基于BIM的紫之隧道运维管理系统开发与应用

储伟伟， 储雪松， 高立强， 吴 锋

(杭州市城市建设科学研究院， 浙江 杭州 310003)

0 引言

目前，BIM技术是土木工程领域研究和应用的热点之一，越来越多的隧道工程在设计和施工阶段应用了BIM技术[1-4]。近年来，在隧道运维管理系统的开发上，也逐步引入了BIM技术，以提高隧道运维管理信息化、数字化、智能化的程度。胡珉等[5]在上海大连路隧道工程中，基于BIM建立了隧道可视化智能决策系统； 何拥军等[6]在上海延安东路隧道工程中，通过BIM实现了对隧道结构及设备的在线自动监测和综合控制管理； 黄廷等[7]将BIM技术引入浙江省41省道岭下隧道工程的运维管理中，开发了可视化的公路隧道运维管理系统。

综合调研结果可知，国内BIM 技术在运维阶段的应用总体还处于初级阶段，尚未成熟应用和全面推广。以上研究成果均在管理系统中引入了BIM技术，但三维展示功能均采用unity3D技术，用户需要安装对应版本的插件或客户端，限制了系统跨平台使用的灵活度。本文利用纯Javascript脚本实现的WebGL技术来开发三维展示功能，轻量简便，无需安装任何插件或客户端。此外，对日常养护中较为重要的人工定检病害数据，虽有研究对其进行了电子化录入，但未结合BIM模型进行三维展示。本文在网页端实现了病害照片点在隧道模型中的三维定位和展示，使管理者能快速了解病害的位置和周边工程结构的情况，为制定合理的养护维修措施提供帮助。同时，本文还研究了基于Autodesk平台的多款BIM软件混合建模技术，充分利用各软件的特点，实现了隧道工程快速准确建模。

1 工程概况及建模技术

1.1 隧道工程概况

杭州市紫之隧道(紫金港路—之江路)工程位于杭州绕城高速与西湖景区之间，南北走向，南起之江路、之浦路，北至西溪路、紫金港路。紫之隧道是杭州最长的隧道，也是全国最长的城市隧道，全长14 km，建设规模为双向6车道，主线由3座隧道、2座桥涵组成。南、北口采用“分级分流”的交通组织模式，主线双向4车道进出洞，并各设置1对匝道，匝道为分离式双向2车道。

紫之隧道工程投资达40多亿，涉及地勘、结构、通风、给排水和供配电等多种专业。隧道途经多种级别围岩，局部下穿河流道路，地质环境复杂，支护类型繁多。全线共有6个通风竖井、10座变电所、200多台风机、300多台摄像头、2 000多台综合设备箱和近万台照明灯具，管道线路纷繁交错，是一个庞大的系统，维护任务异常艰巨。

紫之隧道工程的土建结构依旧采用了传统的二维设计。在施工期间，第3标段施工单位为了对项目设计、施工过程进行有效管理，委托设计院利用Bentley平台软件进行了BIM应用的研究[8]，但仅限于第3标段的地质和土建结构。本文从整个紫之隧道的运维需求出发，建立了包含结构、照明、通风、供配电和给排水等系统在内的紫之隧道运维模型。

1.2 建模软件及建模关键技术

现有的3大BIM软件平台欧特克(Autodesk)、奔特力(Bently)和达索(Dassault)，在隧道建模方面都有应用案例： Dassault平台在宝兰客专石鼓山隧道[1]、上海沿江通道越江隧道[9]、上海杨高路隧道[10]中有应用； Bently平台在杭州紫之隧道第3标段[8]中有应用； Autodesk平台在西成客运专线清凉山隧道[2]中有应用。在综合考虑便利性、开放性和经济性等因素后，最终选择Autodesk平台，主要使用Civil3D和Revit软件进行紫之隧道的三维建模。

