集成GIS/BIM的公路隧道数字化管理研究及应用

程方圆， 姚国明， 奎永才， 王建华， 赵秀清

(1. 同济大学地下建筑与工程系， 上海 200092； 2. 云南交投集团投资有限公司， 云南 昆明 650228；3. 云南第二公路桥梁工程有限公司， 云南 昆明 650205)

0 引言

由于地质环境的隐蔽性与复杂多变性、灾害事故的突发性，长大公路隧道建设面临着重大挑战。截至2016年底，我国公路隧道通车总里程达14 040 km，数量1.5万余处，其中特长隧道运营里程3 622.7 km，共计815处[1]。大规模公路隧道建设产生的海量工程数据急需高效的数字化管理方法。

地理信息系统(GIS)和建筑信息模型(BIM)是实现工程数据存储、分析和管理的2大平台体系。在GIS方面，王丽园等[2]利用CAD与GIS管理公路隧道信息资料库，构建公路隧道三维可视化系统；陆轶等[3]采用GIS技术设计了基于ArcGIS Engine的公路隧道监测信息系统，实现具有空间属性的监测数据管理与分析；阎一澜[4]建立了水文地质数据描述标准，使用ArcGIS建模实现水文地质数据分析。在BIM方面，邓小军等[5]关联BIM模型与进度、质量与安全等资料，实现公路隧道基于BIM的进度、质量与安全施工信息集成；蒋雅君等[6]通过对AutoCAD和Revit的二次开发,实现运营阶段公路隧道衬砌病害的三维可视化；宋战平等[7]初步提出面向隧道工程全生命周期数据协同管理，形成规划、设计、施工与运维一体化BIM管理平台。可以看出，目前GIS适用于地理空间数据管理和分析，而BIM侧重于设计、施工与运营等阶段工程结构属性数据协同管理。因此，有学者充分利用GIS与BIM技术互补优势，开展了一些隧道数字化管理研究。寇邦宁[8]从BIM三维参数化模型建立、信息模型和GIS平台真实场景展示等方面研究了铁路隧道勘察设计的技术路线；李福健[9]建立了GIS+BIM+物联网的安全监测平台，实现了铁路隧道围岩监控量测信息与BIM模型的集成与共享；王秋兰[10]基于GIS+BIM集成技术设计了公路隧道智慧管养系统框架，具有结构健康检测与安全评估预警等功能。同济大学提出的基础设施智慧服务系统(infrastructure Smart Service System, iS3)，是面向基础设施全生命数据采集、处理、表达、分析的一体化决策服务系统[11-12]，融合了GIS与BIM技术，从信息流的角度出发涵盖了规划、勘察、设计、施工与运营等阶段全生命周期数据，可用于盾构隧道[13]、综合管廊[14]等基础设施领域数字化管理。

综上所述，在实际应用过程中，集成GIS/BIM实现公路隧道数字化管理存在着一些问题： 1)地质与结构等海量工程数据尚未建立统一的数据存储标准； 2)急需有效的数字化管理手段实现GIS与BIM等多源异构数据的无缝融合。针对上述问题，本文将公路隧道建设过程中产生的海量工程数据进行分类，并制定统一的数据存储标准，为工程数据与GIS、BIM模型的集成提供技术方案；依托云南省老营隧道工程，基于iS3平台开发公路隧道数字化管理系统，实现GIS/BIM一体化联动、数据实时录入与资料在线查询等初步的集成应用，以期为今后公路隧道全生命周期数字化管理研究提供技术储备。

1 工程概况

老营隧道是云南省保泸(保山—泸水)高速公路的控制性工程，右幅隧道长11 520 m，左幅隧道长11 430 m，为分离式特长隧道，穿越Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3种围岩级别，主体结构和斜井分别包括9种断面类型，左右幅隧道之间设有人行横通道和车行横通道，共有6种断面类型。老营隧道全程采用钻爆法施工，由进出口相向施工，分为4个标段，其中保山进口端为1标，泸水出口端为4标，中间的2标、3标分别先行开挖1#斜井和2#斜井，待与右幅主洞相接后再进行主洞施工。

