黃 廷， 陳麗娟， 史培新， 俞蔡城

(1. 浙江公路水運工程咨詢公司， 浙江 杭州 310004； 2. 蘇州大學， 江蘇 蘇州 215100)

基于BIM的公路隧道運維管理系統(tǒng)設計與開發(fā)

黃 廷1， 陳麗娟2，*， 史培新2， 俞蔡城2

(1. 浙江公路水運工程咨詢公司， 浙江 杭州 310004； 2. 蘇州大學， 江蘇 蘇州 215100)

近年來，我國公路隧道建設里程快速增長，但在隧道運維管理中存在技術落后、管理人員配置不足等問題。針對管理中存在的問題，本文提出將BIM(building information modeling，建筑信息模型)引入公路隧道的運維管理，通過制定具體實施規(guī)劃及設計系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)可視化的公路隧道運維管理。以浙江省41省道嶺下隧道工程為依托，建立基于BIM的公路隧道運維管理平臺，為公路隧道運維管理提供一種直觀、便捷的管理方式，提高公路隧道的信息化管理水平。

公路隧道； BIM； 運維管理； 可視化

0 引言

近年來，我國公路隧道建設里程飛速增長，目前以每年1 150 km的速度增長。據(jù)統(tǒng)計，截至2014年底，全國建成通車的公路隧道共計12 404道、10 756.7 km，同比2013年分別增長9.2%、12%[1]。

隨著公路隧道建設里程的增長，以下問題在隧道的運維過程中逐漸凸顯： 1)隧道多為越嶺隧道，地形地質(zhì)條件均比較復雜，運行期間受氣候和地質(zhì)災害的影響大。2)在公路隧道的運營管理中，應用比較普遍的仍是人員巡查結(jié)合視頻監(jiān)控技術，存在信息化程度不高、管理技術落后等問題[2]。3)無論是在頻率上還是技術上，公路隧道的運營期管理和養(yǎng)護工作都存在不到位的問題，造成隧道結(jié)構(gòu)在運營期間快速老化、出現(xiàn)裂縫、漏水等[3]。4)管理人員配備不到位、管理水平不高。一方面，公路隧道養(yǎng)護人員配備較少，同時，公路隧道大多在野外，工作環(huán)境艱苦，很難吸引和留住具有高素質(zhì)的管理人員； 另一方面，由于重視程度不夠，對現(xiàn)有管理人員也沒有系統(tǒng)和科學的日常培訓制度[4]。

為了解決隧道在運維中存在的問題，諸多學者進行了相關研究。曹華[5]通過監(jiān)控的手段和信息化的管理平臺實現(xiàn)了對隧道電力系統(tǒng)綜合管理。龔佳琦等[6]通過構(gòu)建BIM數(shù)據(jù)庫與日常監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合實現(xiàn)了可視化的病蟲害決策分析。?，摰萚7]構(gòu)建隧道全生命周期BIM云平臺，為隧道運維提供了數(shù)據(jù)技術的支持。李俊松等[8]提出利用BIM模型集成隧道信息并模擬火災險情發(fā)生時的人員疏散路徑和通風組織。T.Park等[9]利用BIM技術預估隧道運維成本，為隧道運維提供了管理技術的支持。A.Borrmann等[10]利用可視化和web技術將運營中的實時信息通過郵件發(fā)送給管理人員，輔助管理人員得到最新資訊。

綜上所述，對于公路隧道在運維過程中的信息化管理，需要更加深入和全面的研究與探索，以解決公路隧道在運維過程中因信息化程度不高帶來的管理漏洞。本文依托典型的公路隧道工程，通過在運維階段引入先進的BIM技術，以信息化的手段解決管理中存在的技術落后、管理不到位的問題，提高運維階段的管理效率，建立隧道BIM實施規(guī)劃及公路隧道BIM設備編碼規(guī)則，并在此基礎上構(gòu)建基于BIM的公路隧道運維系統(tǒng)。

1 BIM在公路隧道運維階段的應用優(yōu)勢

目前我國在公路隧道運維管理中仍然存在很多問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1)缺乏信息化的評價、決策和管理手段，隧道安全管理缺乏信息化、網(wǎng)絡化的支持； 2)隧道運維管理方法缺乏一套完善的行業(yè)標準； 3)缺乏對隧道運維安全預防措施決策框架的深入研究，使得在隧道的實際運維過程中難以確定預防性的養(yǎng)護安全管理方案，并且針對特定的隧道也缺少預防性養(yǎng)護、管理對策[11]。

