集成GIS/BIM的盾构隧道全寿命管理系统研究

林晓东， 李晓军， 林　浩

(1. 同济大学地下建筑与工程系， 上海　200092； 2. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室， 上海　200092)

0　引言

盾构隧道是城市轨道交通的重要组成部分，截至2017年初，国内共有28个城市开通轨道交通运营，总计114条线路通车，运营线路总长度达3 746 km[1]。大规模盾构隧道建设产生的海量历史数据的存储、共享、分析等问题，给工程勘查、设计、施工、监测、维护等全寿命管理带来挑战。

数字化技术是改善工程管理的重要手段，国内外在盾构隧道的数字化技术应用方面已开展了大量研究。在地理信息系统(GIS)方面，Baffour等[2]利用GIS建立了地下基础设施管理系统，绘制出地下设施平面图，为今后新增地下基础设施提供定位服务，保证施工安全并节约工程开支； Yoo等[3]在WebGIS平台基础上开发了管理工程地质信息和钻探孔信息的应用，对地质数据进行统一管理； Li等[4]开发了盾构隧道WebGIS应用平台，实现对盾构隧道施工数据的管理、可视化和分析； 朱合华等[5]利用GIS建立了盾构隧道建养一体化数字化平台，包括数据采集、处理、表达和分析等功能。GIS适合地理数据的分析与管理，但是对于非地理数据(如盾构隧道数据)，只能作为属性信息管理，这将导致非地理数据的管理变得复杂。

建筑信息模型(BIM)的核心是建立统一的建筑全寿命信息模型，早期针对地面建筑提出，目前已经逐步在隧道工程运维管理中得到应用。Hegemann等[6]通过BIM的数据标准扩展，提出适用于盾构的信息模型，将BIM应用在盾构隧道工程； 黄廷等[7]建立了基于BIM的隧道管理平台，实现可视化的隧道运维管理； 胡珉等[8]针对隧道运维管理对象众多、信息分散和时空特性复杂等问题，在BIM 模型基础上建立隧道可视化智能决策系统。目前BIM主要应用于可视化、造价分析、碰撞检测和施工仿真等方面，但缺乏地理空间分析能力，而且在模型体量较大时，BIM模型的加载、渲染性能会快速下降。

综上所述，集成GIS和BIM，一方面可利用GIS在地理信息方面的捕捉、储存、处理、分析、管理和表达等功能，另一方面可利用BIM的统一建筑信息模型对全寿命数据进行标准化管理。近年来有学者尝试集成GIS和BIM，如Irizarry等[9]提出了GIS-BIM模型，实现施工过程中工程材料、资源、供应链的可视化管理，但在盾构隧道领域的报道仍较少。本文依托上海地铁盾构隧道工程，建立集成GIS/BIM的盾构隧道全寿命期管理系统，主要创新点体现在： 1)扩展了盾构隧道IFC信息标准，形成统一信息模型； 2)在系统中实现了GIS几何模型和BIM几何模型与统一信息模型的关联； 3)对信息模型进行可视化和开发不同全寿命周期分析功能。

1　技术路线

本系统的目的是管理盾构隧道工程的属性信息、二维图形信息和三维图形信息，并在数据信息基础上，实现不同的分析功能应用于隧道全寿命周期阶段。本文采用的技术路线如图1所示，其中属性信息管理主要基于IFC数据标准进行扩展，并在Revit中附加相应的IFC参数，导出至SQL Server数据库形成统一信息模型； 二维图形信息利用ArcGIS建模，导出对应的GeoDatabase二维图形文件，再由ArcGIS Runtime开发包加载展示； 三维图形信息在Revit中建模，导出FBX三维图形文件，由Unity3D作为图形引擎进行可视化。

对上述数据信息进行关联，开发不同的分析功能并用于盾构隧道的全寿命周期管理。下面对其中相对重要的IFC数据标准、数据信息的关联和管理系统在全寿命周期的应用进行介绍。

