林曉東， 李曉軍， 林　浩

(1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 上?！?00092； 2. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海　200092)

0　引言

盾構(gòu)隧道是城市軌道交通的重要組成部分，截至2017年初，國(guó)內(nèi)共有28個(gè)城市開(kāi)通軌道交通運(yùn)營(yíng)，總計(jì)114條線路通車(chē)，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度達(dá)3 746 km[1]。大規(guī)模盾構(gòu)隧道建設(shè)產(chǎn)生的海量歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、共享、分析等問(wèn)題，給工程勘查、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)、維護(hù)等全壽命管理帶來(lái)挑戰(zhàn)。

數(shù)字化技術(shù)是改善工程管理的重要手段，國(guó)內(nèi)外在盾構(gòu)隧道的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用方面已開(kāi)展了大量研究。在地理信息系統(tǒng)(GIS)方面，Baffour等[2]利用GIS建立了地下基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)，繪制出地下設(shè)施平面圖，為今后新增地下基礎(chǔ)設(shè)施提供定位服務(wù)，保證施工安全并節(jié)約工程開(kāi)支； Yoo等[3]在WebGIS平臺(tái)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了管理工程地質(zhì)信息和鉆探孔信息的應(yīng)用，對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理； Li等[4]開(kāi)發(fā)了盾構(gòu)隧道WebGIS應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)隧道施工數(shù)據(jù)的管理、可視化和分析； 朱合華等[5]利用GIS建立了盾構(gòu)隧道建養(yǎng)一體化數(shù)字化平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)采集、處理、表達(dá)和分析等功能。GIS適合地理數(shù)據(jù)的分析與管理，但是對(duì)于非地理數(shù)據(jù)(如盾構(gòu)隧道數(shù)據(jù))，只能作為屬性信息管理，這將導(dǎo)致非地理數(shù)據(jù)的管理變得復(fù)雜。

建筑信息模型(BIM)的核心是建立統(tǒng)一的建筑全壽命信息模型，早期針對(duì)地面建筑提出，目前已經(jīng)逐步在隧道工程運(yùn)維管理中得到應(yīng)用。Hegemann等[6]通過(guò)BIM的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，提出適用于盾構(gòu)的信息模型，將BIM應(yīng)用在盾構(gòu)隧道工程； 黃廷等[7]建立了基于BIM的隧道管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)可視化的隧道運(yùn)維管理； 胡珉等[8]針對(duì)隧道運(yùn)維管理對(duì)象眾多、信息分散和時(shí)空特性復(fù)雜等問(wèn)題，在BIM 模型基礎(chǔ)上建立隧道可視化智能決策系統(tǒng)。目前BIM主要應(yīng)用于可視化、造價(jià)分析、碰撞檢測(cè)和施工仿真等方面，但缺乏地理空間分析能力，而且在模型體量較大時(shí)，BIM模型的加載、渲染性能會(huì)快速下降。

綜上所述，集成GIS和BIM，一方面可利用GIS在地理信息方面的捕捉、儲(chǔ)存、處理、分析、管理和表達(dá)等功能，另一方面可利用BIM的統(tǒng)一建筑信息模型對(duì)全壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理。近年來(lái)有學(xué)者嘗試集成GIS和BIM，如Irizarry等[9]提出了GIS-BIM模型，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程中工程材料、資源、供應(yīng)鏈的可視化管理，但在盾構(gòu)隧道領(lǐng)域的報(bào)道仍較少。本文依托上海地鐵盾構(gòu)隧道工程，建立集成GIS/BIM的盾構(gòu)隧道全壽命期管理系統(tǒng)，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在： 1)擴(kuò)展了盾構(gòu)隧道IFC信息標(biāo)準(zhǔn)，形成統(tǒng)一信息模型； 2)在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了GIS幾何模型和BIM幾何模型與統(tǒng)一信息模型的關(guān)聯(lián)； 3)對(duì)信息模型進(jìn)行可視化和開(kāi)發(fā)不同全壽命周期分析功能。