Revit是一款参数化的建筑图元软件，能够较好地提供建筑业BIM解决方案，但对于道路和隧道这种线性工程有一定局限性。Revit中三维实体的创建方法主要是通过拉伸、融合、旋转、放样、放样融合5个命令来完成。而隧道工程是带状线性工程，隧道中心线是一条三维空间曲线，通过Revit的放样或者放样融合命令创建的隧道支护，在端点处无法符合隧道断面竖直的工程实际，导致隧道段拼接时会出现错台和误差； 同时，Revit软件中基于面或者工作平面的构件放置方法，无法适应隧道中通过里程桩号沿三维隧道中心线放置构件的实际情况。

Civil3D是Autodesk旗下另一款设计软件，包含了AutoCAD的所有功能，是根据专业需要进行了专门定制的AutoCAD，主要针对道路和土石方工程。Civil3D里有明确的道路中心线概念，利用平面线和纵断面线来生成。Civil3D也是三维软件，可以由道路中心线和道路装配来生成道路三维实体，并且生成的道路实体在两端是竖直截面，符合工程实际。同时，道路在不同的区间里可以采用不同的装配方式，这也比较符合隧道在不同区间采取不同支护形式的情况。

对于通过里程桩号沿隧道中心线放置构件的问题，通过对BIM软件的二次开发，混合利用了Civil3D和Revit 2款软件的特点进行了解决。

1.3 隧道衬砌结构建模

根据紫之隧道运维需求，将紫之隧道按路线和支护类型分段，每段隧道又拆分为路面、边沟、管沟、管沟盖板、仰拱等构件。通过综合利用Autodesk系列的 Subassembly Composer、Civil3D和Revit 3种软件，结合二次开发，快速准确地建立了紫之隧道的衬砌结构模型。具体方法如下： 1)在Subassembly Composer里建立紫之隧道各种类型支护的“装配”，将“装配”导入Civil3D中，在Civil3D中创建隧道中心线，并结合“装配”沿隧道中心线创建各段隧道的三维实体； 2)利用Civil3D软件的accoremgd.dll、acdbmgd.dll等动态链接库提供的API，将每段三维实体以“.dwg”格式导出到外部文件中； 3)通过Revit二次开发将这些文件读入Revit，形成带属性信息的隧道三维模型。在此基础上，还创建了通过excel表格读取隧道段里程桩号和支护类型的隧道快速建模方法。

根据不同围岩等级、车道数、施工方法，以及是否有紧急停车带、是否有横通道等影响因素，紫之隧道支护的设计类型多达60余种。图1示出紫之隧道某匝道涉及的4种支护装配。

(a) Z-Ⅲ (b) Z-Ⅳ

(c) Z-Ⅴa (d) Z-Ⅴb

紫之隧道第2标段的衬砌结构模型见图2，为观察方便，图中根据不同的支护类型对隧道段进行了涂色，蓝色系的为南侧匝道，橙色系的为3车道段主线，灰色系为2车道段主线，绿色系为横通道，紫色系的为大跨渐变段。

1.4 隧道设施构件建模

在Revit软件中，模型的建立是通过创建各种构件族的实例来完成的。模型的参数化主要依靠构件的族功能得以实现，族的创建贯穿建模工作的始终。目前，Revit针对建筑行业创建了大量的族，如门、窗、梁、楼板等，但对隧道中的相关设施，如灯具、指示牌、风机、综合设备箱等，基本没有对应的族。因此，需根据紫之隧道文件资料创建隧道内各种设施、设备族。紫之隧道设施构件三维建模成果主要包括照明系统、通风系统、综合洞室、变电所、桥涵、交通控制系统、视频监控系统以及电力电缆等。