图1　盾构隧道管理系统技术路线

2　盾构隧道信息模型

2.1　IFC标准扩展

盾构隧道常用的信息模型为IFC(industry foundation class)[10]，是国际通用的 BIM 数据标准，因其涵盖领域广、可扩展性强，得到广泛应用。IFC 主要用于地面建筑全寿命周期信息的存储和交换，在盾构隧道方面的扩展工作目前仍在进行中，如 Yabuki 等[11]在 IFC 标准基础上提出并改进了盾构隧道的数据模型，该模型在 IFC 框架内增加了盾构隧道特有的对象实体，如管片、防水材料等； Amann 等[12]在 Yabuki[11]等提出的信息模型基础上，添加了盾构隧道线路信息，并与结构信息进行整合。本文基于上述研究，添加了盾构隧道施工、监测和病害检查等信息，如表1所示。

表1本文信息模型与已有信息模型比较

Table 1Comparison between information model recommended and existing information models

领域已有标准[11-12]本文新增地质信息地层地下水信息室内试验原位测试结构信息挡土墙地下障碍物管片防水材料管片接头工作井、二次衬砌线路信息平曲线竖曲线施工信息盾构掘进参数盾构姿态监测信息施工阶段监测运维阶段监测病害信息结构病害

IFC 标准的扩展方法主要有[13]： 1)基于IfcProxy实体的扩展(IfcProxy 实体是 IFC 标准提供的一个自定义扩展接口)； 2)基于 IFC 实体扩展，即在 IFC 模型框架基础上增加新的实体或实体属性，这是对 IFC 标准模型体系的扩充； 3)基于属性集的扩展，通过属性关系实体(IfcRelDefinesByProperties)关联到对应实体。

下面以施工数据为例介绍本文的盾构隧道信息模型。图2示出盾构隧道信息模型的部分施工数据，用实体IfcTask描述具体施工过程，如衬砌管片所对应的盾构掘进、管片拼装和壁后注浆等施工信息。IfcTask实体的PredefinedType属性通过IfcTaskTypeEnum枚举值表示该施工类型，IfcTask的属性TaskTime为IfcTaskTime实体，该实体可以完整描述施工的时间信息。一个 IfcTask 实例对应衬砌管片(IfcShieldTunnelRing)的盾构工作过程，两者之间通过关系实体 IfcRelAssignsToProduct 建立关联。IfcTask(TBMWorking)表示盾构的工作过程，其他过程如掘进过程 IfcTask(TBMExcavation)、拼装过程 IfcTask(SegmetnErection)和同步注浆过程 (SynchronizedGrouting)通过嵌套关系实体 IfcRelNests 嵌套其内。这3个过程 之间又存在先后关系，用施工顺序关系实体 IfcSequence 来描述。

(a) 管片和施工过程关系描述

(b) 盾构隧道施工过程关系描述

2.2　IFC扩展软件的实现

本文采用Revit 2016对盾构隧道、钻孔、监测点等进行建模，目前Revit 2016不能支持IFC实体扩展，故将模型所有物理单元采用默认的IfcBuildingElementProxy实体表示。盾构隧道模型通过赋值IfcBuildingElementProxy属性集的方式添加盾构隧道信息，由于Revit 2016中也不支持直接定义属性集，可借用IFC Export插件[14]将Revit的IFC参数输出为IFC文件中对应构件的属性集，借用Solibri查看在Revit中创建的属性集信息，如图3所示。最终通过Revit导出功能，将所有信息存储在SQL Server数据库中，作为统一信息模型供程序调用。

图3　Solibri查看衬砌属性集信息

3　信息关联

3.1　隧道编码

为了对系统构件进行统一管理，规定一套完整的编码规则十分重要。从唯一性和易读性角度考虑，采用表2所示的格式对隧道周围环境、地质、结构和监测点等进行编码。编码由字母和数字组成，最多包括3级信息和1组ID识别号，编码涵盖了地面建(构)筑物、地下建(构)筑物、地下管线、道路、钻孔、轴线、联络通道、衬砌环、隧道、通风井、车站结构和各类监测点等，如某一钻孔编码可写为GEO-BHL-ID。

3.2　集成GIS/BIM

集成 GIS 和 BIM 的关键在于实现 GIS 模型与 BIM 模型之间的数据共享，以及 GIS 2D图形与BIM 3D图形之间的关联。GIS和BIM的集成方案如图4所示。

