集成GIS/BIM的公路隧道數字化管理研究及應用

程方圓， 姚國明， 奎永才， 王建華， 趙秀清

(1. 同濟大學地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 云南交投集團投資有限公司， 云南 昆明 650228；3. 云南第二公路橋梁工程有限公司， 云南 昆明 650205)

0 引言

由于地質環境的隱蔽性與復雜多變性、災害事故的突發性，長大公路隧道建設面臨著重大挑戰。截至2016年底，我國公路隧道通車總里程達14 040 km，數量1.5萬余處，其中特長隧道運營里程3 622.7 km，共計815處[1]。大規模公路隧道建設產生的海量工程數據急需高效的數字化管理方法。

地理信息系統(GIS)和建筑信息模型(BIM)是實現工程數據存儲、分析和管理的2大平臺體系。在GIS方面，王麗園等[2]利用CAD與GIS管理公路隧道信息資料庫，構建公路隧道三維可視化系統；陸軼等[3]采用GIS技術設計了基于ArcGIS Engine的公路隧道監測信息系統，實現具有空間屬性的監測數據管理與分析；閻一瀾[4]建立了水文地質數據描述標準，使用ArcGIS建模實現水文地質數據分析。在BIM方面，鄧小軍等[5]關聯BIM模型與進度、質量與安全等資料，實現公路隧道基于BIM的進度、質量與安全施工信息集成；蔣雅君等[6]通過對AutoCAD和Revit的二次開發,實現運營階段公路隧道襯砌病害的三維可視化；宋戰平等[7]初步提出面向隧道工程全生命周期數據協同管理，形成規劃、設計、施工與運維一體化BIM管理平臺。可以看出，目前GIS適用于地理空間數據管理和分析，而BIM側重于設計、施工與運營等階段工程結構屬性數據協同管理。因此，有學者充分利用GIS與BIM技術互補優勢，開展了一些隧道數字化管理研究。寇邦寧[8]從BIM三維參數化模型建立、信息模型和GIS平臺真實場景展示等方面研究了鐵路隧道勘察設計的技術路線；李福健[9]建立了GIS+BIM+物聯網的安全監測平臺，實現了鐵路隧道圍巖監控量測信息與BIM模型的集成與共享；王秋蘭[10]基于GIS+BIM集成技術設計了公路隧道智慧管養系統框架，具有結構健康檢測與安全評估預警等功能。同濟大學提出的基礎設施智慧服務系統(infrastructure Smart Service System, iS3)，是面向基礎設施全生命數據采集、處理、表達、分析的一體化決策服務系統[11-12]，融合了GIS與BIM技術，從信息流的角度出發涵蓋了規劃、勘察、設計、施工與運營等階段全生命周期數據，可用于盾構隧道[13]、綜合管廊[14]等基礎設施領域數字化管理。

綜上所述，在實際應用過程中，集成GIS/BIM實現公路隧道數字化管理存在著一些問題： 1)地質與結構等海量工程數據尚未建立統一的數據存儲標準； 2)急需有效的數字化管理手段實現GIS與BIM等多源異構數據的無縫融合。針對上述問題，本文將公路隧道建設過程中產生的海量工程數據進行分類，并制定統一的數據存儲標準，為工程數據與GIS、BIM模型的集成提供技術方案；依托云南省老營隧道工程，基于iS3平臺開發公路隧道數字化管理系統，實現GIS/BIM一體化聯動、數據實時錄入與資料在線查詢等初步的集成應用，以期為今后公路隧道全生命周期數字化管理研究提供技術儲備。

1 工程概況

老營隧道是云南省保瀘(保山—瀘水)高速公路的控制性工程，右幅隧道長11 520 m，左幅隧道長11 430 m，為分離式特長隧道，穿越Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3種圍巖級別，主體結構和斜井分別包括9種斷面類型，左右幅隧道之間設有人行橫通道和車行橫通道，共有6種斷面類型。老營隧道全程采用鉆爆法施工，由進出口相向施工，分為4個標段，其中保山進口端為1標，瀘水出口端為4標，中間的2標、3標分別先行開挖1#斜井和2#斜井，待與右幅主洞相接后再進行主洞施工。

