基于BIM的地鐵隧道監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李益斌 陳健 徐傳旺

摘 要：在地鐵隧道監(jiān)測項目中數(shù)據(jù)量繁多且抽象，因此建立相關(guān)的信息管理系統(tǒng)尤為必要。為此本文將先進的BIM技術(shù)與傳統(tǒng)隧道監(jiān)測理念相結(jié)合，自主開發(fā)了基于BIM和云平臺的隧道動態(tài)監(jiān)測信息系統(tǒng)，并進行工程應(yīng)用。主要研究內(nèi)容為：① 研究了隧道BIM參數(shù)化快速建模方法，采用Revit（三維參數(shù)化建筑設(shè)計工具）進行IFC標(biāo)準(zhǔn)的隧道族構(gòu)件庫的建立，使用Revit軟件構(gòu)建了隧道三維BIM模型。② 基于地鐵隧道監(jiān)測信息管理的實踐需求，進行了系統(tǒng)功能設(shè)計及系統(tǒng)框架設(shè)計。③ 利用 Visual Studio 及 Unity 3D 平臺，采用C#編程語言進行系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)監(jiān)測信息的添加及修改、形變量的計算、基于模型的變形信息展示等功能。通過上述BIM模型表達、監(jiān)測信息與BIM模型的關(guān)聯(lián)，提高了監(jiān)測信息的可視化程度，并且為提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性提供技術(shù)支持，取得良好效果。說明本文系統(tǒng)的開發(fā)方法和程序是成功的，可以有效地提高隧道監(jiān)測信息的管理水平。

關(guān)鍵詞：建筑信息模型;信息化;隧道;參數(shù)化建模;變形監(jiān)測

中圖分類號：TU198 ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2021）03-0131-06

Abstract：In the metro tunnel monitoring project， the data are numerous and abstract， so it is necessary to establish the relevant information management system. Therefore， this paper combines advanced BIM technology with traditional tunnel monitoring concept， independently develops a tunnel dynamic monitoring information system based on BIM and cloud platform， and carries out engineering application. The main research contents are as follows： （1） The rapid modeling method of tunnel BIM parameterization is studied. Revit （3D Parameterized Building Design Tool） is used to build the tunnel family component library of IFC standard， and Revit software is used to construct the tunnel 3D BIM model. （2） Based on the practical requirements of metro tunnel monitoring information management， the system function design and system framework design are carried out. （3） Using Visual Studio and Unity 3D platform， using C# programming language for system development， to achieve the monitoring information to add and modify， the calculation of shape variables， deformation information based on the model display and other functions. Through the association between the above BIM model expression and monitoring information and BIM model， the degree of visualization of monitoring information is improved， and technical support is provided for improving the accuracy of analysis results， which has achieved good results. It shows that the development method and program of this system are successful and can effectively improve the management level of tunnel monitoring information.

Keywords：Building information model; informatization; tunnel; parametric modeling; deformation monitoring

0 引言

地鐵隧道建成后，如何對其進行監(jiān)測、維護成了城市發(fā)展的重中之重。隧道表面滲水，隧道壁形變、位移和開裂等，如未經(jīng)及時處理，均會導(dǎo)致嚴(yán)重的坍塌事故，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，對地鐵隧道，尤其是部分較為年久的隧道進行準(zhǔn)確高效的監(jiān)測維護工作極其重要[1]。

在隧道監(jiān)測工作之后，需要將大量的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，方便后續(xù)計算及分析的進行。傳統(tǒng)的地鐵隧道監(jiān)測信息管理方式通常采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將監(jiān)測信息進行存儲管理，例如：王麗華等[2]開發(fā)了分布式的隧道監(jiān)測信息管理和預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)對監(jiān)測信息的存儲、處理、查詢、數(shù)據(jù)自動化輸出及預(yù)警。這種管理方式并沒有將監(jiān)測信息與地鐵隧道的物理結(jié)構(gòu)屬性對應(yīng)，也就是空間數(shù)據(jù)（物理結(jié)構(gòu)屬性）與屬性數(shù)據(jù)（監(jiān)測信息）沒有相互關(guān)聯(lián)，如果只是孤立地分析屬性信息得出的結(jié)果具有片面性[3-4]。BIM（building information modeling，建筑信息模型） 技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性和全生命周期性等優(yōu)點，近年來，大量學(xué)者正在從事BIM 技術(shù)與隧道結(jié)合的應(yīng)用研究，黃廷等[5]建立了基于BIM的隧道管理平臺，實現(xiàn)可視化的隧道運維管理;劉訓(xùn)房[6]開發(fā)了基于BIM的隧道動態(tài)施工信息系統(tǒng)，對隧道進行實時監(jiān)測;武勝林等[7]將BIM技術(shù)用于隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)信息化分析，取得了較好的效果。本文以某市地鐵隧道保護區(qū)監(jiān)測項目為例，基于BIM技術(shù)開發(fā)了監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)測信息與模型的關(guān)聯(lián)，不僅提高了數(shù)據(jù)的可視化程度，而且為后續(xù)分析的結(jié)果更加全面、準(zhǔn)確提供技術(shù)支撐。