建筑信息模型(BIM)是在統(tǒng)一的工業(yè)標準下，通過計算機構(gòu)建實體物理模型，并在實體模型中存入、提取相關信息，實現(xiàn)在模型中信息的儲存、提取與查看[12]。BIM應用優(yōu)勢主要表現(xiàn)在信息傳遞、信息儲存和信息共享，并且能夠通過信息加工實現(xiàn)模型化和可視化。

BIM在公路隧道中的應用優(yōu)勢： 1) 綜合儲存隧道CAD圖紙和BIM模型，實現(xiàn)設計、施工、竣工信息共享； 2)為運維管理人員提供信息化的管理手段和可視化的管理方法； 3)提供智能化的隧道設備管理方式，及時了解設備資產(chǎn)的運作、分布、構(gòu)成、使用和故障等情況，轉(zhuǎn)變靜態(tài)管理為動態(tài)管理； 4) 加強隧道各專業(yè)之間的信息共享，減少信息傳遞過程中的損失，解決運營管理中各專業(yè)之間的“信息孤島”問題[13-14]； 5) BIM技術把信息與數(shù)據(jù)存儲在模型中，在交付實體建筑的同時交付一個用信息構(gòu)筑的模擬模型，從而解決“信息斷流”的問題[15-16]。

2 基于BIM的公路隧道運維管理平臺架構(gòu)

為實現(xiàn)基于BIM的運維信息綜合管理，首先進行管理平臺的規(guī)劃； 然后運用BIM的參數(shù)化智能建模技術建模，通過三維協(xié)同，在設計、施工以及運營之間建立無縫的溝通橋梁，從而實現(xiàn)有效的信息交互，并數(shù)字化、可視化地呈現(xiàn)工程建設流程的各個階段，同時減少設計沖突、協(xié)調(diào)各專業(yè)，提升生產(chǎn)力以及設計質(zhì)量，節(jié)約建造成本； 最后根據(jù)運維需求進行管理功能模塊的劃分和功能的設計。

數(shù)據(jù)存儲與訪問在功能設計時選用SQL Server系統(tǒng)。SQL Server更加注重商業(yè)智能功能，為企業(yè)提供數(shù)據(jù)庫層面的集成，實現(xiàn)BIM模型對象數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫SQL之間的交互，滿足多項目多專業(yè)對海量數(shù)據(jù)的存儲與使用需求，支持多用戶的并行數(shù)據(jù)訪問。

2.1 BIM建模規(guī)劃

BIM建模的技術要素主要為技術支撐、數(shù)據(jù)支撐、體系支撐和管理支撐。采用Autodesk軟件平臺用于模型創(chuàng)建、分析以及瀏覽，在Revit系列建模軟件中創(chuàng)建專業(yè)模型后，采用統(tǒng)一的坐標原點在Navisworks中進行模型整合與瀏覽。首先采用Civil 3D對建筑場地和基本環(huán)境進行搭建，然后利用Revit對建筑產(chǎn)品進行建模，最后將建成的所有模型導出到Navisworks進行整體拼接。在此基礎上進行進度計劃的導入與對接，形成4D進度模型，再將結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)信息存儲于SQL數(shù)據(jù)庫中，與BIM模型中的三維構(gòu)件進行數(shù)據(jù)鏈接，使得數(shù)據(jù)在不同參與主體之間進行可視化傳遞與流轉(zhuǎn)，通過可視化的界面快速理解與決策，使得項目參與方共享一套數(shù)據(jù)，保證了信息的一致性和連續(xù)性。

2.1.1 建模要求

根據(jù)BIM應用目標不同，需要建立詳細程度不同的模型來表達模型構(gòu)件及其屬性。將隧道3D模型與設計、施工及管理信息集成一體，實現(xiàn)了3D模型參數(shù)化創(chuàng)建與顯示以及隧道構(gòu)件和體量、材料、進度、成本、質(zhì)量、安全等信息的關聯(lián)、查看、編輯與擴展。BIM模型精度定義為模型粒度(level of details)，簡稱LOD。BIM模型精度描述了一個BIM模型構(gòu)件單元從最低級的近似概念化的程度發(fā)展到最高級的演示級精度的步驟，即工程項目在不同建造階段的需求不同，其相應階段模型的深度要求也就不同。在公路隧道運維階段涉及到的各專業(yè)BIM模型的主要內(nèi)容、說明、詳細程度等如表1所示。

