案例隧洞BIM 數字管理演示模型及展現探究

楊睿之

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

基于BIM 技術的工程數字管理演示及展現應用，使工程管理數字化增添場景模擬演示，實現數據在線傳輸和查詢。本研究參考隧洞工程案例數據，借助BIM工程數理模擬體系，創建案例隧洞數理模型及建筑狀態模型，并且將二者實施在線整合推送，完成BIM模型的在線推送、展現和瀏覽案例操作，以為隧洞BIM模型工程應用提供研究和技術參考，助力提高工程管理數字化應用水平。

1 案例工程概況

案例隧洞工程位處我國西南地區，為100 km/h設計時速的分離式六車道公路隧洞。其右線長度193 m，起止軸線樁號系為K11+930—K12+123；左線長度212 m，起止軸線樁號系為ZK11+886—ZK12+098。該隧洞為巖質短線程隧洞，圍巖體主要為Ⅴ級和Ⅳ級標準。圍巖體長度參數和占比隧洞總長度技術狀態具體見表1 所示。

表1 案例隧洞圍巖體分級表

隧址區位處明月峽的背斜軸部北端，侏羅系下沙溪廟上亞組、三疊系下嘉陵江組和須家河組地層。地貌屬于低山升抬褶皺型類型。進口處位洪沖溝右岸緩斜坡的低部，地面坡角變化在25°至40°區間，緩斜坡總體呈順直狀態，喬木、灌叢較為發育，植被茂密。緩斜坡基巖裸露狀態明顯，黏結土蓋覆緩坡平臺區域，不過厚度不大。洞口周邊為相對平坦的谷地，大多為旱地，部分被用作水田。出洞口處位坳溝后緣，緩斜坡多基巖裸露，灌叢相對較為發育，坡形狀態相對比較直順，坡度值基本為25°～35°區間。緩坡平臺區域蓋覆黏結性土質，只是厚度不是很大。洞外分布水塘、水田和沖溝谷底。洞身北東向穿越山脊，泥巖質山體間或夾雜少量的砂巖長石，區域植被生長分布良好。沿隧洞軸線延展，地面高度最大值為454 m，最低值為391 m，洞體的最大埋深值近50 m。隧洞體限界，車道主軸線截面凈寬度值175 m，其中邊道的整體寬度1.75 m，行車道的整體寬度11.25 m，檢修專用道的整體寬度1.75 m。洞體凈高度設計為5.0 m。

洞身選用混合型支護砌襯，方型仰拱曲墻，設計參照新奧原理，選用噴錨網早期支護，增加鋼架強化輔助，采取濕噴操作工藝；二次砌襯選用混凝土或者混凝土鋼筋構造。洞身砌襯支護參數具體見表2 所示。

表2 主洞砌襯支護基本技術參數（直徑/mm，長度/m）

2 數字地形模型和建筑模型的建立

2.1 案例隧洞數字地形模型

本研究參考案例經緯度地理區域設計劃定計算研究范圍，借助Local Space Viewer 通道載獲研究區間最強地質精密度地形標準影像和參數生成基準數據。

借助Global Mapper 系統依次把地形和影像數據轉換為標準（WGS84）UTM 坐標，并以 DEM 格式和Geo TIFF 格式保存。

Super Map GIS 系統系國產的地理信息大型模擬計算系統，可提供GIS 規模運算及云計算服務，可借助該平臺迅速構建相關行業技術應用的GIS 功能應用子系統。本研究基于Super Map 平臺系統實施工程三維場景實現和網絡發布。在借助SM Desktop系統加載目標地理和影像基礎數據參數時，地形參數數據須生成三維Tin 類型（*.sct）的地理地形緩存[1]。

2.2 案例隧洞建筑模型

因案例隧洞屬于短距離公路隧洞，不存在特殊人行橫道和緊急救護停車帶等特別標段，所以完全可以借助系統插件實施隧洞數字化建模。案例隧洞右線側洞身配套砌襯的支護以及操作必要輔助基本措施具體見表3 所示。

表3 隧洞右線側圍巖體分段和支護（直徑/mm，長度/m）

借助Revit 插件智能參數化地推演生成噴射混凝土、拱墻、導管、錨桿和鋼筋網等工程基本構件[1]，附加給對應實例特定屬性基礎信息，且向材質和貼圖及時賦予這些信息，其最終成圖效果具體見圖1和圖2 所示。

圖1 隧洞構件最終模型效果

圖2 隧洞構件內部局部模型效果

可經過插件實施仰拱及防水層構件生成，其他隧洞構造的數字模型。

2.2.1 主線路面構成

主線隧洞路面系為混合型瀝青路面，具體規格參數如下：

a）基層 混凝土C20，厚度參數15 cm。

b）下面層 混凝土面板，厚度參數26 cm。

c）封層 礫石同步封層，厚度參數1 cm。

d）上面層 瀝青混凝土，厚度參數10 cm。

基于上述技術參數，建立案例隧洞的路面構造數字模型并附加屬性說明信息，其計算效果具體見圖3 所示。

圖3 數字模擬隧洞路面

2.2.2 充填仰拱數理模型

充填仰拱選用C15 混凝土材料，選用手工模式充填建立仰拱模型，并且賦予必要屬性提示說明。仰拱模型具體效果見圖4 所示。

圖4 數理仰拱充填模型示例

2.2.3 電纜槽數理模型

電纜槽數理模型選用C15 混凝土材料，亦采取手工模式充填創立，并且賦予必要屬性提示說明。其具體模型效果參見圖5 所示。

圖5 工程電纜槽數理模型

2.3 案例隧洞的整體三維數理模型

結合前述所介紹的結構構件以及相關數字構造模擬模型，適當給與必要的分類整理，相關屬性說明信息亦盡可能充分完備地輸入，最終所模擬得到的案例數理三維整體模型具體見圖6、圖7 所示。

