基于BIM的地铁隧道监测信息管理系统的设计与实现

李益斌 陈健 徐传旺

摘 要：在地铁隧道监测项目中数据量繁多且抽象，因此建立相关的信息管理系统尤为必要。为此本文将先进的BIM技术与传统隧道监测理念相结合，自主开发了基于BIM和云平台的隧道动态监测信息系统，并进行工程应用。主要研究内容为：① 研究了隧道BIM参数化快速建模方法，采用Revit（三维参数化建筑设计工具）进行IFC标准的隧道族构件库的建立，使用Revit软件构建了隧道三维BIM模型。② 基于地铁隧道监测信息管理的实践需求，进行了系统功能设计及系统框架设计。③ 利用 Visual Studio 及 Unity 3D 平台，采用C#编程语言进行系统开发，实现监测信息的添加及修改、形变量的计算、基于模型的变形信息展示等功能。通过上述BIM模型表达、监测信息与BIM模型的关联，提高了监测信息的可视化程度，并且为提高分析结果的准确性提供技术支持，取得良好效果。说明本文系统的开发方法和程序是成功的，可以有效地提高隧道监测信息的管理水平。

关键词：建筑信息模型;信息化;隧道;参数化建模;变形监测

中图分类号：TU198    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2021）03-0131-06

Abstract：In the metro tunnel monitoring project， the data are numerous and abstract， so it is necessary to establish the relevant information management system. Therefore， this paper combines advanced BIM technology with traditional tunnel monitoring concept， independently develops a tunnel dynamic monitoring information system based on BIM and cloud platform， and carries out engineering application. The main research contents are as follows： （1） The rapid modeling method of tunnel BIM parameterization is studied. Revit （3D Parameterized Building Design Tool） is used to build the tunnel family component library of IFC standard， and Revit software is used to construct the tunnel 3D BIM model. （2） Based on the practical requirements of metro tunnel monitoring information management， the system function design and system framework design are carried out. （3） Using Visual Studio and Unity 3D platform， using C# programming language for system development， to achieve the monitoring information to add and modify， the calculation of shape variables， deformation information based on the model display and other functions. Through the association between the above BIM model expression and monitoring information and BIM model， the degree of visualization of monitoring information is improved， and technical support is provided for improving the accuracy of analysis results， which has achieved good results. It shows that the development method and program of this system are successful and can effectively improve the management level of tunnel monitoring information.

Keywords：Building information model; informatization; tunnel; parametric modeling; deformation monitoring

0 引言

地鐵隧道建成后，如何对其进行监测、维护成了城市发展的重中之重。隧道表面渗水，隧道壁形变、位移和开裂等，如未经及时处理，均会导致严重的坍塌事故，造成巨大的经济损失。因此，对地铁隧道，尤其是部分较为年久的隧道进行准确高效的监测维护工作极其重要[1]。

在隧道监测工作之后，需要将大量的数据进行统一管理，方便后续计算及分析的进行。传统的地铁隧道监测信息管理方式通常采用数据库技术，将监测信息进行存储管理，例如：王丽华等[2]开发了分布式的隧道监测信息管理和预警系统，实现对监测信息的存储、处理、查询、数据自动化输出及预警。这种管理方式并没有将监测信息与地铁隧道的物理结构属性对应，也就是空间数据（物理结构属性）与属性数据（监测信息）没有相互关联，如果只是孤立地分析属性信息得出的结果具有片面性[3-4]。BIM（building information modeling，建筑信息模型） 技术具有可视化、协调性和全生命周期性等优点，近年来，大量学者正在从事BIM 技术与隧道结合的应用研究，黄廷等[5]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;刘训房[6]开发了基于BIM的隧道动态施工信息系统，对隧道进行实时监测;武胜林等[7]将BIM技术用于隧道监测数据信息化分析，取得了较好的效果。本文以某市地铁隧道保护区监测项目为例，基于BIM技术开发了监测信息管理系统，实现监测信息与模型的关联，不仅提高了数据的可视化程度，而且为后续分析的结果更加全面、准确提供技术支撑。

1 地铁隧道 BIM 模型构建

BIM是具有可视化、协调性和全生命周期性的一种管理模型，以建筑工程项目各项数据为基础，基于数字信息仿真构建建筑物真实信息，为建筑从业者提供一个数据处理及信息共享的平台[8-10]。

基于BIM技术开发监测信息管理系统，将监测信息集成于BIM模型上，并与隧道的物理属性信息相关联，为解决隧道监测数据抽象和变形分析“孤立”等问题提供有效途径[11-14]。

本文采用Autodesk公司的Revit（三维参数化建筑设计工具）软件进行隧道BIM模型的构建。Revit全面创新的概念设计功能带来的易用工具，能够辅助用户进行自由形状建模和参数化设计[15-16]。根据隧道周围环境的不同，地铁隧道开凿的方法也会有所不同，地铁隧道开凿主要分为明挖法、暗挖法和盾构法。本文所依托的地铁隧道保护区监测项目所处长江三角洲地区，地表建筑密集，使用盾构法开凿隧道处较多，故模型搭建以盾构隧道为例。模型构建步骤分为3步：定线、定参和建模，如图1所示。

根据隧道设计参数，分类提取出隧道中线各点的三维坐标值，而后将中线各点添加到CAD中，利用CAD做出隧道中线的平面线及纵断线，如图2所示。

在得到隧道中心线数据后，进行盾构排版，设置隧道高程、管片宽度、管片楔形量（锥度）和盾构直径等，并与实际隧道盾构面进行比对。在确认结果无误后执行程序，程序将自动进行隧道盾构面参数排版，并用于后续的隧道盾构面生成，建模过程如图3—图5所示。