表1 隧道BIM建模說明

2.1.2 設備設施定位編碼

對BIM運維平臺設備空間編碼，是將BIM模型集成到設備管理系統(tǒng)的基礎。通過對BIM模型編碼，可以實現(xiàn)軟件系統(tǒng)與三維模型的耦合，以實現(xiàn)軟件系統(tǒng)在不同三維場景中的應用；對隧道總體、隧道洞口、隧道區(qū)域以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等對象化，形成唯一標識；可在三維空間中快速查找、定位單個設備或整套水、電等系統(tǒng)，也可通過設備唯一標識查找、定位空間位置。編碼規(guī)則是以簡單的英文首字母和阿拉伯數(shù)字組合作為設備的唯一編碼，由隧道、主體隧道部位、隧道區(qū)段和部位、隧道方向、設備系統(tǒng)5部分組成，具體編碼規(guī)則如表2所示。

表2 運維平臺設備空間編碼規(guī)則

按照設備空間編碼規(guī)則，編碼SS06RF010102表示嶺下隧道右線進口洞口設備,如圖1所示。

圖1 嶺下隧道右線進口洞口設備編碼示例

2.2 管理平臺功能架構(gòu)

平臺的構(gòu)建主要是為了實現(xiàn)在運維管理階段不同專業(yè)之間數(shù)據(jù)的儲存和調(diào)用，其功能主要有信息的錄入、查詢和修改等?；赨nity 3D圖形平臺開發(fā)并添加外部數(shù)據(jù)庫來構(gòu)建此系統(tǒng)平臺。系統(tǒng)架構(gòu)為典型的C/S架構(gòu)，服務器端配置路由器、防火墻以及SQL Server服務器，負責提供數(shù)據(jù)存儲、訪問和管理等服務。客戶端為可連接入網(wǎng)絡的個人計算機以及支持二維碼掃描和無線網(wǎng)絡傳輸?shù)氖殖纸K端?？蛻舳擞嬎銠C通過一個保存系統(tǒng)配置信息和項目具體細節(jié)的配置文件，對隧道設備管理系統(tǒng)的應用環(huán)境進行設置。

通過構(gòu)建三維隧道信息模型，集成隧道設計、施工中各階段信息，并輕量化無縫銜接于運營管理，進而開發(fā)出交互式管理系統(tǒng)，包括竣工電子檔案、基礎資源信息、隧道運維計劃、隧道健康監(jiān)測、應急預案管理等5個主要功能模塊?；贐IM的運維平臺框架如圖2所示。

圖2 基于BIM的公路隧道運維平臺框架圖

Fig. 2 System frame of operation and maintenance platform of highway tunnels based on BIM

3 基于BIM的公路隧道運維管理案例分析

建筑信息模型(BIM)是以三維數(shù)字技術為基礎、集成了建筑工程項目相關信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對工程項目設施實體與功能特性的數(shù)字化表達。BIM作為一種全新的理念，在城市隧道和軌道交通的設計、施工、運維管理階段的應用優(yōu)勢正逐步顯現(xiàn)出來?；贐IM的公路隧道的運維管理平臺以實現(xiàn)竣工電子檔案、隧道基礎信息、隧道運維計劃、隧道健康監(jiān)測和應急預案管理等功能為目標，利用信息化的手段集成隧道基礎信息，為運維計劃和決策提供支持。

本案例所述工程是位于浙江省41省道永嘉福佑至沙頭段改建工程的山嶺隧道工程。該山嶺隧道所處地形、局部地質(zhì)情況和施工工法在江浙一帶具有典型性。以該山嶺隧道工程為依托，開展基于BIM的隧道運維管理平臺的研究，提升工程的安全度和質(zhì)量，節(jié)約運維成本?；贐IM的隧道運維管理系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 基于BIM的隧道運維管理系統(tǒng)

3.1 竣工電子檔案

通過對竣工資料管理過程和流程的調(diào)查研究，得出竣工資料保存、查找困難的主要原因： 1)竣工資料多，難以分類管理保存； 2)項目運營期長，資料難以保存久遠； 3)資料多為紙質(zhì)，不易于及時查閱； 4)資料管理的流程和制度不健全，導致管理混亂。為解決管理中的這些問題，在管理信息系統(tǒng)中通過構(gòu)建竣工電子檔案模塊，用信息化的手段管理竣工資料。