1 地鐵隧道 BIM 模型構(gòu)建

BIM是具有可視化、協(xié)調(diào)性和全生命周期性的一種管理模型，以建筑工程項目各項數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于數(shù)字信息仿真構(gòu)建建筑物真實信息，為建筑從業(yè)者提供一個數(shù)據(jù)處理及信息共享的平臺[8-10]。

基于BIM技術(shù)開發(fā)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，將監(jiān)測信息集成于BIM模型上，并與隧道的物理屬性信息相關(guān)聯(lián)，為解決隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)抽象和變形分析“孤立”等問題提供有效途徑[11-14]。

本文采用Autodesk公司的Revit（三維參數(shù)化建筑設(shè)計工具）軟件進行隧道BIM模型的構(gòu)建。Revit全面創(chuàng)新的概念設(shè)計功能帶來的易用工具，能夠輔助用戶進行自由形狀建模和參數(shù)化設(shè)計[15-16]。根據(jù)隧道周圍環(huán)境的不同，地鐵隧道開鑿的方法也會有所不同，地鐵隧道開鑿主要分為明挖法、暗挖法和盾構(gòu)法。本文所依托的地鐵隧道保護區(qū)監(jiān)測項目所處長江三角洲地區(qū)，地表建筑密集，使用盾構(gòu)法開鑿隧道處較多，故模型搭建以盾構(gòu)隧道為例。模型構(gòu)建步驟分為3步：定線、定參和建模，如圖1所示。

根據(jù)隧道設(shè)計參數(shù)，分類提取出隧道中線各點的三維坐標(biāo)值，而后將中線各點添加到CAD中，利用CAD做出隧道中線的平面線及縱斷線，如圖2所示。

在得到隧道中心線數(shù)據(jù)后，進行盾構(gòu)排版，設(shè)置隧道高程、管片寬度、管片楔形量（錐度）和盾構(gòu)直徑等，并與實際隧道盾構(gòu)面進行比對。在確認結(jié)果無誤后執(zhí)行程序，程序?qū)⒆詣舆M行隧道盾構(gòu)面參數(shù)排版，并用于后續(xù)的隧道盾構(gòu)面生成，建模過程如圖3—圖5所示。

在Revit軟件中，根據(jù)不同盾構(gòu)管片參數(shù)構(gòu)建管片族庫，然后根據(jù)隧道中心參數(shù)導(dǎo)入對應(yīng)的管片族庫。選擇自動搭建盾構(gòu)隧道選項，進行盾構(gòu)管片的自動生成。生成結(jié)果如圖6所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

地鐵隧道監(jiān)測信息管理系統(tǒng)要完成的任務(wù)是通過使用已有的計算機軟硬件、開發(fā)平臺和數(shù)據(jù)庫等資源，來設(shè)計并且開發(fā)實現(xiàn)一個數(shù)據(jù)收集、管理、分析一體化的信息管理系統(tǒng)，為用戶進行相關(guān)變形分析提供技術(shù)支持[17-19]。系統(tǒng)功能需求是系統(tǒng)開發(fā)的核心動力，完善的需求有助于系統(tǒng)的人性化、性能化實現(xiàn)?；趯嶋H工程應(yīng)用需求，系統(tǒng)的主要功能分為以下幾個模塊：系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、監(jiān)測信息模塊和上層應(yīng)用模塊，如圖7所示[20]。

（1）系統(tǒng)管理模塊：包括用戶信息及項目信息管理。用戶信息包括用戶名、姓名、部門及權(quán)限等信息;項目信息包括項目所在地、項目負責(zé)人和監(jiān)測設(shè)備等信息。

