別在3座隧道內均勻分布。2#和4#變電所模型見圖6和圖7。

圖3 典型隧道段模型

(a) (b) (c) (d)

(e) (f) (g) (h)

圖5 1#、2#風機房模型

圖6 2#降壓變電所模型

圖7 4#降壓變電所模型

2 隧道運維管理系統設計

2.1 系統需求分析

2.1.1 定檢巡查

隧道定檢巡查是紫之隧道運營維護的重要內容，是開展隧道維修養護工作的基礎。定檢巡查工作主要由養護單位的工作人員來開展，養護單位根據巡查的結果，依據規范對隧道的土建結構、機電設施等項目進行分析評估，制定維修養護計劃。養護部門依據《公路隧道養護技術規范》要求的頻率和內容安排日常巡查工作。紫之隧道常規定檢記錄見表1。

目前，巡檢記錄都是由相關人員手工填寫，有些記錄是在巡檢結束后較長時間才錄入，尤其是病害照片需要編號并單獨存放，與記錄相互割裂，不利于保存和查閱。隨著隧道運營時間的推移，這樣的記錄會越來越多，不僅保存困難，也無法進行數據分析和統計。因此，定檢巡查記錄應該采用數字化的手段，以方便查找并防止丟失，同時也能方便相關人員進行數據分析。

2.1.2 資料管理

紫之隧道內設施設備數量龐大，目前相關資料還是以紙質形式保存，當維修人員需要查看相關資料時，需要在大量的資料中人工尋找目標，如原理圖、操作規程、維修規程等，存在費時費力的問題，特別是碰到維修任務比較緊急時，這個問題尤為突出。如何縮短資料查找時間，提高資料完整性和可用性，簡化信息保存、更新工作，也是亟待解決的問題。設施設備資料的電子化，并與設備相關聯，可以提高養護人員的維修效率和質量。

表1 紫之隧道定期檢查記錄表

2.1.3 設備定位

紫之隧道路線長，機電設施數量眾多且分散。在日常巡檢工作中，需要對隧道內的設備分階段進行檢查，如此龐大的數量，很容易出現漏檢； 此外，隧道的巡檢人員和維修人員分屬不同部門，巡檢人員報修上來的設備如何準確地傳遞到維修人員手里，也是需要解決的問題。隧道內設施設備的快速直觀定位是解決以上問題的關鍵，可以避免巡檢工作中的漏檢，提高維修工作效率。

2.2 系統架構設計

由于紫之隧道養護管理涉及多個部門和眾多工作人員，同時考慮到維護升級等因素，系統采用B/S架構。

系統共分為4層。底層為模型層，使用Autodesk平臺軟件進行建模，同時利用二次開發為構件對象添加必要的屬性，如所屬路線、支護類型、起終點里程樁號等； 最后利用插件將每個構件導出成單個文件并錄入數據層中的“模型數據庫”以備調用。數據層中的“運維數據庫”包含了平臺的大部分數據，如資料數據、設備數據、定檢數據等，這些數據通過應用層展示給用戶，并和用戶交互； 數據層中還包含了視頻監控平臺和數據監測平臺的數據庫。平臺層中的Web 3D圖形引擎從數據層中獲取模型和運維相關數據，為嵌入各個應用功能中的三維顯示場景提供支持。整個系統的架構如圖8所示。

圖8 系統架構圖

2.3 系統邏輯設計

系統全專業三維模型建好后，先上傳至服務器，在服務器端對模型文件進行解析，提取出每一個構件的幾何、材質以及附帶的其他屬性信息(如路線名稱、支護類型、起終點里程樁號等)，并以唯一的uid存儲進模型數據庫。當系統某一功能模塊需要三維展示構件或設備時，客戶端會去服務器的模型數據庫中調取這些構件或設備的幾何和材質信息加載進瀏覽器，并通過基于WebGL的腳本程序在頁面進行渲染并與用戶交互[11-15]。當模型中某個構件在BIM軟件中進行了修改，并再次上傳至服務器時，模型數據庫中對應的幾何與材質信息會進行更新，而uid保持不變。下一次客戶端再來取構件模型時，得到的就是更新過的模型。這樣只需在服務器端維護一個模型，很好地貫徹了BIM概念中“一個模型”的中心思想。