圖6 案例隧洞工程建筑模型

圖7 案例隧洞內部局部建筑模型效果

3 案例隧洞BIM 三維數理模型的可視化實現與在線發布

3.1 隧洞BIM三維數理模型的可視化實現

隧洞建筑模型手工和數理搭建完成后，借助Revit 插件的 Super Map Exporter for Revit 功能，將數據導入Super Map i Desktop 功能區。向插入窗格做經緯度和高度輸入，即可使帶有附加屬性信息的建筑數理模型數據導入超圖區。借助Super Map 屬性列表，相關數據信息實現應用瀏覽，也可以進行必要的修改。

因為隧洞工程屬于隱蔽工程，所以建筑模型有可能為地形模型所遮蔽，影響隧洞工程場景的三維可視化實現，為使二者無縫一體化融合，地形模型有必要進行數字剪裁。借助新版SuperMap9D 系統，對Tin 數字地形數據施加布爾運算，借以達成地物地形的無縫一體化融合。案例BIM三維可視化模型的實現狀態具體見圖8、圖9 所示。

圖8 案例BIM 三維可視化模型的實現狀態

圖9 案例BIM 三維可視化模型展示效果

3.2 隧洞BIM模型的在線發布與系統應用

案例BIM三維可視化模型建立完后，數據信息發布運行于網絡系統中，其應用會更便捷和服務廣泛，才能更利于該數理成果的最大應用價值。借助Super Map 平臺該數據成果就可以實現有效的網絡傳送和發布。因為此隧洞和地形數理一體融合模型數據量相對較大，要高效率實現基于WEB 加載和用戶在線登陸瀏覽的工程應用功能，數據發布則要求提前做好相關數據的必要切片化技術處理。保證結構細節數據多層次LOD 化構建實現以及體例化的信息存儲技術，可借助S3M格式化生成系統三維瓦片，借以達成WEB 端和移動端高效地渲染大場景模型的目標[2]。因此宜先將影像數據信息、地形數據信息和模型數據信息給與切片計算處理，生成三維工程場景的數據緩存。 要求以 S3M（Spatial 3D Model）格式導出模型數據信息。

場景緩存運算生成后，即可借助Super Map i Server 技術傳送和發布三維模型數據，提供查詢和應用服務。SMServer9D 系為基于高云GIS 內核的數據服務器，勝任一體二至三維化工程數據發布推送服務和查詢管理應用，該系統預置擴展多層應用開發數據接口，授權用戶可借助應用端二次開發SDK應用功能，迅速搭建適合特定具體工程的一體化GIS 云端系統[3]。本研究的案例隧洞BIM三維數理模型數據在線傳送和發布，即借助Super Map i Server9D系統實施。

基于Super Map 的GIS 在線客戶端開發存在Plugin 和Web GL 兩種制式，其中Plugin 為基于Super Map UGCC++內核所編制的工程專業GIS 開發平臺系統，由Java Script API 和Web 插件組成的三維GIS 開發平臺，其優點在于其具有場景三維可視化功能，而且尤其擅長場景可視模型的查詢信息的相關統計和演算，以及三維碰撞淹沒系列的相關信息分析[2]。不過需要說明的是Plugin 系統是要求額外安裝特定插件模塊的工程應用開發平臺，額外安裝會一定程度帶來工程應用操作的不便。Web GL制式為基于HTML5WebGL 技術及Java Script 技術的二次開發平臺，無需安裝額外工具插件，而且支持跨操作系統、跨設備和跨瀏覽器。只須輸入web 地址即可進入瀏覽三維模型場景。

圖10 案例隧洞BIM 模型在線瀏覽

圖11 案例在線查詢

基于Super Map Server 的數據在線發布完成后，經過服務管理授權，用戶可以在線查詢發布或管理相關服務內容，依次找到相應的三維可視和數據存在網絡地址，在html 的URL 填入地址，即可抵達相關服務頁面。之后借助Java Script 語言亦可點擊前往查詢模型的相關屬性信息或開展其他功能操作。最終，案例隧洞BIM模型在線瀏覽和屬性查詢效果見圖10、圖11 所示。

4 結語

本研究借助BIM工程數理模擬體系，創建案例隧洞數理模型及建筑狀態模型，并且將二者實施在線整合推送，完成BIM 模型的在線推送、展現和瀏覽案例操作。主要收獲：

a）參考案例隧址區域基本地理和工程信息，創立了區域地形數理三維場景模型。

b）參考隧洞工程案例數據，借助插件Revit 功能，結合必要手動操作和完善附加信息，完成隧洞工程建筑建模。

c）對三維地形數字模型輔助施加必要的布爾運算，完美融合地形數理模型同隧洞建筑數理模型，達成隧洞模型與周邊地形的一體化三維數理表達。

d）實現案例隧洞BIM模型的三維視圖展現，實現該數據在線服務傳送、發布、網絡在線瀏覽和應用客戶端查詢。

隧洞三維視圖化模型的迅速搭建與網絡在線瀏覽和應用客戶端查詢，能有效提升公路隧洞構件的數字化建模效率，可為隧洞BIM模型工程應用提供研究和技術參考，助力提高工程管理數字化應用水平。