BIM+GIS技术在铁路山岭隧道中的应用

谭新

摘 要：为实现隧道施工装备在施工过程中的数字化和信息化管理，以郑万铁路高家坪隧道工程为例，利用BIM+GIS技术，搭建了铁路隧道施工装备模型和施工场景模型。依托铁建重工自主研发的智能互联装备大数据协同管理平台，探索出了一种适用于山岭隧道工程多源模型在平台端的融合搭载技术路线，实现了基于BIM+GIS模型在平台端的信息化应用。

关键词：BIM+GIS；铁路山岭隧道；隧道施工装备；信息化应用

中图分类号：U452.2                              文献标识码：A                                  文章编号：2096-6903（2023）02-0116-03

0 引言

传统的BIM平台（主要是Autodesk软件平台和Bently软件平台）能够有效解决规划、设计、施工、运维等技术难题，但难以适应信息化管理的发展需求。通过将BIM+GIS技术结合大数据、物联网、5G等技術进行应用，不仅能充分发挥BIM技术强大的可视化功能，还能利用大数据平台可以对施工过程的进度、质量、成本、安全等数据进行实时采集反馈，大大提升信息化管理水平。

目前，隧道工程在BIM技术应用方面，徐博[1]基于Autodesk软件平台探索铁路隧道在设计阶段的BIM技术应用；贾斯博等[2]基于Autodesk软件平台，实现了地铁隧道GIS与BIM模型的融合。在基于BIM+GIS技术对在平台端的应用进行研究方面，王超等[3]基于隧道BIM自动化建模技术并结合GIS加物联网手段，实现了项目在隧道施工综合管理平台上的应用；戴林发宝等[4]针对不同设计阶段，基于BIM+GIS模型实现了在管理平台端进行应用。

然而，对于隧道装备制造型企业来讲，以上研究主要是针对隧道施工场景的应用，如何实现隧道装备在施工过程中的信息化应用才是重点。本文以高家坪隧道工程为例，探索隧道施工装备在施工过程中基于BIM+GIS技术在平台端的信息化应用。

1工程概况

高家坪隧道位于湖北省襄阳市南漳县，属于郑万高铁线的重要组成部分。隧道为山岭隧道，起讫里程为DK449+037～DK454+535，全长5 498 m，是一座单洞双线隧道。工程区域地质条件差，施工难度大，风险系数高，隧道涉及的地层主要为志留系页岩，岩性较软，围岩自稳型较差，且该区段范围内的二叠系长兴组碳质夹煤线层含有瓦斯等有害气体。

针对工程区域的地质条件，本工程采用钻爆全断面施工方法，隧道为复合式衬砌结构形式，隧道施工装备为企业自主研发、设计、制造、生产的钻爆法成套化智能装备产品。

2 三维模型搭建

为了真实动态映射隧道施工装备的作业过程，需分别搭建高保真隧道施工装备模型和作业场景模型。下面将分别针对两类模型建模方法进行介绍。

2.1 隧道施工装备模型

智能型三臂凿岩台车（ZYS113）具有智能精确定位、高效钻孔、超前地质分析、高度信息化等优点，是高家坪隧道的主要施工智能装备之一。以该智能型三臂凿岩台车为例，对隧道施工装备模型处理方法进行介绍。

2.1.1模型轻量化处理

智能型三臂凿岩台车模型是以企业自主研发设计的1：1三维数字模型为基础，为了使台车模型在平台端的加载运行流畅，在不影响整机外观和运动仿真的情况下，对模型进行轻量化处理，如减去台车的驱动机构、液压缸、紧固螺栓、螺母、定位销等零部件。

2.1.2模型的拆分

按照台车的运动功能进行分类，整机模型可拆分为5大部件。单个部件又可按照关节间运动学关系进行拆分成基础构件，并对其进行命名，如表1所示。

2.1.3模型重组与DH建模

基础构件按照运动关节的装配关系进行重组，得到“零位”状态下整机装配体。通过机器人运动学的DH建模方法，建立基础构件的坐标系，得到台车每个基础构件的6个坐标参数，分别为位置参数（x，y，z）和旋转参数（R，P，Y）。将带有坐标系的基础构件进行材质渲染和格式转换，得到平台端能够加载的台车基础构件模型。

2.2 隧道场景模型

隧道装备施工场景模型分为地形模型、地质模型和隧道模型。下面将分别对场景模型搭建方法进行介绍。

2.2.1地形模型

地形模型可以真实地反映出工程区域的地形地貌。通过获取高家坪隧道附近的地形高程数据和地形影像，利用Civil3D将地形高程数据生成地形曲面模型，利用Infraworks，设置好定位坐标系，导入地形曲面模型和地形影像，生成带地形影像的地形模型，然后导出到Navisworks进行轻量化处理，通过格式转换插件，得到平台端能够加载的地形模型。