图2 第2标段隧道支护类型分布图

由前述可知，Revit软件中构件的放置是基于面或者工作平面的，无法通过里程桩号沿三维的隧道中心线进行放置。以照明系统为例，如果先将灯具放置到某一水平面，再根据里程桩号计算灯具竖直方向上到该水平面的距离来调整灯具高度，工作量非常庞大。利用Civil3D中的“道路”功能，在路线的每个(组)灯具桩号的位置上创建竖直的“参考平面”，再将创建好的道路经过处理后保存为“.dwg”格式。最后通过Revit二次开发，在导入的“道路”上循环获取每个“参考平面”，用这些“参考平面”作为工作平面来放置灯具族的实例。灯具的高度则在Revit灯具族里进行设置，而此时的高度是相对道路中心线的高度，是一个固定的值。利用这种方法，实现了照明灯具、综合洞室、交通指示牌及射流风机等设备沿里程桩号的准确快速放置。带有设备的典型隧道段模型见图3，紫之隧道部分机电设施模型见图4和图5。

紫之隧道全线共设10座降压变电所，1#降压变电所与管理用房合建，2#、10#降压变电所与工作竖井合建，其余7座分别在3座隧道内均匀分布。2#和4#变电所模型见图6和图7。

图3 典型隧道段模型

(a) (b) (c) (d)

(e) (f) (g) (h)

图5 1#、2#风机房模型

图6 2#降压变电所模型

图7 4#降压变电所模型

2 隧道运维管理系统设计

2.1 系统需求分析

2.1.1 定检巡查

隧道定检巡查是紫之隧道运营维护的重要内容，是开展隧道维修养护工作的基础。定检巡查工作主要由养护单位的工作人员来开展，养护单位根据巡查的结果，依据规范对隧道的土建结构、机电设施等项目进行分析评估，制定维修养护计划。养护部门依据《公路隧道养护技术规范》要求的频率和内容安排日常巡查工作。紫之隧道常规定检记录见表1。

目前，巡检记录都是由相关人员手工填写，有些记录是在巡检结束后较长时间才录入，尤其是病害照片需要编号并单独存放，与记录相互割裂，不利于保存和查阅。随着隧道运营时间的推移，这样的记录会越来越多，不仅保存困难，也无法进行数据分析和统计。因此，定检巡查记录应该采用数字化的手段，以方便查找并防止丢失，同时也能方便相关人员进行数据分析。

2.1.2 资料管理

紫之隧道内设施设备数量庞大，目前相关资料还是以纸质形式保存，当维修人员需要查看相关资料时，需要在大量的资料中人工寻找目标，如原理图、操作规程、维修规程等，存在费时费力的问题，特别是碰到维修任务比较紧急时，这个问题尤为突出。如何缩短资料查找时间，提高资料完整性和可用性，简化信息保存、更新工作，也是亟待解决的问题。设施设备资料的电子化，并与设备相关联，可以提高养护人员的维修效率和质量。

表1 紫之隧道定期检查记录表

2.1.3 设备定位

紫之隧道路线长，机电设施数量众多且分散。在日常巡检工作中，需要对隧道内的设备分阶段进行检查，如此庞大的数量，很容易出现漏检； 此外，隧道的巡检人员和维修人员分属不同部门，巡检人员报修上来的设备如何准确地传递到维修人员手里，也是需要解决的问题。隧道内设施设备的快速直观定位是解决以上问题的关键，可以避免巡检工作中的漏检，提高维修工作效率。

2.2 系统架构设计

由于紫之隧道养护管理涉及多个部门和众多工作人员，同时考虑到维护升级等因素，系统采用B/S架构。

系统共分为4层。底层为模型层，使用Autodesk平台软件进行建模，同时利用二次开发为构件对象添加必要的属性，如所属路线、支护类型、起终点里程桩号等； 最后利用插件将每个构件导出成单个文件并录入数据层中的“模型数据库”以备调用。数据层中的“运维数据库”包含了平台的大部分数据，如资料数据、设备数据、定检数据等，这些数据通过应用层展示给用户，并和用户交互； 数据层中还包含了视频监控平台和数据监测平台的数据库。平台层中的Web 3D图形引擎从数据层中获取模型和运维相关数据，为嵌入各个应用功能中的三维显示场景提供支持。整个系统的架构如图8所示。

