基于 web 和 BIM 技术的运营期地铁隧道结构质量信息管理系统

刘纪俭，司小东，陈 阳，徐从杰，郑全鹏

（1. 青岛地铁运营有限公司，山东青岛 266100；2. 中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

1 引言

近年来，随着城市的发展，我国地铁建设和运营里程也迅速增加[1]。地铁作为城市居民出行的重要交通方式、使用期限长达100年的建设工程，保障其安全、平稳运营十分重要，其中对地铁隧道进行检查维护尤为关键。

施工阶段遗留下的病症（如结构缺陷、背后空洞等）会导致地铁隧道结构局部的先天不足[2]，而运营阶段周边建筑施工及隧道结构、设施随时间的老化将引起地铁隧道结构受损、变形、渗漏水等病害的发生[3-6]，从而影响地铁运营的安全。

为获取隧道结构的健康状态，需要对其进行定期巡检。目前，地铁隧道巡检仍主要采取人工巡检和手工记录的传统方式，存在以下问题。

（1）采用人工巡检、手工记录及对部分病害信息拍照留存的方式，效率较低，巡检结果因人而异，连续性差。

（2）病害信息采用纸质记录然后转成电子表格的形式进行上报，存在汇总收集过程中版本过多和数据缺失的情况，导致资料管理十分困难，数据沉睡和信息孤岛效应显著，不利于数据分享及后期的统计分析、深度挖掘，无法发挥数据的真正价值[5]。

（3）隧道结构的表观病害和结构性病害信息往往互相割裂，未实现有效融合，不利于病害数据关联分析和发展诱因分析。此外，表观病害信息多采用展开图的形式进行展示，可视化程度低。

为对隧道结构病害信息、维修保养信息及监测信息进行集成和数据融合利用，本研究围绕运营期地铁隧道结构病害信息化管理这一核心问题，以已有运营期隧道结构质量信息管理系统为借鉴[7-10]，开发一套基于web和建筑信息模型（BIM）技术的地铁隧道结构质量信息管理系统，以实现隧道结构质量信息的便捷查询及数据的高效互联互通。

2 系统概述

地铁隧道结构质量信息管理系统包括web信息管理系统和移动APP客户端2部分。web信息管理系统作为系统的主体部分，可满足各种用户需求，支持全部用户角色的登录和业务处理功能。移动APP客户端由巡检人员使用，可完成对现场病害信息的采集，实现电子化巡检。

2.1 系统功能架构

通过调研不同用户的需求（如地铁巡检人员、管理人员等），吸取已有运营期隧道结构质量信息系统的应用经验，并结合地铁隧道本身的特点，确定本系统功能架构，如图1所示。

图1 系统功能架构

该系统具备信息录入与管理、信息查询、统计分析、可视化等功能模块。其中，信息录入与管理模块可对隧道结构病害、维修保养、变形监测等信息进行录入、导入及管理，对于采用自动化监测的项目，可预留自动化监测系统接口；信息查询模块可查询病害、维修保养、变形监测等信息；统计分析模块能够动态体现各类病害及其处置情况，以及结构变形情况；可视化模块采用BIM技术对隧道进行建模，实现隧道病害信息的可视化展示。

2.2 系统信息设置

2.2.1 隧道结构位置信息设置

为确保病害信息的标准化表达及病害的快速、准确定位，研发人员对隧道结构进行了拆分和解析，以实现隧道结构位置信息的准确设定。

在拆分隧道结构时，按照资产管理的理念，采用组织分解结构（OBS）解析方式，参考地铁隧道结构图纸及地铁运营公司隧道结构维修相关的制度文件，按照线路、线路方向、区间、里程、剖面位置、部位、部件ü从大到小的顺序依次对隧道结构进行解析，如图 2所示。由于不同类型隧道结构的相关信息存在不同，因此在设置结构位置信息时，还与隧道类型进行了关联。经过上述操作，隧道主体结构被拆分为沿长度方向1 m、横剖面分6块的结构单元，附属结构和附属设施根据里程信息与隧道主体结构进行匹配。

图2 隧道结构解析示例

2.2.2 隧道结构质量基础信息设置

隧道结构质量基础信息包括病害信息、维修保养信息、变形监测信息，本节将以病害信息设置为例进行介绍。为实现对病害信息的标准化设置，参照地铁运营公司隧道结构维修相关制度文件和行业标准CJJ/T 289-2018《城市轨道交通隧道结构养护技术标准》[11]并以前者为主进行病害信息设置。设置时，按照病害类型、病害等级及评判标准、病害描述、病害照片的顺序依次进行，其中病害类型需与工法、部位、部件进行关联，如图3所示。后期，若参考的技术标准进行了修订，使用人员可根据权限，在系统设置中对病害类型、病害等级等信息进行相应的添加和修改。