老營隧道穿越橫斷山脈南端的保山壩“西山梁子”，是怒江和瀾滄江的分水嶺，河流眾多，為自然地理的分界線，如圖1所示。隧道最大埋深達1 259.03 m，穿越古生界至新生界諸多地層，地質時代跨度較大，工程地質和水文地質情況復雜。隧道所處地勢基本呈北高南低，區內大多山高坡陡，山脈走向及河流流向多呈北西走向，隧道隧址區屬構造侵蝕、溶蝕中切割中山陡坡地形地貌。

圖1 老營隧道隧址區

老營隧道地質條件復雜、結構類型多、施工風險大、參與人員范圍廣。因此，開展集成GIS/BIM的公路隧道數字化管理研究，對實現公路隧道海量工程數據存儲與管理、促進各方協同工作具有重要意義。

2 信息分類與數據存儲標準

公路隧道工程數據來源十分廣泛，涵蓋勘察、設計、施工與運營多個階段。在廣泛調研的基礎上，結合老營隧道工程，將公路隧道建設過程中涉及的海量工程數據劃分為5大類：地理地質(geology)、環境(environment)、設計(structure)、施工(construction)與監測(monitoring)。各個大類逐級細化，進一步細分為一級分類、二級分類、三級分類和信息節點。例如，對于地理地質數據，可劃分為工程地質和水文地質2個一級分類。其中，工程地質又可分為地質調繪和地質勘探2個二級分類，均由多個三級分類和信息節點組成，如表1所示。

為保證工程數據組織、存儲和交換的規范性、全面性和易用性，參考數據標準文件AGS[15]的數據傳輸與交換格式，形成公路隧道工程數據字典，即一系列工程對象的數據表格(包含對象的所有屬性集合)。數據字典中的一張數據表格對應一個信息節點，規定數據狀態(status)、字段(heading)、數據單位(suggested unit)、數據類型(suggested type)等，其中字段名稱采用“表名_字段的英文名縮寫”形式。為區別不同字段的重要程度，數據表格定義了3種字段狀態： 1)關鍵字段(*),表格中某條記錄的唯一標識，如ID； 2)必填字段(R),不能為空； 3)其他字段,可以為空，根據工程實際情況來選擇是否需要填入數據。

根據老營隧道實際工程信息，按照制定的存儲規則錄入數據。以勘察孔基本信息(HDPH)數據表為例，其中鉆孔編號ID為關鍵字段，輸入1，2，3，…整數類型；勘察孔名稱為必填字段，應輸入文本類型(X)；2DP表示保留2位小數點的浮點類型；DT是指日期，為時間類型等，如表2所示。將地理地質、環境、設計、施工與監測屬性數據存儲于數據表格中，導入SQL Server數據庫，形成相應的數據結構后，將工程數據部署于云服務器中。

表1工程地質信息目錄與信息節點(部分)

Table 1 Partial information catalog and nodes of engineering geology

一級分類二級分類三級分類信息節點工程地質地質調繪地質勘探氣象遙感地質構造鉆探氣象(WEAT)航空航片信息(AERP)遙感信息解譯(IRSI)地形地貌(GMPG)地層(STRA)斷層(FALT)褶皺(FOLD)裂隙(JONT)不良地質(AGEO)特殊性巖土(SPEC)勘察孔基本信息(HDPH)鉆孔地層信息(DETL)鉆孔取芯信息(CORE)地球物理勘探(GEOE)

表2 勘察孔基本信息(HDPH)(部分)

3 GIS/BIM模型

3.1 GIS模型

CAD具有強大的圖形編輯和處理功能，是數字成圖的首選工具，工程測繪和勘察單位所獲得的基礎地理地質數據多以CAD的數據格式存儲[16]。為了實現地理地質等二維圖形數據與數據庫屬性數據融合，需將CAD圖形數據轉換為ArcGIS中的二維模型。

ArcGIS建模過程即為DWG文件數據格式向ArcGIS的SHP格式轉換過程，將每個DWG實體類型轉換成要素類，即點、線、面3種要素，如表3所示。例如，點要素通常指鉆孔、監測點和泉點等突出地理位置、忽略實際大小和形狀的實體對象，線要素包括隧道軸線、河流等呈線狀分布的實體對象，而面要素主要指地層、水文保護區和水庫等占據一定面積的實體對象。為方便導出ArcGIS圖層，將DWG文件中的文字也以SHP格式的點要素存儲。