模型通過Javascript腳本程序在各個功能模塊的網頁端與用戶進行交互，各個模塊結合模型的uid在運維數據庫中記錄隧道定檢、設備資料等運維信息。系統還可以結合原有的監控及監測平臺，在三維模型環境中展示監控及監測數據。BIM模型在系統中的應用流程如圖9所示。

3 隧道運維管理系統模塊及功能

根據運維需求分析，紫之隧道運維管理系統共分為7個子模塊，系統功能設計圖如圖10所示。本文主要對三維展示、定期檢查、設備管理、視頻監控、監測數據5個模塊進行介紹。

圖9 BIM模型應用流程

圖10 系統功能設計圖

3.1 三維展示模塊

三維展示模塊能結合衛星地圖將所有運維管理涉及的對象以三維的形式展現在網頁中，使管理者在工作中快速掌握隧道設計及周邊情況，滿足從宏觀管理到精細化管理的需求，結合衛星圖的宏觀展示界面如圖11所示。

圖11 結合衛星圖的宏觀示意圖

圖12示出隧道整體線路縮放至3#變電所時的展示界面，圖13示出南側匝道口半透明化路面后，排水管道及檢查井的展示界面。

在該模塊中，用戶可以通過雙擊三維模型上的構件，查看構件的詳細屬性(包含所有Revit自帶的屬性)以及該構件相關的文件資料，如圖14所示。

圖12 變電所模型及設備信息

圖13 排水管道及檢查井

圖14 構件屬性及相關文件

在平時的會議和工作部署時，三維展示模塊能夠加快工作人員之間溝通意圖的理解，避免曲解和誤會，提升工作效率。同時，在紫之隧道對外工作匯報和參觀中，三維展示模塊也能起到很好的溝通橋梁作用。

3.2 定期檢查模塊

定期檢查模塊根據JTG H12—2015《公路隧道養護技術規范》中的要求進行開發，實現了紫之隧道定檢信息電子化。紫之隧道被分為10個管理單元： 南東匝道、南西匝道、北東匝道、北西匝道、東線1號隧道、東線2號隧道、東線3號隧道、西線1號隧道、西線2號隧道和西線3號隧道。每個管理單元又分為土建結構、機電設施和其他工程設施3大類。通過2、3級菜單，可以定位到任一管理單元的任一類定檢信息。

土建結構定檢記錄包括里程樁號、結構名稱、檢查內容、現場描述、標度、缺損位置和檢查日期等內容，可在文本框填寫相應的信息或者在下拉選項框里選擇對應的結構類型。每條定檢記錄可以包含一張或多張病害照片。

傳統的病害照片以文本編號的形式鏈接到照片文件夾，查找起來比較繁瑣； 同時，由于拍攝角度和拍攝范圍等因素，管理者很難根據照片快速定位到相應的結構，即使是拍攝者自己，經過一段時間后也很難再精確地找到拍攝位置。因此，該模塊還開發了病害照片定位功能： 拍攝者在上傳照片時，可以在三維界面中用鼠標在構件表面點選一個位置，系統會記錄下這個位置的坐標； 后續管理者在定檢記錄中點擊照片時，該位置點會自動生成一個紅色的小球，同時三維界面會自動調整視點的位置和觀察角度，以正視這個小球，這樣就達到了自動定位照片點的目的； 鼠標點擊這個紅色小球，還可以調出相應的定期檢查記錄。圖15示出定檢信息三維展示界面。