1　技術(shù)路線

本系統(tǒng)的目的是管理盾構(gòu)隧道工程的屬性信息、二維圖形信息和三維圖形信息，并在數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)不同的分析功能應(yīng)用于隧道全壽命周期階段。本文采用的技術(shù)路線如圖1所示，其中屬性信息管理主要基于IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展，并在Revit中附加相應(yīng)的IFC參數(shù)，導(dǎo)出至SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)形成統(tǒng)一信息模型； 二維圖形信息利用ArcGIS建模，導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的GeoDatabase二維圖形文件，再由ArcGIS Runtime開(kāi)發(fā)包加載展示； 三維圖形信息在Revit中建模，導(dǎo)出FBX三維圖形文件，由Unity3D作為圖形引擎進(jìn)行可視化。

對(duì)上述數(shù)據(jù)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，開(kāi)發(fā)不同的分析功能并用于盾構(gòu)隧道的全壽命周期管理。下面對(duì)其中相對(duì)重要的IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)信息的關(guān)聯(lián)和管理系統(tǒng)在全壽命周期的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

圖1　盾構(gòu)隧道管理系統(tǒng)技術(shù)路線

2　盾構(gòu)隧道信息模型

2.1　IFC標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展

盾構(gòu)隧道常用的信息模型為IFC(industry foundation class)[10]，是國(guó)際通用的 BIM 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，因其涵蓋領(lǐng)域廣、可擴(kuò)展性強(qiáng)，得到廣泛應(yīng)用。IFC 主要用于地面建筑全壽命周期信息的存儲(chǔ)和交換，在盾構(gòu)隧道方面的擴(kuò)展工作目前仍在進(jìn)行中，如 Yabuki 等[11]在 IFC 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上提出并改進(jìn)了盾構(gòu)隧道的數(shù)據(jù)模型，該模型在 IFC 框架內(nèi)增加了盾構(gòu)隧道特有的對(duì)象實(shí)體，如管片、防水材料等； Amann 等[12]在 Yabuki[11]等提出的信息模型基礎(chǔ)上，添加了盾構(gòu)隧道線路信息，并與結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行整合。本文基于上述研究，添加了盾構(gòu)隧道施工、監(jiān)測(cè)和病害檢查等信息，如表1所示。

表1本文信息模型與已有信息模型比較

Table 1Comparison between information model recommended and existing information models

領(lǐng)域已有標(biāo)準(zhǔn)[11-12]本文新增地質(zhì)信息地層地下水信息室內(nèi)試驗(yàn)原位測(cè)試結(jié)構(gòu)信息擋土墻地下障礙物管片防水材料管片接頭工作井、二次襯砌線路信息平曲線豎曲線施工信息盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)信息施工階段監(jiān)測(cè)運(yùn)維階段監(jiān)測(cè)病害信息結(jié)構(gòu)病害

IFC 標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展方法主要有[13]： 1)基于IfcProxy實(shí)體的擴(kuò)展(IfcProxy 實(shí)體是 IFC 標(biāo)準(zhǔn)提供的一個(gè)自定義擴(kuò)展接口)； 2)基于 IFC 實(shí)體擴(kuò)展，即在 IFC 模型框架基礎(chǔ)上增加新的實(shí)體或?qū)嶓w屬性，這是對(duì) IFC 標(biāo)準(zhǔn)模型體系的擴(kuò)充； 3)基于屬性集的擴(kuò)展，通過(guò)屬性關(guān)系實(shí)體(IfcRelDefinesByProperties)關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)實(shí)體。