2.2.2地质模型

依据高家坪隧道的线路数据、勘察的地质剖面图纸、地形曲面、隧道横断面设计图纸资料，采用三维地质软件，分别生成岩性地质模型和围岩分级两种隧道开挖地质三维模型，通过格式转换插件，得到平台端能够加载的地质模型。

2.2.3隧道BIM模型

依据高家坪隧道复合式衬砌设计图纸，采用Revit平台，按照隧道施工工序，建立不同隧道围岩等级的隧道族库模型，包括自适应隧道结构族、锚杆族、拱架族、附属设备族等，并给族模型添加属性信息，优选包括起始里程、终止里程、衬砌类型、围岩等级等信息。

采用Dynamo+Revit，沿着线路生成隧道设计BIM模型，通过格式转换插件，得到平台端能够加载的隧道BIM模型。

3平台端信息化应用

隧道施工装备模型和作业场景模型搭建完成后，采用企业自主研发的智能互联装备大数据协同管理平台进行集成应用。

3.1 模型轻量化管理与展示

在平台端，通过集成BIM+GIS模型，模型可以自动定位到工程所处的地理坐标位置，可视化展示工程区域周边的地形地貌；平台具有属性查看功能，选择单个构件模型，可以实时查看构件的属性信息，如构件的起止里程、构件类型、围岩等级等信息；平台还具有漫游功能，可以沿着隧道设计线路掌握隧道施工建造的情况，如图1所示。

3.2 装备定位与状态监控

台车上装有激光扫描仪、角度传感器和位移传感器，能够分别获取台车精确定位数据、运动关节的俯仰角度和伸缩行程，并生成台车日志数据上传到平台端。因此，在平台端按照DH坐标系加载台车基础构件模型并实时关联台车上传的日志数据，通过坐标系的齐次变换矩阵换算，就可实现台车模型的驱动。

平台端的台车姿态真实的反映了台车在隧道施工过程的位置和运动状态，从而保证了监控的有效性，如图2所示。

3.3 超前地质风险识别

根据原始地质勘察资料，生成的设计地质模型，包括岩性和围岩分级隧道开挖地质模型，这两种模型可以在平台中根据需求自动切换，默认状态为围岩分级隧道开挖地质模型。

根据原始地勘设计资料，隧道BIM模型的爆破面将按照里程区间段添加不同围岩等级颜色，在有破碎层、瓦斯等有害地质层的里程进行地质病害信息提示，初步对风险进行识别，对施工人员和装备安全起到了预警作用。当隧道掌子面施工获取得到围岩等级信息，通过日志数据反馈给平台端，通过比对原始地质围岩等级，若围岩等级发生变化，平台端將动态改变相应里程下的隧道BIM模型爆破面颜色和隧道BIM模型，实现地质模型和隧道BIM模型动态更新。

3.4 隧道施工进度管理

平台端隧道为实体BIM模型，根据不同隧道施工装备上传至平台端的定位数据，可知当前工区隧道施工进度情况，将隧道不同工序下的构件族模型与实际施工里程线路数据相关联，生成沿隧道线路的实体隧道模型。因此，可以用来动态反映隧道施工的进度情况。

4结语

目前，BIM+GIS技术结合大数据协同管理平台在高家坪隧道工程中的应用，探索出了一条多源BIM+GIS模型融合搭载的技术路线，初步实现了隧道施工装备在平台端的可视化、数字化和信息化管理。下一步拟将结合倾斜摄影等技术搭建更加精细化的隧道施工场景模型，高保真还原施工作业现场。同时，在平台端通过隧道施工装备数字模型来驱动施工现场台车，实现施工装备的数字孪生等，以提升企业的隧道施工装备产品在施工过程的信息化管理水平。

参考文献

[1] 徐博.清凉山隧道BIM技术应用研究[J].铁路技术创新，2015 （3）：30-34.

[2] 贾斯博，刘慧明，孙晓满，等.基于BIM与GIS技术的地铁隧道三维建模方法的研究[J].中国建材科技，2020，29（4）：88-89.

[3] 王超，周磊生，徐润，等.BIM施工综合管理平台在隧道工程中的应用研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2020， 39（9）：74-79.

[4] 戴林发宝，薛光桥，李海亮.基于CAD/BIM+GIS技术的江阴靖江长江隧道设计[J].铁路技术创新，2020（4）：140-145.