对于属性数据，采用盾构隧道 IFC 信息模型作为数据共享的数据标准，利用Revit可将所有IFC属性数据导出到SQL Server数据库，为查询和分析功能服务。

表2　盾构隧道编码格式

对于几何模型，利用ArcMap二维建模，并对二维单元附加编码信息，导出GeoDatabase文件，采用ArcGIS Runtime SDK for. NET作为GIS模型的二维图形引擎；利用Revit三维建模，同样也对三维单元附加编码信息，导出FBX文件，采用Unity3D作为BIM模型的图形引擎。最终，采用C#的WPF开发语言，在系统中加载数据库、GIS和BIM模型，2D、3D图形与统一数据模型(数据库数据记录)通过盾构隧道唯一编码进行关联。

4　工程应用

在实际工程中，GIS 系统的空间分析能力可用于盾构隧道工程的常规分析，如确定隧道周边基坑开挖影响范围、某段隧道所处地层和隧道埋深等。在此基础上，可结合已有隧道数据，建立荷载结构和地层结构的数值模型，实现实时分析。利用 BIM 统一IFC信息模型，实现数据标准化，其优势体现在工程信息传递、信息存储和信息共享，能为盾构隧道数据分析提供标准化管理方法。

4.1　工程概述

以上海某区间地铁盾构隧道为例，介绍本系统在工程中的应用。该区间隧道于2013年底投入运营，内径为5.5 m，外径为6.2 m，环宽1.2 m，区间长度为1 450.9 m。隧道旁有一基坑开挖，总面积约 1 000 m2，与隧道最近水平距离约10.3 m。

图4　GIS和BIM集成方案

地铁区间在集成GIS/BIM的盾构隧道全寿命管理系统界面如图5所示，包括工程平面图(GIS几何模型，左窗口)、三维视图(BIM几何模型，右窗口)和统一信息模型数据(IFC属性数据导出数据库，下窗口)。图5示出几何模型与数据根据统一编码关联的结果，在GIS和BIM的几何建模过程中，对构件赋予了唯一编码，可与统一数据模型关联。例如当在系统选中编码为GEO-BHL-1243的钻孔时，所有窗口都能同时高亮显示该钻孔。该平台可用于盾构隧道地质勘察、结构设计、运营监测和养护维护等阶段的盾构隧道全寿命期管理。

4.2　地质勘察信息

从统一信息模型中可获取钻孔深度、地层分布、土性描述和地层各项物理力学特性统计指标等信息； 从几何模型中可得到钻孔的坐标、空间相对位置等信息。如在系统中可高效获取编码为GEO-BHL-1218、名字为Q18XC22的钻孔的土层信息，即2.26～0.86 m为灰黄色粉质黏土，0.86～-9.04 m为灰色黏质粉土，-9.04～-13.49 m为灰色淤泥质黏土，-13.49～-19.94 m为灰色黏土，-19.94～-24.44 m为灰色粉质黏土，-24.44～-40.54 m为灰色砂质粉土夹粉质黏土。图6示出开挖基坑周围的地层钻孔空间位置(中间窗口)、钻孔数据的统一数据模型(下边窗口)和根据地质信息绘制的选中的钻孔图(右边窗口)。

用户可选择感兴趣的隧道区段周围的钻孔，并定义地层的剖切面，系统将选中的钻孔垂直投影至剖切面上，并根据相邻钻孔的土层信息对钻孔之间地层进行插值计算，通过ArcGIS Runtime图形接口生成二维地层，最终由每个钻孔土层分布数据和钻孔空间位置可分析得到地质剖面图(图6左边窗口)，在隧道勘察阶段可利用系统对隧道周围地质情况进行充分了解。与传统的沿某些特定切面的地质剖面图相比，该系统可动态地生成用户自定义的剖面图，在此基础上利用空间分析获取隧道埋深、衬砌上覆水土压力等。对于复杂的三维地层，未来系统可集成地层不确定分析、克里金插值等算法，并通过Unity3D图形接口实现三维地层可视化。

图5　盾构隧道管理系统

图6　地质勘察信息可视化与剖切分析

4.3　结构设计信息

统一信息模型的结构设计信息包括隧道线路的平曲线组成、竖曲线组成、轴线里程、衬砌分块情况、管片材料和物理力学参数等，由几何模型和空间分析功能组成，可提取空间上有用的信息数据，如范围查询、长度面积测量、缓冲区分析等。在4.2节介绍的隧道地质剖面分析的基础上，将某一环衬砌垂直投影至剖面图，并利用空间分析功能计算衬砌上覆各土层厚度，由上覆土层物理力学参数计算得到隧道周围水土荷载(图7上窗口)。