老营隧道穿越横断山脉南端的保山坝“西山梁子”，是怒江和澜沧江的分水岭，河流众多，为自然地理的分界线，如图1所示。隧道最大埋深达1 259.03 m，穿越古生界至新生界诸多地层，地质时代跨度较大，工程地质和水文地质情况复杂。隧道所处地势基本呈北高南低，区内大多山高坡陡，山脉走向及河流流向多呈北西走向，隧道隧址区属构造侵蚀、溶蚀中切割中山陡坡地形地貌。

图1 老营隧道隧址区

老营隧道地质条件复杂、结构类型多、施工风险大、参与人员范围广。因此，开展集成GIS/BIM的公路隧道数字化管理研究，对实现公路隧道海量工程数据存储与管理、促进各方协同工作具有重要意义。

2 信息分类与数据存储标准

公路隧道工程数据来源十分广泛，涵盖勘察、设计、施工与运营多个阶段。在广泛调研的基础上，结合老营隧道工程，将公路隧道建设过程中涉及的海量工程数据划分为5大类：地理地质(geology)、环境(environment)、设计(structure)、施工(construction)与监测(monitoring)。各个大类逐级细化，进一步细分为一级分类、二级分类、三级分类和信息节点。例如，对于地理地质数据，可划分为工程地质和水文地质2个一级分类。其中，工程地质又可分为地质调绘和地质勘探2个二级分类，均由多个三级分类和信息节点组成，如表1所示。

为保证工程数据组织、存储和交换的规范性、全面性和易用性，参考数据标准文件AGS[15]的数据传输与交换格式，形成公路隧道工程数据字典，即一系列工程对象的数据表格(包含对象的所有属性集合)。数据字典中的一张数据表格对应一个信息节点，规定数据状态(status)、字段(heading)、数据单位(suggested unit)、数据类型(suggested type)等，其中字段名称采用“表名_字段的英文名缩写”形式。为区别不同字段的重要程度，数据表格定义了3种字段状态： 1)关键字段(*),表格中某条记录的唯一标识，如ID； 2)必填字段(R),不能为空； 3)其他字段,可以为空，根据工程实际情况来选择是否需要填入数据。

根据老营隧道实际工程信息，按照制定的存储规则录入数据。以勘察孔基本信息(HDPH)数据表为例，其中钻孔编号ID为关键字段，输入1，2，3，…整数类型；勘察孔名称为必填字段，应输入文本类型(X)；2DP表示保留2位小数点的浮点类型；DT是指日期，为时间类型等，如表2所示。将地理地质、环境、设计、施工与监测属性数据存储于数据表格中，导入SQL Server数据库，形成相应的数据结构后，将工程数据部署于云服务器中。

表1工程地质信息目录与信息节点(部分)

Table 1 Partial information catalog and nodes of engineering geology

一级分类二级分类三级分类信息节点工程地质地质调绘地质勘探气象遥感地质构造钻探气象(WEAT)航空航片信息(AERP)遥感信息解译(IRSI)地形地貌(GMPG)地层(STRA)断层(FALT)褶皱(FOLD)裂隙(JONT)不良地质(AGEO)特殊性岩土(SPEC)勘察孔基本信息(HDPH)钻孔地层信息(DETL)钻孔取芯信息(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具有强大的图形编辑和处理功能，是数字成图的首选工具，工程测绘和勘察单位所获得的基础地理地质数据多以CAD的数据格式存储[16]。为了实现地理地质等二维图形数据与数据库属性数据融合，需将CAD图形数据转换为ArcGIS中的二维模型。

ArcGIS建模过程即为DWG文件数据格式向ArcGIS的SHP格式转换过程，将每个DWG实体类型转换成要素类，即点、线、面3种要素，如表3所示。例如，点要素通常指钻孔、监测点和泉点等突出地理位置、忽略实际大小和形状的实体对象，线要素包括隧道轴线、河流等呈线状分布的实体对象，而面要素主要指地层、水文保护区和水库等占据一定面积的实体对象。为方便导出ArcGIS图层，将DWG文件中的文字也以SHP格式的点要素存储。