（2）數(shù)據(jù)分析模塊：根據(jù)原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進行形變量計算;對形變量進行預(yù)處理;結(jié)合BIM模型進行數(shù)據(jù)分析。

（3）監(jiān)測信息模塊：原始監(jiān)測數(shù)據(jù)及隧道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲管理。

（4）上層應(yīng)用模塊： BIM模型的管理;基于BIM模型變形信息的可視化展示;根據(jù)變形信息生成各類圖表、曲線;根據(jù)設(shè)置的閾值進行變形預(yù)警信息的推送。

2.2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，系統(tǒng)基于Visual Studio平臺，采用C#語言開發(fā)，隧道監(jiān)測信息數(shù)據(jù)采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫存儲，隧道BIM模型采用Autodesk公司的Revit軟件進行構(gòu)建，BIM模型與監(jiān)測信息數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)基于 Unity 平臺中的Unity 3D引擎來實現(xiàn)。按照整體性和一致性原則進行系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)從邏輯上分為：數(shù)據(jù)層、平臺層及應(yīng)用層，如圖8所示。

（1）數(shù)據(jù)層是在收集隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)、屬性信息及采集變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進行相關(guān)數(shù)據(jù)管理。主要包括監(jiān)測數(shù)據(jù)、BIM 模型數(shù)據(jù)、 隧道屬性數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運行管理數(shù)據(jù)，運行管理數(shù)據(jù)包括操作日志數(shù)據(jù)、用戶管理數(shù)據(jù)和項目管理數(shù)據(jù)等[21-22]。

（2）平臺層即整個系統(tǒng)的信息支撐平臺，系統(tǒng)是在Visual Studio平臺之上進行開發(fā)，平臺層通過融合Revit平臺的模型管理技術(shù)及Unity 3D引擎技術(shù)，可將BIM模型與監(jiān)測信息進行集成關(guān)聯(lián)[23]。

（3）應(yīng)用層是最終用戶與系統(tǒng)各功能模塊進行交互訪問的一個平臺，是用戶最能直觀感受，并進行操作的界面平臺。

3 工程應(yīng)用

以某市地鐵隧道保護區(qū)監(jiān)測項目為例，介紹本系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用。該運營地鐵隧道附近正在新建一條快速公路，為了監(jiān)控公路施工對地鐵隧道運營的影響，需要對臨近地鐵隧道區(qū)域進行保護區(qū)監(jiān)測。監(jiān)測方式采用徠卡TM30測量機器人自動化監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)量非常龐大。

采用本系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管理分析，系統(tǒng)主界面如圖9所示，主界面包含隧道屬性信息管理、點位數(shù)據(jù)管理、形變量計算及查詢、模型展示等菜單。

（1）文件菜單主要負責(zé)用戶信息及項目信息的錄入。

（2）編輯菜單用于對用戶信息及項目信息進行編輯管理。

（3）隧道屬性信息菜單屬于監(jiān)測信息管理模塊，負責(zé)對隧道相關(guān)屬性數(shù)據(jù)進行錄入、修改、刪除等管理功能。

（4）點位數(shù)據(jù)菜單屬于監(jiān)測信息管理模塊，負責(zé)對監(jiān)測設(shè)備信息及原始觀測所得數(shù)據(jù)進行添加、修改和刪除等。

（5）形變量計算及查詢菜單屬于數(shù)據(jù)分析模塊，包含形變量計算、分析、處理及查詢等功能。

（6）模型展示菜單屬于上層應(yīng)用模塊，主要實現(xiàn)用戶對隧道BIM模型及關(guān)聯(lián)于模型上的各類變形信息進行全方位的瀏覽。

系統(tǒng)部分功能應(yīng)用如圖10—圖13所示。系統(tǒng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)采用SQLsever（關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）數(shù)據(jù)庫進行存儲管理，自動計算形變量，繪制各類過程曲線，便于變形分析人員進行形變規(guī)律的可視化分析。系統(tǒng)將監(jiān)測信息與BIM模型進行關(guān)聯(lián)，進一步提升了變形信息的可視化程度，實現(xiàn)變形信息的圖形化瀏覽和查詢，同時，變形分析人員可以將變形信息與隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)（管片號、管片寬度、管片楔形量等）進行結(jié)合，為提高分析的準(zhǔn)確性提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

