基于BIM+GIS的运营重载铁路隧道快速建模与信息集成技术

魏兴国 柴金飞 李尧

1.国能朔黄铁路发展有限责任公司 原平分公司， 山西 原平 034100；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081

快速准确建立建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是项目管理信息化的核心和方向，为项目管理提供了一种新的模式和思路，同时能够有效提高项目进度和效率，控制项目成本，降低施工和安全风险［1］。

周颖［2］提出了基于BIM的数字化协同管理体系的实施策略。蒋海里等［3］将基于BIM + GIS（Geographic Information System）的三维图形引擎应用到闵浦三桥的施工中。孟飞等［4］从组织机构、技术标准、工程应用和软件支持四个方面阐述了我国铁路BIM的发展现状，并分析了影响铁路BIM发展的关键因素。王建秀等［5］对BIM的应用现状、技术标准的制定、软件开发、技术人员培养以及BIM在地下空间工程中的应用进行了介绍。罗军等［6］利用GIS + BIM技术对建筑物设计中的计算机辅助设计数据进行转化、分析处理和三维建模，实现了BIM模型的可视化。韩宝剑等［7］基于BIM +GIS数据集成技术，搭建了一体化的京雄城际铁路四电施工管理平台。闫啸坤等［8］解决了桥梁快速建模、BIM与GIS融合等关键技术问题，实现了桥梁设备的三维可视化。

但是由于目前各类BIM软件中的隧道构件库仅具备存储和展示管理功能，无法与实际构件后期应用进行信息交互，极大影响了构件库的应用价值。隧道BIM往往忽略了隧道周边地质信息。隧道地质模型、结构模型、倾斜摄影模型与GIS图像的融合程度较低，隧道设备BIM + GIS展示平台尚不完善。针对上述问题，本文确定了隧道构件的编码方式，探讨了运营重载铁路隧道BIM快速建模技术和基于BIM + GIS的隧道设备服役状态信息集成方法。

1 运营重载铁路隧道BIM快速构建技术

设计和施工阶段BIM涵盖的信息不全，没有包含隧道运维期间结构变形、环境参数等必要元素以及各元素之间的关系。这些参数来源于不同的数据源。通过定义各数据间的关系来进行数据集成，并与BIM结合，形成全面、完整的运维数据库。

为了将运维信息与BIM精确对接，进行可视化展示，对隧道构件进行了实体编码，使每个隧道构件模型对应唯一的编码。

根据重载铁路隧道特点，通过收集隧道结构设计图纸等技术资料，建立了不同地质条件下典型隧道BIM的构件库（见图1），实现了典型隧道区段BIM的快速构建。结合铁路隧道劣化评定标准，建立了典型隧道病害库，对构件名称、病害类型等信息进行结构化存储，不仅为隧道病害的标准化描述和统计提供了支撑，也为病害自动识别和评估分析提供了条件。

图1 典型隧道BIM的构件库

典型隧道构件库的构建思路：

1）对构件几何尺寸进行分析或提取，构建参数化的构件模型。

2）归集整理每种构件类型包含的属性信息，从身份描述、定位信息、几何信息、技术信息、组织角色、项目信息、生产信息、资产信息、运维信息等方面对信息进行定义，形成构件属性信息标准。

3）通过分类创建构件表和属性表，对构件分类编码、有序存储。隧道构件编码采用组合码，由9部分42位代码组成。具体包括：单位代码（5位）、线路代码（4位）、行别代码（2位）、线别代码（2位）、运营管理方式代码（1位）、位置代码（11位）、长短链标记（1位）、设施设备代码（12位）、序号代码（4位）。其中设施设备代码按照专业属性分类，逐层划分编制代码，采用6层12位代码表示，如表1所示。

表1 设施设备代码编制示例

4）以分类编码为关联手段，建立隧道结构树状组织关系，并将隧道构件与病害库进行内部关联，最终实现相应内容的自动识别读取，实现构件库的创建与调用，进而与线路平纵曲线关联，实现隧道BIM的快速构建。