表3 CAD与GIS图形要素

在完成ArcGIS二维建模后，所有CAD图形数据均在ArcGIS中以图层的形式存在。将不需要交互的图层生成TPK文件，作为工程的地理底图，例如隧道轴线图层。将需要交互的数字化对象(如监测点、钻孔等)从地理底图中独立出来，在属性表中附加ID属性信息，映射数据库中存储的地理地质数据，导出Geodatabase文件。

组合工程底图(TPK文件)与数字化对象(Geodatabase文件)，最终以主题图的形式分层次可视化表达二维GIS模型。例如，GIS剖面图分为施工进度图、衬砌类型图、地质剖面图(见图2)和物探图，分别突出表达施工进度、衬砌类型、地层与钻孔以及物探信息。

3.2 BIM模型

隧道BIM建模方法的研究可分2大类： 一是直接使用BIM软件建立隧道模型，二是BIM软件结合编程方法建立隧道模型。为提高模型的可复用性，本文采用Revit软件建立隧道结构参数化模型单元，并将隧道结构模型定义为3个LOD等级。LOD100为方案设计阶段，体现隧道整体的线路走向等；LOD200为初步设计阶段，在LOD100的基础上强调各衬砌类型断面尺寸；LOD300为施工图设计阶段，基于LOD100与LOD200注重锚杆、钢筋网与钢拱架等施工细节的表达。以LOD200所对应的直线二次衬砌模型单元为例，在Revit中采用放样的方式定义二次衬砌长度，导入CAD图中的衬砌断面，通过在曲线的交点处绘制与曲线相切的参照平面以及添加相应的尺寸标注实现直线段二衬厚度的参数化，如图3所示。所建立的隧道结构参数化模型单元包括直线衬砌、曲线衬砌、锚杆、钢拱架、钢筋笼、排水管与路面结构等，此外还建立了钻孔模型和地层模型。

分离几何模型与Revit属性信息是三维模型与工程数据集成的关键前提。在Revit中为各模型单元添加ID，将Revit属性信息存储于SQL Server数据库中；对于三维几何模型，将隧道结构单元、钻孔单元与地层单元等均导出FBX格式，并载入Unity软件。利用编写的C#程序，根据隧道轴线信息在Unity中拼接成不同LOD的隧道结构模型，如图4所示[17]。基于建立的地层单元，通过布尔运算、可见性控制等操作实现隧道结构与地层模型在三维场景中的可视化表达。

模型拼接与渲染后，在Unity软件中为三维模型附加脚本，实现： 1)给模型添加漫游脚本，可在全景空间中自由切换场景，达到浏览不同场景的目的； 2)梳理几何模型的分类结构，方便映射导出的模型属性信息； 3)对需要交互操作的模型分类结构添加交互脚本，可高亮显示点选的模型结构。完成上述一系列操作后，发布系统需要的Unity3D文件。

图2 隧道ArcGIS地质剖面图

图3 直线二次衬砌参数化模型单元(单位： mm)

(a) LOD100隧道结构模型

(b) LOD200隧道结构模型

(c) LOD300隧道结构模型

(d) 特殊段隧道接头模型

4 集成与应用

4.1 系统架构

基于iS3平台开发的公路隧道数字化管理系统架构包含4层，分别是数据层、服务层、应用框架层以及应用层，如图5所示。数据层提供数据标准格式，实现各种类型数据的对接，如各类数据库、BIM及GIS等数据。服务层则实现数据的云存储，提供数据访问组件，通过WebAPI实现各类数据的增删改查，并提供数据的各类分析功能。应用框架层为基于C/S架构的桌面端应用程序，采用C#与WPF语言完成系统研发工作。应用层则是基于应用框架层，根据工程实际应用需求设计应用，本系统主要面向公路隧道工程设计与施工阶段，包括业主、设计、施工等相关工程人员。