表3 CAD與GIS圖形要素

在完成ArcGIS二維建模后，所有CAD圖形數據均在ArcGIS中以圖層的形式存在。將不需要交互的圖層生成TPK文件，作為工程的地理底圖，例如隧道軸線圖層。將需要交互的數字化對象(如監測點、鉆孔等)從地理底圖中獨立出來，在屬性表中附加ID屬性信息，映射數據庫中存儲的地理地質數據，導出Geodatabase文件。

組合工程底圖(TPK文件)與數字化對象(Geodatabase文件)，最終以主題圖的形式分層次可視化表達二維GIS模型。例如，GIS剖面圖分為施工進度圖、襯砌類型圖、地質剖面圖(見圖2)和物探圖，分別突出表達施工進度、襯砌類型、地層與鉆孔以及物探信息。

3.2 BIM模型

隧道BIM建模方法的研究可分2大類： 一是直接使用BIM軟件建立隧道模型，二是BIM軟件結合編程方法建立隧道模型。為提高模型的可復用性，本文采用Revit軟件建立隧道結構參數化模型單元，并將隧道結構模型定義為3個LOD等級。LOD100為方案設計階段，體現隧道整體的線路走向等；LOD200為初步設計階段，在LOD100的基礎上強調各襯砌類型斷面尺寸；LOD300為施工圖設計階段，基于LOD100與LOD200注重錨桿、鋼筋網與鋼拱架等施工細節的表達。以LOD200所對應的直線二次襯砌模型單元為例，在Revit中采用放樣的方式定義二次襯砌長度，導入CAD圖中的襯砌斷面，通過在曲線的交點處繪制與曲線相切的參照平面以及添加相應的尺寸標注實現直線段二襯厚度的參數化，如圖3所示。所建立的隧道結構參數化模型單元包括直線襯砌、曲線襯砌、錨桿、鋼拱架、鋼筋籠、排水管與路面結構等，此外還建立了鉆孔模型和地層模型。

分離幾何模型與Revit屬性信息是三維模型與工程數據集成的關鍵前提。在Revit中為各模型單元添加ID，將Revit屬性信息存儲于SQL Server數據庫中；對于三維幾何模型，將隧道結構單元、鉆孔單元與地層單元等均導出FBX格式，并載入Unity軟件。利用編寫的C#程序，根據隧道軸線信息在Unity中拼接成不同LOD的隧道結構模型，如圖4所示[17]。基于建立的地層單元，通過布爾運算、可見性控制等操作實現隧道結構與地層模型在三維場景中的可視化表達。

模型拼接與渲染后，在Unity軟件中為三維模型附加腳本，實現： 1)給模型添加漫游腳本，可在全景空間中自由切換場景，達到瀏覽不同場景的目的； 2)梳理幾何模型的分類結構，方便映射導出的模型屬性信息； 3)對需要交互操作的模型分類結構添加交互腳本，可高亮顯示點選的模型結構。完成上述一系列操作后，發布系統需要的Unity3D文件。

圖2 隧道ArcGIS地質剖面圖

圖3 直線二次襯砌參數化模型單元(單位： mm)

(a) LOD100隧道結構模型

(b) LOD200隧道結構模型

(c) LOD300隧道結構模型

(d) 特殊段隧道接頭模型

4 集成與應用

4.1 系統架構

基于iS3平臺開發的公路隧道數字化管理系統架構包含4層，分別是數據層、服務層、應用框架層以及應用層，如圖5所示。數據層提供數據標準格式，實現各種類型數據的對接，如各類數據庫、BIM及GIS等數據。服務層則實現數據的云存儲，提供數據訪問組件，通過WebAPI實現各類數據的增刪改查，并提供數據的各類分析功能。應用框架層為基于C/S架構的桌面端應用程序，采用C#與WPF語言完成系統研發工作。應用層則是基于應用框架層，根據工程實際應用需求設計應用，本系統主要面向公路隧道工程設計與施工階段，包括業主、設計、施工等相關工程人員。