图8 系统架构图

2.3 系统逻辑设计

系统全专业三维模型建好后，先上传至服务器，在服务器端对模型文件进行解析，提取出每一个构件的几何、材质以及附带的其他属性信息(如路线名称、支护类型、起终点里程桩号等)，并以唯一的uid存储进模型数据库。当系统某一功能模块需要三维展示构件或设备时，客户端会去服务器的模型数据库中调取这些构件或设备的几何和材质信息加载进浏览器，并通过基于WebGL的脚本程序在页面进行渲染并与用户交互[11-15]。当模型中某个构件在BIM软件中进行了修改，并再次上传至服务器时，模型数据库中对应的几何与材质信息会进行更新，而uid保持不变。下一次客户端再来取构件模型时，得到的就是更新过的模型。这样只需在服务器端维护一个模型，很好地贯彻了BIM概念中“一个模型”的中心思想。

模型通过Javascript脚本程序在各个功能模块的网页端与用户进行交互，各个模块结合模型的uid在运维数据库中记录隧道定检、设备资料等运维信息。系统还可以结合原有的监控及监测平台，在三维模型环境中展示监控及监测数据。BIM模型在系统中的应用流程如图9所示。

3 隧道运维管理系统模块及功能

根据运维需求分析，紫之隧道运维管理系统共分为7个子模块，系统功能设计图如图10所示。本文主要对三维展示、定期检查、设备管理、视频监控、监测数据5个模块进行介绍。

图9 BIM模型应用流程

图10 系统功能设计图

3.1 三维展示模块

三维展示模块能结合卫星地图将所有运维管理涉及的对象以三维的形式展现在网页中，使管理者在工作中快速掌握隧道设计及周边情况，满足从宏观管理到精细化管理的需求，结合卫星图的宏观展示界面如图11所示。

图11 结合卫星图的宏观示意图

图12示出隧道整体线路缩放至3#变电所时的展示界面，图13示出南侧匝道口半透明化路面后，排水管道及检查井的展示界面。

在该模块中，用户可以通过双击三维模型上的构件，查看构件的详细属性(包含所有Revit自带的属性)以及该构件相关的文件资料，如图14所示。

图12 变电所模型及设备信息

图13 排水管道及检查井

图14 构件属性及相关文件

在平时的会议和工作部署时，三维展示模块能够加快工作人员之间沟通意图的理解，避免曲解和误会，提升工作效率。同时，在紫之隧道对外工作汇报和参观中，三维展示模块也能起到很好的沟通桥梁作用。

3.2 定期检查模块

定期检查模块根据JTG H12—2015《公路隧道养护技术规范》中的要求进行开发，实现了紫之隧道定检信息电子化。紫之隧道被分为10个管理单元： 南东匝道、南西匝道、北东匝道、北西匝道、东线1号隧道、东线2号隧道、东线3号隧道、西线1号隧道、西线2号隧道和西线3号隧道。每个管理单元又分为土建结构、机电设施和其他工程设施3大类。通过2、3级菜单，可以定位到任一管理单元的任一类定检信息。

土建结构定检记录包括里程桩号、结构名称、检查内容、现场描述、标度、缺损位置和检查日期等内容，可在文本框填写相应的信息或者在下拉选项框里选择对应的结构类型。每条定检记录可以包含一张或多张病害照片。

传统的病害照片以文本编号的形式链接到照片文件夹，查找起来比较繁琐； 同时，由于拍摄角度和拍摄范围等因素，管理者很难根据照片快速定位到相应的结构，即使是拍摄者自己，经过一段时间后也很难再精确地找到拍摄位置。因此，该模块还开发了病害照片定位功能： 拍摄者在上传照片时，可以在三维界面中用鼠标在构件表面点选一个位置，系统会记录下这个位置的坐标； 后续管理者在定检记录中点击照片时，该位置点会自动生成一个红色的小球，同时三维界面会自动调整视点的位置和观察角度，以正视这个小球，这样就达到了自动定位照片点的目的； 鼠标点击这个红色小球，还可以调出相应的定期检查记录。图15示出定检信息三维展示界面。