竣工電子檔案主要分為設計圖紙管理(CAD)和BIM三維模型管理2大模塊。通過分類，將CAD圖紙分為平縱面、洞身及路面、洞門、支護結(jié)構(gòu)、設備設施5大部分。對于BIM三維模型管理，則由地形模型、地質(zhì)模型、隧道模型、支護模型和設備模型共同構(gòu)成?？⒐る娮訖n案模塊的設置，避免了在公路隧道建設過程中竣工資料保存管理不完善、不全面等情況的發(fā)生，同時避免了因為竣工資料的缺失導致的在正常維修或緊急搶險過程中人力、物力資源浪費或救援不及時等情況的發(fā)生?？⒐る娮訖n案作為一個信息數(shù)據(jù)庫，既保存了數(shù)據(jù)資料，方便今后的查閱和管理，又為運維管理人員提供CAD圖紙和BIM模型的錄入、查詢、調(diào)用和修改等功能，使運維管理工作更加方便快捷?？⒐る娮訖n案的系統(tǒng)界面如圖4所示，系統(tǒng)界面中左邊為功能欄，中間為隧道BIM模型，右邊為CAD圖紙。

隧道BIM模型在系統(tǒng)中的嵌入，有助于管理人員對于隧道屬性的整體認知與感受，能夠及時地了解隧道的土建結(jié)構(gòu)和隧道內(nèi)的設備分布。通過隧道BIM模型，及時掌握設備的生產(chǎn)廠家、型號和維修記錄等信息，并根據(jù)設備的歷史信息支持管理人員進行決策。通過隧道BIM模型能夠直觀地識別線路的上下游關系，在電力系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能夠及時溯源，找到上游電力設備，避免更嚴重的損失和意外情況的出現(xiàn)。

3.2 基礎資源信息

針對管理中存在的人員管理混亂、責任不清等問題，從優(yōu)化管理手段的方向，提出構(gòu)建基礎資源信息模塊?；A資源信息是隧道管理的基礎，主要包括人員信息和設備信息。在系統(tǒng)設計中，主要包括內(nèi)部人員管理和設備管理。通過內(nèi)部人員管理系統(tǒng)可以對班組員工基本信息進行管理，方便管理人員對于隧道日常運維計劃的安排，并且在緊急情況發(fā)生時可以直接聯(lián)系到當班人員，提高管理效率。通過設備管理系統(tǒng)，可以查看隧道中各設備的運行情況，并且對設備進行分類、分區(qū)域管理，如圖5所示。通過選擇機電設備，可以快速查詢與其關聯(lián)的所有信息和文件，包括設備臺帳信息、維護保養(yǎng)記錄、故障維修記錄、應急預案、設備圖紙和操作規(guī)程等； 同時，也可以通過查詢設備臺賬信息，定位到與之相關聯(lián)的所有設備構(gòu)件。閉合的信息環(huán)為運維人員掌握和管理所有的設備和海量的運維信息提供了高效的手段。

圖4 竣工電子檔案

圖5 設備管理

3.3 隧道運維計劃

通過制定定期和日常的隧道運維計劃，保證在隧道的合理使用年限內(nèi)能夠安全運營。隧道的運維計劃主要包括對隧道結(jié)構(gòu)、設施、設備的年度維修計劃和月度維修計劃。設備維修管理主要包括設備維修工作提醒、設備工作單位管理、維修記錄、維護周期管理、保養(yǎng)周期管理和委外維修管理等，使設備的維修委外記錄和內(nèi)部維修記錄形成一個完整閉合的信息流，避免信息保存過程中的流失。設備維修管理為機電設備管理人員提供了日常的管理功能，可以實現(xiàn)在系統(tǒng)中為構(gòu)件添加相應的維護計劃，系統(tǒng)會按照該計劃定期地提醒運維人員對構(gòu)件進行日常的維護工作，并在維護工作后輔助錄入維護日志。隧道運維計劃系統(tǒng)界面如圖6所示。

3.4 隧道健康監(jiān)測

隧道的健康狀態(tài)是維持隧道正常運行的首要條件。公路隧道一般修筑在山嶺地區(qū)，在暗洞開挖過程中常常遇到開挖面滴水甚至涌水的情況，而在公路隧道的運營過程中，襯砌表面和施工縫發(fā)生滲漏水是隧道常見病害形式之一； 同時，由于隧道深埋于山體內(nèi)部，圍巖應力的變化和分布不均也是隧道工程的一大難題，由于襯砌受力不均形成局部圍巖壓力過高，造成隧道的拱頂和拱腰等部位變形，引起隧道二次襯砌開裂甚至整體失穩(wěn)也是隧道的主要病害形式之一。隧道健康監(jiān)測主要包括變形監(jiān)測和相互作用力監(jiān)測。通過對洞口、洞門、襯砌、路面、檢修道、排水設施、吊頂?shù)亩ㄆ谘膊?，環(huán)境、變形等的專項監(jiān)測以及對結(jié)構(gòu)外觀、設備設施等健康狀態(tài)的監(jiān)測，一旦出現(xiàn)安全預警，可進行及時上報并采取處理措施。隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖6 隧道運維計劃