下面以施工數(shù)據(jù)為例介紹本文的盾構(gòu)隧道信息模型。圖2示出盾構(gòu)隧道信息模型的部分施工數(shù)據(jù)，用實(shí)體IfcTask描述具體施工過(guò)程，如襯砌管片所對(duì)應(yīng)的盾構(gòu)掘進(jìn)、管片拼裝和壁后注漿等施工信息。IfcTask實(shí)體的PredefinedType屬性通過(guò)IfcTaskTypeEnum枚舉值表示該施工類(lèi)型，IfcTask的屬性TaskTime為IfcTaskTime實(shí)體，該實(shí)體可以完整描述施工的時(shí)間信息。一個(gè) IfcTask 實(shí)例對(duì)應(yīng)襯砌管片(IfcShieldTunnelRing)的盾構(gòu)工作過(guò)程，兩者之間通過(guò)關(guān)系實(shí)體 IfcRelAssignsToProduct 建立關(guān)聯(lián)。IfcTask(TBMWorking)表示盾構(gòu)的工作過(guò)程，其他過(guò)程如掘進(jìn)過(guò)程 IfcTask(TBMExcavation)、拼裝過(guò)程 IfcTask(SegmetnErection)和同步注漿過(guò)程 (SynchronizedGrouting)通過(guò)嵌套關(guān)系實(shí)體 IfcRelNests 嵌套其內(nèi)。這3個(gè)過(guò)程 之間又存在先后關(guān)系，用施工順序關(guān)系實(shí)體 IfcSequence 來(lái)描述。

(a) 管片和施工過(guò)程關(guān)系描述

(b) 盾構(gòu)隧道施工過(guò)程關(guān)系描述

2.2　IFC擴(kuò)展軟件的實(shí)現(xiàn)

本文采用Revit 2016對(duì)盾構(gòu)隧道、鉆孔、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等進(jìn)行建模，目前Revit 2016不能支持IFC實(shí)體擴(kuò)展，故將模型所有物理單元采用默認(rèn)的IfcBuildingElementProxy實(shí)體表示。盾構(gòu)隧道模型通過(guò)賦值IfcBuildingElementProxy屬性集的方式添加盾構(gòu)隧道信息，由于Revit 2016中也不支持直接定義屬性集，可借用IFC Export插件[14]將Revit的IFC參數(shù)輸出為IFC文件中對(duì)應(yīng)構(gòu)件的屬性集，借用Solibri查看在Revit中創(chuàng)建的屬性集信息，如圖3所示。最終通過(guò)Revit導(dǎo)出功能，將所有信息存儲(chǔ)在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為統(tǒng)一信息模型供程序調(diào)用。

圖3　Solibri查看襯砌屬性集信息

3　信息關(guān)聯(lián)

3.1　隧道編碼

為了對(duì)系統(tǒng)構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一管理，規(guī)定一套完整的編碼規(guī)則十分重要。從唯一性和易讀性角度考慮，采用表2所示的格式對(duì)隧道周?chē)h(huán)境、地質(zhì)、結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)等進(jìn)行編碼。編碼由字母和數(shù)字組成，最多包括3級(jí)信息和1組ID識(shí)別號(hào)，編碼涵蓋了地面建(構(gòu))筑物、地下建(構(gòu))筑物、地下管線、道路、鉆孔、軸線、聯(lián)絡(luò)通道、襯砌環(huán)、隧道、通風(fēng)井、車(chē)站結(jié)構(gòu)和各類(lèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)等，如某一鉆孔編碼可寫(xiě)為GEO-BHL-ID。

3.2　集成GIS/BIM

集成 GIS 和 BIM 的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn) GIS 模型與 BIM 模型之間的數(shù)據(jù)共享，以及 GIS 2D圖形與BIM 3D圖形之間的關(guān)聯(lián)。GIS和BIM的集成方案如圖4所示。

對(duì)于屬性數(shù)據(jù)，采用盾構(gòu)隧道 IFC 信息模型作為數(shù)據(jù)共享的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，利用Revit可將所有IFC屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)出到SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，為查詢和分析功能服務(wù)。