本文通過引入BIM技術(shù)構(gòu)建了地鐵隧道模型，綜合利用Visual Studio 、Unity 3D 平臺及SQLsever數(shù)據(jù)庫進行地鐵隧道監(jiān)測信息系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于工程實踐。主要結(jié)論如下。

（1）研究BIM應(yīng)用平臺，使用Revit軟件運用參數(shù)化與自適應(yīng)特性建立隧道構(gòu)件族庫，針對工程實例隧道參數(shù)進行模型拼裝，實現(xiàn)隧道BIM模型的參數(shù)化建模。

（2）設(shè)計開發(fā)了地鐵隧道監(jiān)測信息管理系統(tǒng)。針對工程實踐需求進行系統(tǒng)功能設(shè)計、系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計，采用SQLsever數(shù)據(jù)庫進行隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)及監(jiān)測信息的存儲，利用Unity 3D 平臺對BIM模型與監(jiān)測信息進行關(guān)聯(lián)，最后基于Visual Studio 平臺，采用C#編程語言進行了系統(tǒng)開發(fā)。

（3）依托某市地鐵隧道保護區(qū)監(jiān)測項目對系統(tǒng)進行應(yīng)用。以BIM模型為可視化基礎(chǔ)，增強了監(jiān)測信息表達的直觀效果，通過監(jiān)測信息與BIM模型中的隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)聯(lián)，使得監(jiān)測信息和隧道空間結(jié)構(gòu)不再孤立，用戶能夠?qū)⒈O(jiān)測信息與地鐵隧道的物理特性與功能特性進行時空關(guān)聯(lián)分析，為提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性提供技術(shù)支撐。

【參 考 文 獻】

[1]孫斌彬，陳甦，李學(xué)東，等.基坑施工引起臨近地鐵隧道變形實測及有限元分析[J].森林工程，2017，33（5）：96-103.

SUN B B， CHEN S， LI X D， et al. Deformation measurement and finite element analysis of subway tunnel deformation caused by foundation pit construction[J]. Forest Engineering， 2017， 33（5）： 96-103.

[2]王麗華，仇玉良，姚紅志，等.隧道監(jiān)測信息管理與預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報，2012，8（6）：1287-1291.

WANG L H， QIU Y L， YAO H Z， et al. Development and application of tunnel monitoring information management and early warning system [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2012， 8（6）：1287-1291.

[3]黃軍榮，魯光銀，白冬鑫，等.自動化監(jiān)測預(yù)警平臺在月光巖隧道中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技，2020，43（11）：119-121.

HUANG J R， LU G Y， BAI D X， et al. Application of automatic monitoring and warning platform in Yueguang rock tunnel[J]. Heilongjiang Traffic Science and Technology， 2020， 43（11）：119-121.

[4]許學(xué)良，馬偉斌，蔡德鉤，等.鐵路隧道檢測與監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].鐵道建筑，2018，58（1）：14-19.

XU X L， MA W B， CAI D G， et al. Current situation and development trend of railway tunnel detection and monitoring technology[J]. Railway Construction， 2018， 58（1）：14-19.

[5]黃廷，陳麗娟，史培新，等.基于BIM的公路隧道運維管理系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[J].隧道建設(shè)，2017，37（1）：48.

HUANG T， CHEN L J， SHI P X， et al. Design and development of BIM-based operation and maintenance system of highway tunnel[J]. Tunnel Construction， 2017， 37（1）：48.

[6]劉訓(xùn)房.基于BIM和WEB的隧道動態(tài)施工監(jiān)測信息系統(tǒng)研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2017.

LIU X F. Research on tunnel dynamic construction monitoring information system based on BIM and WEB platform[D]. Dalian： Dalian Maritime University， 2017.

[7]武勝林，鄧洪亮，陳凱江，等.隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)信息化技術(shù)及應(yīng)用研究[J].測繪通報，2013，59（8）：25-27.

WU S L， DENG H L， CHEN K J， et al. Research on tunnel monitoring data informatization technology and application[J]. Bulletin of Surveying and Mapping， 2013， 59 （8）： 25-27.

[8]李小玲.基于建筑信息模型的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可視化研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

LI X L. Research on visualization for structural health monitoring based on building information model[D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2016.

[9]戚翼，王平.淺埋暗挖隧道圍巖變形特性分析[J].森林工程，2019，35（2）：107-111.