圖7 隧道健康監(jiān)測

3.5 應急預案管理

隧道作為管狀的封閉體系，如果隧道內(nèi)部的運營信息不能及時獲取，一旦發(fā)生突發(fā)的火災、事故等災害，隧道外的車輛不能及時獲取路況信息并采取應急措施，將導致間接擴大災害損失，因此，在隧道運維階段應具備科學的應急管理體系和應急預案系統(tǒng)。應急預案系統(tǒng)主要分為2大模塊，包括應急預案的錄入和應急預案的查詢。在應急預案管理系統(tǒng)中還包括查詢上下游設備功能，從而方便對受損設備的及時切斷，防止出現(xiàn)更大范圍的意外。應急預案管理系統(tǒng)界面如圖8所示。

3.6 應用小結(jié)

以浙江省41省道永嘉福佑至沙頭段改建工程的山嶺隧道工程為依托，開發(fā)的公路隧道運維管理系統(tǒng)已經(jīng)成功投入使用，主要用于運維管理人員的日常辦公維護。

采用基本BIM的隧道運維管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了運維管理的可視化，省去了管理人員反復查閱紙質(zhì)文件和圖紙的時間，提高了管理人員的工作效率； 同時，不同專業(yè)和部門的工作人員使用同一個辦公系統(tǒng)平臺，使不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了信息共享，增強了不同部門之間的溝通，減少了不同部門之間溝通協(xié)調(diào)中的信息損失； 另外，通過此系統(tǒng)平臺實現(xiàn)了標準化的工作流程，縮短了應急反應時間。在此系統(tǒng)平臺上進行隧道運維管理，設備的日常維護響應時間縮短了80%，做到了報修與維修的聯(lián)動響應。

圖8 應急預案管理系統(tǒng)

4 結(jié)論與討論

本文建立了隧道BIM實施規(guī)劃及公路隧道BIM設備編碼規(guī)則，并在此基礎上構(gòu)建了基于BIM的公路隧道運維系統(tǒng)，實現(xiàn)了運維過程中的可視化管理，有效解決了橫向各專業(yè)、縱向各階段之間的“信息孤島”和“信息斷層”問題； 然而，仍然需要解決現(xiàn)場突發(fā)狀況的快速反饋與處理等問題。

本研究結(jié)合隧道項目的特點及需求，將運用于房建項目較多的BIM運維系統(tǒng)引入隧道項目，通過BIM技術實現(xiàn)信息管理規(guī)范化、智能化，提高運維管理人員工作效率，保障隧道安全運營。未來在BIM運維系統(tǒng)開發(fā)方面的探索與應用必將隨著理論研究的不斷深入和技術水平的持續(xù)提升有著更加長足的發(fā)展，應用軟硬件相結(jié)合的方法對隧道運維階段出現(xiàn)的問題進行智能感知、傳達、分析與處理。

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Design and Development of BIM-based Operation and Maintenance System of Highway Tunnel

HUANG Ting1, CHEN Lijuan2,*, SHI Peixin2, YU Caicheng2

(1.ZhejiangHighway&WaterTransportationEngineeringConsultingCorporation,Hangzhou310004,Zhejiang,China； 2.SoochowUniversity,Suzhou215100,Jiangsu,China)

In recent years, the highway tunnel construction mileage has been increased many; however, the operation and maintenance management of highway tunnel is still challenged by backward technology and insufficient management configuration of professional. The building information modeling(BIM) technology is brought into operation and maintenance management of highway tunnel. The visualized and parameterized BIM-based operation and maintenance system is developed by formulating specific implementation plan and designing system structure. The BIM-based operation and maintenance platform of highway tunnel is established as an intuitive and convenient way of management, with Lingxia Tunnel of provincial highway 41 in Zhejiang as an example. The informatized management level of the highway tunnels has been improved by BIM technology.

highway tunnel; BIM; operation and maintenance management; visualization

2016-04-21;

2016-09-22

浙江省交通運輸廳科研項目(2015J11)； 江蘇省基礎研究計劃(自然科學基金)青年基金項目(BK20160320)； 江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(KYLX15-1238)

黃廷(1980—)，男，浙江衢州人，2001年畢業(yè)于長安大學，交通土建工程專業(yè)，本科，高級工程師，主要從事隧道工程設計、咨詢工作。 E-mail： 7178373@qq.com。*通訊作者： 陳麗娟， E-mail： chenlj@suda.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.008

U 45

A

1672-741X(2017)01-0048-08