图15 定检信息三维展示界面

应用定期检查模块后，隧道病害的描述和照片在同一界面显示，并且能定位到三维模型中，使得管理人员对病害有了准确的认识。管理人员还可以通过模型查看多个病害点的分布及附近相关设备设施，为准确分析病害成因和制定正确处置措施提供了保障。

3.3 机电设备管理模块

紫之隧道机电设备分为低配电设施、监控与通信设施、通风设施、消防设施和照明设施5大类。每个大类又分为若干设备类型，如消防设施分为电光标志、阀门、手动报警按钮等12种设备类型。机电设备管理模块可将隧道内所有的设备、管道和线路登记入库，并与三维模型相互关联。图16示出机电设备录入模块界面。

在实际录入机电设备信息的同时，还需绑定该设备的uid，这样不仅可以通过点击三维模型来获取机电设备的资料信息，而且还可以通过资料信息在三维模型环境里反向定位机电设备。

图16 设备定位界面

变电所与变电所之间的电力线缆以及变电所与机电设备间的供电线缆等信息，以往只能在电力施工图纸上查看二维标注，但具体线路走了哪条管沟、哪条线管，在何处上了电力桥架，在何处穿越了路面，都无法准确掌握。本文基于Revit开发了线缆插件，建立了电力线缆三维模型。图17示出南侧匝道口处电力线缆的分布和走向，其中红黄蓝3种颜色的电缆代表了三相10 kV高压线缆，灰色电缆代表了普通380 V的设备供电线缆。

图17 电缆BIM模型

3.4 视频监控模块

系统提供与视频监控设备的接口，可以实时在三维环境中快速调取监控画面。只需要在“视频监控”模式下双击三维模型中相应的摄像头，即可将该摄像头的当前画面投射到三维模型页面中。视频监控集成界面如图18所示。

图18 视频监控集成界面

3.5 监测数据展示模块

隧道内良好的空气状态是行车安全的必要条件，为了监测隧道内有害气体的体积分数，紫之隧道内安装了大量的CO探测器。系统将这些传感器的数据实时标注在三维模型中，使管理者对隧道内空气质量一目了然，有助于优化隧道内风机的控制策略。CO探测器数据显示界面如图19所示。

图19 南东匝道CO探测器数据显示界面

4 结论与讨论

本文对隧道运维管理系统涉及的关键技术进行了深入研究，从简单实用的角度开发了紫之隧道运维管理系统，将BIM模型引入到隧道运维的日常工作中，提供了直观可视化的工作界面，提高了运维工作效率。

1)通过对BIM软件及相关二次开发技术的研究，实现了针对隧道工程的快速建模。同时实现了三维模型几何及属性数据的导出，为三维模型的浏览器端渲染奠定了基础。

2)利用WebGL在网页端重建BIM模型的技术，实现了紫之隧道三维模型网页端展示与交互的功能，并在此基础上开发了Web架构的三维展示、定期检查、机电设备管理等模块，为隧道的日常养护提供了新的方法。

3)基于WebGL的网页端模型渲染存在一定的性能制约，无法同一时间在屏幕上显示大量的构件。以本系统为例，当三维场景中的构件数超过1 500个时，屏幕的刷新率FPS会降低到10以下，当构件数达到2 400以上时，FPS降到5以内，屏幕出现明显的卡顿。当构件造型比较复杂(如电缆构件等)时，即使加载构件数量较少，也会出现卡顿现象。因此，后续研究应考虑引入LOD模型细度等级的概念，对不同范围的场景加载不同细度等级的模型。同时可以结合倾斜摄影，实现对隧道地形地貌的全景加载。

4)在功能方面，隧道的应急管理系统也是BIM技术应用的重点，除了应急预案管理，BIM模型在隧道应急方案展示、疏散路线指示等方面的应用也应进一步研究和开发。