图3 病害信息组成示例

3 系统功能实现

3.1 信息录入

病害信息通常采用录入和导入2种方式输入系统：录入可在APP端和web端进行，导入则通过web端以Excel表格的形式输入。此外，系统还与第三方隧道快速检测系统设置接口协议，以实现数据导入，提高系统的可扩展性。病害信息录入后，有权限的使用人员可在病害信息管理栏查看其具体位置、类型、等级等属性信息，并在操作列对其进行处理和修改，如图4所示。

图4 病害信息管理页面

3.2 信息查询

系统中，除病害信息管理栏可以进行查询外，还针对只有查看权限没有修改权限的使用人员单独设置信息查询功能栏。

使用人员可根据隧道结构病害对应的相关信息，进行筛选查询，并在检索出的病害信息列表中点击查看”，进入病害信息详情页面。病害信息详情包括病害基本信息、病害描述、巡检记录、维修保养记录，如图5所示。通过查看病害信息详情页面，可以掌握病害的发展过程及处置结果，为隧道结构病害原因和发展规律分析提供有力的支持。

图5 病害信息详情页面

3.3 统计分析

统计分析功能可以实现对病害位置信息、种类、等级等要素规律的分析，追踪历史病害数量，将病害信息、监测数据通过图表、曲线等形式进行可视化显示。分析类型包括综合分析和快捷分析2类：综合分析涵盖所有病害属性信息分析形式，如病害区间分布分析、病害类型饼状图分析等，如图6所示；便捷分析包括单区间单病害、多区间单病害、单区间多病害等若干快捷图表分析，旨在以简化查询过程。

图6 病害类型饼状图分析页面

3.4 可视化展示

对于隧道结构病害的展示，以往多采用病害展开图的形式，不能形象地体现其分布情况。而本系统集成了可视化展示模块，利用BIM模型的可视化功能，以3D互动形式直观显示隧道结构病害的分布、等级等情况，实现了对病害的可视化展示，如图7所示。

在传统的展示形式中，隧道结构表观病害和结构性病害往往是互相割裂的，不利于分析整个隧道结构病害的发生原因并预测其发展趋势。而利用BIM模型对多种病害进行融合展示，并将相关病害信息赋存于隧道结构单元中，可以进行更有效、准确的分析和预测。

隧道结构BIM模型根据上文中提到的OBS解析信息构建，矿山法和盾构法隧道采用相同模型，明挖法则使用另一种模型。模型中，隧道沿纵向以1 m为单元进行切分，剖面按照左边墙、右边墙、左拱腰、右拱腰、拱顶、道床6部分进行切分，与录入的隧道结构病害位置信息保持一致；此外，还根据病害等级，用不同的颜色进行标记。使用人员可根据需要选择区间、上下行线、病害类型、分段长度（有100 m、500 m、1 000 m 3种分段长度）、里程范围等参数，随后点击查询按钮，通过鼠标拖拽实现对隧道结构病害的多维度展示和查看。由于病害信息都赋存于隧道结构BIM模型的构件中，因此点击标记异常的构件可查看相关病害信息并对其进行详细分析，如图8所示。

图8 BIM模型与隧道病害信息互联

3.5 移动 APP 客户端

移动APP客户端由巡检人员使用，具备现场病害信息采集录入、电子化巡检、信息查询等功能，如图9、图10所示。为更好地服务巡检人员，开发人员以方便快捷为原则，进行移动APP客户端软件功能开发。例如，针对病害信息录入量大的问题，引入输入联想功能；在信息列表中增加区间筛选和里程排序功能，方便巡检人员根据其所在区间及巡检方向，对照已经存在的问题实现快速巡检。

图9 病害信息录入及录入结果展示

图10 病害信息查看和巡检维修添加功能

4 结语

本研究围绕地铁隧道结构病害信息化管理这一核心问题，开发了一套基于web和BIM技术的地铁隧道结构质量信息管理系统。该系统可实现对隧道结构病害信息、维修保养信息、变形监测信息的存储及管理，以及电子化巡检、数据共享、资料数字化管理等功能，从而达到病害信息便捷查询、数据高效互联互通的目的；采用BIM模型对隧道结构表观病害和结构性病害数据进行集成融合，对隧道结构质量信息进行三维可视化展示，使得病害展示更加直观和形象；通过统计分析功能，对地铁隧道结构数据进行及时分析和高效利用，从而为保障运营期地铁隧道结构的安全性与可靠性提供信息化、数字化手段。下一步将通过隧道结构质量信息数据的积累和沉淀，采用大数据分析的方法，分析隧道结构病害规律，力求尽早发现病害，并采取合理有效的维护措施，实现主动维护、智慧维护。