通过构建典型隧道构件库和收集整理地质信息，实现典型隧道BIM（图2）和地质模型（图3）的快速构建。

图2 典型隧道BIM

图3 典型隧道地质模型

2 基于BIM+GIS的重载铁路隧道设备服役状态信息集成方法

重载铁路隧道工程具有长距离、环境复杂、与地形地貌关系密切等特点，将BIM、地质模型、GIS数据、多源检测监测数据进行融合，可实现基于BIM + GIS的重载铁路隧道设备服役状态信息集成和对隧道BIM中构件的精细化管理。

BIM与GIS的数据集成可通过系统集成和应用集成来实现。在实际应用过程中可通过BIM与GIS数据格式之间的转换来实现信息集成。运维管理工作对模型精度要求不高，但对数据集成、系统集成的要求较高，因此考虑采用GIS引擎来统一管理BIM数据，以实现两者的融合。

通过实例化技术、细节层次技术、轻量化技术和三维缓存技术等多种技术，对BIM性能进行优化，解决精细化BIM在大场景展示时占用存储资源大、加载卡顿等问题。同时利用WebGL技术，通过调节计算机底层图形处理单元实现图形的三维可视化渲染。

具体集成方法如下：

1）选择GIS平台

结合隧道设备的管理需求和前期调研情况，选择SuperMap系统作为GIS平台。

2）铁路隧道多源数据分类

隧道设备服役状态信息集成是把不同来源、特点、格式及性质的数据集中与共享。铁路隧道设备数据分为结构化数据和非结构化数据。

结构化数据为隧道台账信息及其关系数据库。

非结构化数据为：①采用固定格式的文本文档、电子表格等方式记录的隧道运营和施工单位采集的数据；②检测监测设备采集的图像照片、视频流、语音包等数据信息。

3）多源异构数据集成

在运维BIM中，构件单元作为隧道结构划分的最低层级，是多源异构数据传递、集成、融合和流转的基本载体。因此，在多源异构数据集成过程中，可将一部分数据基于BIM直接写入，其余数据通过关联数据库写入。

4）铁路隧道设备综合管理模块研发

重载铁路隧道设备综合管理模块（图4）分为设备信息管理、检测监测数据展示（图5）两个子模块。

图4 重载铁路隧道设备综合管理模块界面

图5 检测监测数据展示界面

①设备信息管理子模块

设备信息管理子模块具有GIS地图浏览、隧道信息双向查询、快速定位、BIM展示、整条隧道信息展示、工点信息展示、监测设备数据展示等功能。

GIS地图浏览：具有放大和缩小功能，通过分级加载技术无缝切换BIM及倾斜摄影模型。

隧道信息双向查询：在查询文本框中填入查询内容（隧道名称、隧道号、中心里程、管段等），点击“查询”按钮，查询结果高亮显示，地图自动缩放到包含所有查询结果的范围；点击“图查询”按钮只需将鼠标移至地图中隧道所在地点，在鼠标下方会显示此隧道的名称，系统左下方显示其相关的基本信息，鼠标单击即可进入隧道详细信息页面。

快速定位：从查询树中点击“隧道名称”按钮，如果该隧道处于当前地图区域，则直接闪烁显示；否则地图先自动缩放到包含该隧道区域，再闪烁显示。

整条隧道信息展示：基于GIS地图，对区段内整条隧道病害进行展示，通过BIM关联设备台账信息、病害以及评估、整治、竣工资料等信息；不同种类信息勾选种类后，会弹出浮窗显示；区段信息可以用表格形式导出。

工点信息展示：针对隧道病害进行展示，具备病害类型筛选展示功能，典型病害以浮窗展示；病害库和工点信息均可以表格形式导出，隧道的设计图纸、历史数据和病害记录均可查询。

②检测监测数据展示子模块

该子模块主要完成基于BIM + GIS的隧道检测监测数据的展示。用户可以通过移动巡检应用程序将数据上传到数据库，系统通过调用数据库对检测监测数据进行展示，参见图5。

3 结语

本文确定了隧道构件的编码方式，探讨了运营重载铁路隧道BIM快速建模技术和基于BIM + GIS的重载铁路隧道设备服役状态信息集成方法，构建了隧道构件库，建立了典型隧道地质模型和结构模型，开发了隧道地质模型、结构模型、倾斜摄影模型与GIS图像的融合技术，并根据朔黄铁路现场实测数据开发了隧道设备BIM + GIS展示平台。