圖5 系統架構

4.2 數據集成

為實現屬性數據與GIS/BIM幾何模型的集成與關聯，從而進一步實現海量工程數據有效數字化管理，本文提出了如圖6所示的集成技術方案。

對于屬性數據，采用制定的公路隧道數據存儲標準作為數據存儲規則，將涉及的海量工程數據存儲于數據庫中。對于幾何模型，分別采用ArcGIS Runtime SDK for.NET作為GIS模型的二維圖形引擎與Unity3D作為BIM模型的三維可視化引擎。最終，利用系統的iS3-Config配置工具載入幾何模型，通過關鍵字段ID實現數據庫數據與GIS、BIM模型的集成和關聯。

4.3 數據管理

老營隧道工程地質條件復雜，建設過程中積累了大量的工程數據，如何有效地集成與管理這些數據、方便信息輸入與查詢是工程人員十分關注的問題，也是利用數字化手段實現進度、質量與安全等施工過程信息管理的基礎。因此，目前系統在集成應用方面初步實現了GIS/BIM一體化聯動、數據實時錄入與資料在線查詢功能。

1)GIS/BIM一體化聯動。將存儲于數據庫中的老營隧道工程屬性數據、二維GIS圖形文件與三維BIM圖形文件導入公路隧道數字化管理系統，系統會自動完成多源數據的無縫融合，實現數據與GIS/BIM模型一體化聯動。以鉆孔對象為例，通過可視化的交互操作，如點擊下方數據列表中的一條鉆孔記錄，二維GIS剖面圖形與三維BIM模型中的鉆孔對象將同時高亮顯示，如圖7所示。

圖6 技術方案

圖7 二維、三維模型關聯與可視化

2)數據實時錄入。系統集成了地理地質、周邊環境、設計、施工與監測5個方面的設計與施工海量數據，并以信息目錄樹與數據庫數據列表、GIS二維模型以及BIM三維模型3種模式全方面展示海量工程數據。然而，在數據表格中填入工程數據，再將數據導入數據庫的操作十分繁瑣與滯后，不利于現場工程人員管理海量工程數據。因此，系統提供了數據一鍵式增刪、查詢、上傳與存儲等功能，現場工程人員可以按照制定的數據存儲標準，在現場遠程操作數據庫，錄入所需記錄的工程數據，實時完成數據的云存儲，如圖8所示。

3)資料在線查詢。老營隧道建設工程中產生了大量的圖片與視頻等媒體類非結構化數據，例如掌子面照片、現場施工視頻等。為滿足現場工程人員的實際需求，在實現二維、三維GIS/BIM模型聯動可視化的基礎上，對于此類非結構化數據，系統在施工子模塊中提供了加載圖片與視頻數據功能，方便現場工程人員進行資料的在線查詢與可視化管理。例如，點擊施工視頻選項，GIS與BIM模型中(施工視頻所對應的實際里程樁號處)將分別出現視頻圖標，然后點擊GIS模型或BIM模型中的視頻圖標，選擇打開視頻，可調取如圖9所示的現場施工視頻。

圖8 數據實時錄入

圖9 資料在線查詢

5 結論與討論

1)將公路隧道工程建設過程中涉及的海量工程數據分為環境、設計、施工、地理地質與監測5類，形成信息目錄與信息節點，制定了數據存儲規則，為工程數據的存儲與共享提供了統一的數據標準。

2)在建立GIS二維模型與BIM三維模型，添加屬性信息并發布圖形數據文件的基礎上提出了工程數據與GIS/BIM模型的集成技術方案，為實現公路隧道多源異構數據無縫融合提供了有效手段。

3)基于公路隧道數字化管理系統，實現了工程數據與GIS/BIM模型的集成與關聯，并在二維、三維數據聯動可視化的基礎上，進一步實現了數據實時錄入與資料在線查詢功能，對現場施工管理具有一定的實用價值。

隨著工程的推進，未來需要解決模型動態更新、海量工程數據可視化表達與施工過程信息管理等問題，并進一步完善系統的功能，例如增加結構分析接口與運營養護階段結構服役性能評估接口等，以期實現公路隧道工程的全壽命周期數字化管理。