在Revit软件中，根据不同盾构管片参数构建管片族库，然后根据隧道中心参数导入对应的管片族库。选择自动搭建盾构隧道选项，进行盾构管片的自动生成。生成结果如图6所示。

2 系统设计

2.1 系统功能设计

地铁隧道监测信息管理系统要完成的任务是通过使用已有的计算机软硬件、开发平台和数据库等资源，来设计并且开发实现一个数据收集、管理、分析一体化的信息管理系统，为用户进行相关变形分析提供技术支持[17-19]。系统功能需求是系统开发的核心动力，完善的需求有助于系统的人性化、性能化实现。基于实际工程应用需求，系统的主要功能分为以下几个模块：系统管理模块、数据分析模块、监测信息模块和上层应用模块，如图7所示[20]。

（1）系统管理模块：包括用户信息及项目信息管理。用户信息包括用户名、姓名、部门及权限等信息;项目信息包括项目所在地、项目负责人和监测设备等信息。

（2）数据分析模块：根据原始监测数据进行形变量计算;对形变量进行预处理;结合BIM模型进行数据分析。

（3）监测信息模块：原始监测数据及隧道结构数据的存储管理。

（4）上层应用模塊： BIM模型的管理;基于BIM模型变形信息的可视化展示;根据变形信息生成各类图表、曲线;根据设置的阈值进行变形预警信息的推送。

2.2 系统逻辑架构设计

根据系统功能需求，系统基于Visual Studio平台，采用C#语言开发，隧道监测信息数据采用SQL Server 数据库存储，隧道BIM模型采用Autodesk公司的Revit软件进行构建，BIM模型与监测信息数据的关联基于 Unity 平台中的Unity 3D引擎来实现。按照整体性和一致性原则进行系统整体架构设计，系统从逻辑上分为：数据层、平台层及应用层，如图8所示。

（1）数据层是在收集隧道结构参数、属性信息及采集变形监测数据的基础上，进行相关数据管理。主要包括监测数据、BIM 模型数据、 隧道属性数据及系统运行管理数据，运行管理数据包括操作日志数据、用户管理数据和项目管理数据等[21-22]。

（2）平台层即整个系统的信息支撑平台，系统是在Visual Studio平台之上进行开发，平台层通过融合Revit平台的模型管理技术及Unity 3D引擎技术，可将BIM模型与监测信息进行集成关联[23]。

（3）应用层是最终用户与系统各功能模块进行交互访问的一个平台，是用户最能直观感受，并进行操作的界面平台。

3 工程应用

以某市地铁隧道保护区监测项目为例，介绍本系统在工程中的应用。该运营地铁隧道附近正在新建一条快速公路，为了监控公路施工对地铁隧道运营的影响，需要对临近地铁隧道区域进行保护区监测。监测方式采用徕卡TM30测量机器人自动化监测，监测数据量非常庞大。

采用本系统对监测数据进行管理分析，系统主界面如图9所示，主界面包含隧道属性信息管理、点位数据管理、形变量计算及查询、模型展示等菜单。

（1）文件菜单主要负责用户信息及项目信息的录入。

（2）编辑菜单用于对用户信息及项目信息进行编辑管理。

（3）隧道属性信息菜单属于监测信息管理模块，负责对隧道相关属性数据进行录入、修改、删除等管理功能。

（4）点位数据菜单属于监测信息管理模块，负责对监测设备信息及原始观测所得数据进行添加、修改和删除等。

（5）形变量计算及查询菜单属于数据分析模块，包含形变量计算、分析、处理及查询等功能。

（6）模型展示菜单属于上层应用模块，主要实现用户对隧道BIM模型及关联于模型上的各类变形信息进行全方位的浏览。

系统部分功能应用如图10—图13所示。系统将监测数据采用SQLsever（关系型数据库管理系统）数据库进行存储管理，自动计算形变量，绘制各类过程曲线，便于变形分析人员进行形变规律的可视化分析。系统将监测信息与BIM模型进行关联，进一步提升了变形信息的可视化程度，实现变形信息的图形化浏览和查询，同时，变形分析人员可以将变形信息与隧道结构参数（管片号、管片宽度、管片楔形量等）进行结合，为提高分析的准确性提供技术支撑。

4 结论

本文通过引入BIM技术构建了地铁隧道模型，综合利用Visual Studio 、Unity 3D 平台及SQLsever数据库进行地铁隧道监测信息系统的设计与开发，并将该系统应用于工程实践。主要结论如下。

（1）研究BIM应用平台，使用Revit软件运用参数化与自适应特性建立隧道构件族库，针对工程实例隧道参数进行模型拼装，实现隧道BIM模型的参数化建模。

（2）设计开发了地铁隧道监测信息管理系统。针对工程实践需求进行系统功能设计、系统逻辑架构设计，采用SQLsever数据库进行隧道结构参数及监测信息的存储，利用Unity 3D 平台对BIM模型与监测信息进行关联，最后基于Visual Studio 平台，采用C#编程语言进行了系统开发。

（3）依托某市地铁隧道保护区监测项目对系统进行应用。以BIM模型为可视化基础，增强了监测信息表达的直观效果，通过监测信息与BIM模型中的隧道结构参数相关联，使得监测信息和隧道空间结构不再孤立，用户能够将监测信息与地铁隧道的物理特性与功能特性进行时空关联分析，为提高分析结果的准确性提供技术支撑。

【参 考 文 献】

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