QI Y， WANG P. Deformation characteristics of surrounding rock in shallow and undercut tunnel[J]. Forest Engineering， 2019， 35（2）：107-111.

[10]AKCAMETE A， AKINCI B， LIU X S， et al. Methods and systems for linking building information models with building maintenance information： US20140089209[P]. 2014-03-27.

[11]陳德春，段偉，肖文龍.自動化監(jiān)測技術(shù)在基坑開挖周邊既有地鐵隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中華建設(shè)，2020，28（12）：104-107.

CHEN D C， DUAN W， XIAO W L. Application of automatic monitoring technology in deformation monitoring of existing subway tunnel around foundation pit excavation[J]. China Construction， 2020， 28（12）：104-107.

[12]周志浩，雷斌.基于BIM技術(shù)的變形監(jiān)測可視化研究[J].測繪標(biāo)準(zhǔn)化，2020，36（3）：32-35.

ZHOU Z H， LEI B. Visualization of 3D deformation monitoring based on BIM technology[J]. Standardization of Surveying and Mapping， 2020， 36（3）： 32-35.

[13]鄭帥，姜諳男，趙龍國，等.IFC標(biāo)準(zhǔn)下隧道智能管理系統(tǒng)建立與應(yīng)用[J].公路工程，2021，46（1）：29-34.

ZHENG S， JIANG A N， ZHAO L G， et al. Establishment and application of tunnel intelligent management system under IFC standard[J]. Highway Engineering， 2021， 46（1）：29-34.

[14]邱穎新.基于BIM技術(shù)的高速鐵路變形監(jiān)測信息可視化表達方法[D].成都：西南交通大學(xué)，2017.

QIU Y X. Visual expression method of high-speed railway deformation monitoring information based on BIM[D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2017.

[15]楊億.基于Revit的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模方法[D].深圳：深圳大學(xué)，2019.

YANG Y. Parametric modeling of spatial mesh structures based on revit[D]. Shenzhen： Shenzhen University， 2019.

[16]蔣慧，李希勝.基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計關(guān)鍵問題研究[J].森林工程，2018，34（6）：102-108.

JIANG H， LI X S. Research on key issues of collaborative design of building structures based on BIM[J]. Forest Engineering， 2018， 34（6）：102-108.

[17]曾賢敏，黃騰，李桂華.地鐵隧道保護區(qū)變形監(jiān)測信息管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息，2015，38（1）：107-110.

ZENG X M， HUANG T， LI G H. Design and realization of the data management system for the subway tunnel reserve deformation monitoring[J]. Geomatics & Spatial Information Technology， 2015， 38（1）： 107-110.

[18]廖海山，李盈洲.自動變形監(jiān)測系統(tǒng)在運營地鐵隧道監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2021，44（2）：193-195.

LIAO H S， LI Y Z. Application of automatic deformation monitoring system in metro tunnel monitoring[J]. Geomatics & Spatial Information Technology， 2021，44（2）：193-195.

[19]陳虹宇，吳賢國，張浩蔚，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺開發(fā)[J].城市軌道交通研究，2021，24（1）：93-96.

CHEN H Y， WU X G， ZHANG H W， et al. Development of software platform for health monitoring system of metro tunnel structure based on Internet of things[J]. Urban Rail Transit Research， 2021，24（1）：93-96.

[20]戎呈航，陶紅雨.BIM監(jiān)測信息管理案例研究[J].浙江建筑，2020，37（1）：64-67.

RONG C H， TAO H Y. BIM monitoring information management case study[J]. Zhejiang Construction， 2020， 37（1）： 64-67.

[21]桑超杰.探析基坑監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J].江西建材，2019，41（12）：33-34.

SANG C J. The design and development of the information management system for the monitoring of the base pit[J]. Jiangxi Building Materials， 2019， 41（12）： 33-34.

[22]張文，黃聲享.基于Web的變形監(jiān)測信息管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪地理信息，2020，45（3）：115-118.

ZHANG W， HUANG S X. Design and implementation of deformation monitoring information management system based on web[J]. Journal of Geomatics， 2020， 45（3）： 115-118.

[23]郭語，鄭加柱.BIM與Unity3D結(jié)合的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2020，8（5）：25-31.

GUO Y， ZHENG J Z. Indoor navigation system based on BIM and unity 3D[J]. Journal of Navigation and Positioning， 2020， 8（5）：25-31.