图5 系统架构

4.2 数据集成

为实现属性数据与GIS/BIM几何模型的集成与关联，从而进一步实现海量工程数据有效数字化管理，本文提出了如图6所示的集成技术方案。

对于属性数据，采用制定的公路隧道数据存储标准作为数据存储规则，将涉及的海量工程数据存储于数据库中。对于几何模型，分别采用ArcGIS Runtime SDK for.NET作为GIS模型的二维图形引擎与Unity3D作为BIM模型的三维可视化引擎。最终，利用系统的iS3-Config配置工具载入几何模型，通过关键字段ID实现数据库数据与GIS、BIM模型的集成和关联。

4.3 数据管理

老营隧道工程地质条件复杂，建设过程中积累了大量的工程数据，如何有效地集成与管理这些数据、方便信息输入与查询是工程人员十分关注的问题，也是利用数字化手段实现进度、质量与安全等施工过程信息管理的基础。因此，目前系统在集成应用方面初步实现了GIS/BIM一体化联动、数据实时录入与资料在线查询功能。

1)GIS/BIM一体化联动。将存储于数据库中的老营隧道工程属性数据、二维GIS图形文件与三维BIM图形文件导入公路隧道数字化管理系统，系统会自动完成多源数据的无缝融合，实现数据与GIS/BIM模型一体化联动。以钻孔对象为例，通过可视化的交互操作，如点击下方数据列表中的一条钻孔记录，二维GIS剖面图形与三维BIM模型中的钻孔对象将同时高亮显示，如图7所示。

图6 技术方案

图7 二维、三维模型关联与可视化

2)数据实时录入。系统集成了地理地质、周边环境、设计、施工与监测5个方面的设计与施工海量数据，并以信息目录树与数据库数据列表、GIS二维模型以及BIM三维模型3种模式全方面展示海量工程数据。然而，在数据表格中填入工程数据，再将数据导入数据库的操作十分繁琐与滞后，不利于现场工程人员管理海量工程数据。因此，系统提供了数据一键式增删、查询、上传与存储等功能，现场工程人员可以按照制定的数据存储标准，在现场远程操作数据库，录入所需记录的工程数据，实时完成数据的云存储，如图8所示。

3)资料在线查询。老营隧道建设工程中产生了大量的图片与视频等媒体类非结构化数据，例如掌子面照片、现场施工视频等。为满足现场工程人员的实际需求，在实现二维、三维GIS/BIM模型联动可视化的基础上，对于此类非结构化数据，系统在施工子模块中提供了加载图片与视频数据功能，方便现场工程人员进行资料的在线查询与可视化管理。例如，点击施工视频选项，GIS与BIM模型中(施工视频所对应的实际里程桩号处)将分别出现视频图标，然后点击GIS模型或BIM模型中的视频图标，选择打开视频，可调取如图9所示的现场施工视频。

图8 数据实时录入

图9 资料在线查询

5 结论与讨论

1)将公路隧道工程建设过程中涉及的海量工程数据分为环境、设计、施工、地理地质与监测5类，形成信息目录与信息节点，制定了数据存储规则，为工程数据的存储与共享提供了统一的数据标准。

2)在建立GIS二维模型与BIM三维模型，添加属性信息并发布图形数据文件的基础上提出了工程数据与GIS/BIM模型的集成技术方案，为实现公路隧道多源异构数据无缝融合提供了有效手段。

3)基于公路隧道数字化管理系统，实现了工程数据与GIS/BIM模型的集成与关联，并在二维、三维数据联动可视化的基础上，进一步实现了数据实时录入与资料在线查询功能，对现场施工管理具有一定的实用价值。

随着工程的推进，未来需要解决模型动态更新、海量工程数据可视化表达与施工过程信息管理等问题，并进一步完善系统的功能，例如增加结构分析接口与运营养护阶段结构服役性能评估接口等，以期实现公路隧道工程的全寿命周期数字化管理。