圖15 定檢信息三維展示界面

應用定期檢查模塊后，隧道病害的描述和照片在同一界面顯示，并且能定位到三維模型中，使得管理人員對病害有了準確的認識。管理人員還可以通過模型查看多個病害點的分布及附近相關設備設施，為準確分析病害成因和制定正確處置措施提供了保障。

3.3 機電設備管理模塊

紫之隧道機電設備分為低配電設施、監控與通信設施、通風設施、消防設施和照明設施5大類。每個大類又分為若干設備類型，如消防設施分為電光標志、閥門、手動報警按鈕等12種設備類型。機電設備管理模塊可將隧道內所有的設備、管道和線路登記入庫，并與三維模型相互關聯。圖16示出機電設備錄入模塊界面。

在實際錄入機電設備信息的同時，還需綁定該設備的uid，這樣不僅可以通過點擊三維模型來獲取機電設備的資料信息，而且還可以通過資料信息在三維模型環境里反向定位機電設備。

圖16 設備定位界面

變電所與變電所之間的電力線纜以及變電所與機電設備間的供電線纜等信息，以往只能在電力施工圖紙上查看二維標注，但具體線路走了哪條管溝、哪條線管，在何處上了電力橋架，在何處穿越了路面，都無法準確掌握。本文基于Revit開發了線纜插件，建立了電力線纜三維模型。圖17示出南側匝道口處電力線纜的分布和走向，其中紅黃藍3種顏色的電纜代表了三相10 kV高壓線纜，灰色電纜代表了普通380 V的設備供電線纜。

圖17 電纜BIM模型

3.4 視頻監控模塊

系統提供與視頻監控設備的接口，可以實時在三維環境中快速調取監控畫面。只需要在“視頻監控”模式下雙擊三維模型中相應的攝像頭，即可將該攝像頭的當前畫面投射到三維模型頁面中。視頻監控集成界面如圖18所示。

圖18 視頻監控集成界面

3.5 監測數據展示模塊

隧道內良好的空氣狀態是行車安全的必要條件，為了監測隧道內有害氣體的體積分數，紫之隧道內安裝了大量的CO探測器。系統將這些傳感器的數據實時標注在三維模型中，使管理者對隧道內空氣質量一目了然，有助于優化隧道內風機的控制策略。CO探測器數據顯示界面如圖19所示。

圖19 南東匝道CO探測器數據顯示界面

4 結論與討論

本文對隧道運維管理系統涉及的關鍵技術進行了深入研究，從簡單實用的角度開發了紫之隧道運維管理系統，將BIM模型引入到隧道運維的日常工作中，提供了直觀可視化的工作界面，提高了運維工作效率。

1)通過對BIM軟件及相關二次開發技術的研究，實現了針對隧道工程的快速建模。同時實現了三維模型幾何及屬性數據的導出，為三維模型的瀏覽器端渲染奠定了基礎。

2)利用WebGL在網頁端重建BIM模型的技術，實現了紫之隧道三維模型網頁端展示與交互的功能，并在此基礎上開發了Web架構的三維展示、定期檢查、機電設備管理等模塊，為隧道的日常養護提供了新的方法。

3)基于WebGL的網頁端模型渲染存在一定的性能制約，無法同一時間在屏幕上顯示大量的構件。以本系統為例，當三維場景中的構件數超過1 500個時，屏幕的刷新率FPS會降低到10以下，當構件數達到2 400以上時，FPS降到5以內，屏幕出現明顯的卡頓。當構件造型比較復雜(如電纜構件等)時，即使加載構件數量較少，也會出現卡頓現象。因此，后續研究應考慮引入LOD模型細度等級的概念，對不同范圍的場景加載不同細度等級的模型。同時可以結合傾斜攝影，實現對隧道地形地貌的全景加載。

4)在功能方面，隧道的應急管理系統也是BIM技術應用的重點，除了應急預案管理，BIM模型在隧道應急方案展示、疏散路線指示等方面的應用也應進一步研究和開發。