图7　结构设计信息的内力计算

本系统也集成了Ansys有限元分析的功能，有限元分析被封装成服务的形式，提供了调用接口，实现了数字-数值模型转换功能。以荷载结构法为例，其实现原理如图8所示，盾构隧道管理系统将衬砌尺寸、材料属性和分析得到的垂直荷载和水平压力，以Http请求方式发送至有限元分析服务，返回的分析结果包括数值模型节点坐标、弯矩、轴力和剪力等信息，结果数据可视化效果如图7左下窗口所示。类似的，可实现地层结构法[15](图7右下窗口)的分析，为隧道结构设计提供参考。

由于结构信息的统一管理，隧道的结构分析不再需要协调各方数据资料，可在系统中根据信息模型自动生成所需数值进行模型计算，分析效率得到显著提高。

图8　系统荷载结构法实现原理

4.4　运营监测信息

系统可实时展示隧道沉降、收敛、倾角等监测信息。本文采用无线传感器进行实时采集，无线传感器是一种分布式感知网络，具备监测范围广、数据传输实时等特点，其实现原理如图9所示。将无线传感器安装至隧道内部，采集的数据通过4G网络传输至附近网关，在服务器上部署专门的接收程序接收网关的数据，再将原始数据解析并保存至本系统的统一信息模型，最终可实现盾构隧道管理系统同步实时监测。

图9　无线传感监测原理

通过在开挖基坑影响范围内的隧道布设双倾角传感器，监测管片的倾角变化，通过管片倾角变化量计算衬砌环的纵向变形和环向变形[16]。图10为无线传感器二维布置示意图(左上窗口)和三维布置示意图(右上窗口)，通过在几何模型中选取对应的监测点，可显示近期的监测数据图表(右下窗口)。

与传统的人工数据监测、监测数据汇总和生成监测报告的方式相比，本系统实现了上述过程的全自动化，在结构发生异常时可及时进行预警，对监测数据以不同的形式进行展示与比较。

4.5　养护维护信息

将隧道状态划分为5个等级，1分代表很好，2分代表好，3分代表一般，4分代表差，5分代表很差，采用Li等[17]提出的盾构隧道状态计算方法进行计算：

(1)

式中： TSI为盾构隧道状态；Save为隧道相对沉降平均值，mm；sdiff_ave为差异沉降平均值，mm/m；cave为收敛平均值；dl为每百环渗漏水面积，m2；dc为每百环裂缝长度，m；ds为每百环剥落面积，m2。

根据信息模型中的监测信息，获取该区间的沉降为0～9 mm，收敛变形为0～10‰D(D为衬砌直径)，区间总共有19处渗漏水、23处裂缝和12处剥落。采用式(1)的盾构隧道状态计算方法，将各个指标数值代入，得出该区间的状态为1.8～2.4，接近于“好(2.0)”状态，图11示出系统对地铁区间盾构隧道状态的评估结果。

与目前地铁规范和日常维护所采取的单项指标评估，以及“哪出现病害，修改哪里”的维护计划相比，本系统的综合性地铁隧道状态评估可用于指导盾构隧道的养护维护，确定不同区段的维护优先级，并定制科学维护计划。

图10　盾构隧道运营实时监测信息可视化

图11　盾构隧道状态评估

5　结论与讨论

本文建立了集成GIS/BIM的盾构隧道全寿命管理系统，主要结论如下。

1)在IFC数据标准基础上，扩展了盾构隧道的信息模型，主要包括地质信息、结构信息、线路信息、施工信息、监测信息和病害信息6个方面，该信息模型可用于数据的共享、交换和存储。

2)介绍了该系统的设计与实现，包括隧道编码、IFC信息扩展、GIS和BIM的集成方案，以及系统的组成框架。IFC的属性信息最终由Revit导出至SQL Server作为统一数据模型，通过隧道唯一编码与图形引擎中的GIS和BIM几何模型关联。

3)以上海地铁盾构隧道为依托，展示了该系统在地质勘察、结构设计、运营监测和养护维护等全寿命周期阶段的应用，结合具体工程案例说明该系统可提高盾构隧道在全寿命期的数字化管理水平。

未来仍需完善盾构隧道信息模型，使其覆盖更大范围的工程数据； 并添加更多的功能，如Unity3D引擎中的交互、数据挖掘、数值模型建模等。