表2　盾構(gòu)隧道編碼格式

對(duì)于幾何模型，利用ArcMap二維建模，并對(duì)二維單元附加編碼信息，導(dǎo)出GeoDatabase文件，采用ArcGIS Runtime SDK for. NET作為GIS模型的二維圖形引擎；利用Revit三維建模，同樣也對(duì)三維單元附加編碼信息，導(dǎo)出FBX文件，采用Unity3D作為BIM模型的圖形引擎。最終，采用C#的WPF開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，在系統(tǒng)中加載數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS和BIM模型，2D、3D圖形與統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型(數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)記錄)通過(guò)盾構(gòu)隧道唯一編碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

4　工程應(yīng)用

在實(shí)際工程中，GIS 系統(tǒng)的空間分析能力可用于盾構(gòu)隧道工程的常規(guī)分析，如確定隧道周邊基坑開(kāi)挖影響范圍、某段隧道所處地層和隧道埋深等。在此基礎(chǔ)上，可結(jié)合已有隧道數(shù)據(jù)，建立荷載結(jié)構(gòu)和地層結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析。利用 BIM 統(tǒng)一IFC信息模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在工程信息傳遞、信息存儲(chǔ)和信息共享，能為盾構(gòu)隧道數(shù)據(jù)分析提供標(biāo)準(zhǔn)化管理方法。

4.1　工程概述

以上海某區(qū)間地鐵盾構(gòu)隧道為例，介紹本系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用。該區(qū)間隧道于2013年底投入運(yùn)營(yíng)，內(nèi)徑為5.5 m，外徑為6.2 m，環(huán)寬1.2 m，區(qū)間長(zhǎng)度為1 450.9 m。隧道旁有一基坑開(kāi)挖，總面積約 1 000 m2，與隧道最近水平距離約10.3 m。

圖4　GIS和BIM集成方案

地鐵區(qū)間在集成GIS/BIM的盾構(gòu)隧道全壽命管理系統(tǒng)界面如圖5所示，包括工程平面圖(GIS幾何模型，左窗口)、三維視圖(BIM幾何模型，右窗口)和統(tǒng)一信息模型數(shù)據(jù)(IFC屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫(kù)，下窗口)。圖5示出幾何模型與數(shù)據(jù)根據(jù)統(tǒng)一編碼關(guān)聯(lián)的結(jié)果，在GIS和BIM的幾何建模過(guò)程中，對(duì)構(gòu)件賦予了唯一編碼，可與統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型關(guān)聯(lián)。例如當(dāng)在系統(tǒng)選中編碼為GEO-BHL-1243的鉆孔時(shí)，所有窗口都能同時(shí)高亮顯示該鉆孔。該平臺(tái)可用于盾構(gòu)隧道地質(zhì)勘察、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)維護(hù)等階段的盾構(gòu)隧道全壽命期管理。

4.2　地質(zhì)勘察信息

從統(tǒng)一信息模型中可獲取鉆孔深度、地層分布、土性描述和地層各項(xiàng)物理力學(xué)特性統(tǒng)計(jì)指標(biāo)等信息； 從幾何模型中可得到鉆孔的坐標(biāo)、空間相對(duì)位置等信息。如在系統(tǒng)中可高效獲取編碼為GEO-BHL-1218、名字為Q18XC22的鉆孔的土層信息，即2.26～0.86 m為灰黃色粉質(zhì)黏土，0.86～-9.04 m為灰色黏質(zhì)粉土，-9.04～-13.49 m為灰色淤泥質(zhì)黏土，-13.49～-19.94 m為灰色黏土，-19.94～-24.44 m為灰色粉質(zhì)黏土，-24.44～-40.54 m為灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土。圖6示出開(kāi)挖基坑周?chē)牡貙鱼@孔空間位置(中間窗口)、鉆孔數(shù)據(jù)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型(下邊窗口)和根據(jù)地質(zhì)信息繪制的選中的鉆孔圖(右邊窗口)。

用戶可選擇感興趣的隧道區(qū)段周?chē)你@孔，并定義地層的剖切面，系統(tǒng)將選中的鉆孔垂直投影至剖切面上，并根據(jù)相鄰鉆孔的土層信息對(duì)鉆孔之間地層進(jìn)行插值計(jì)算，通過(guò)ArcGIS Runtime圖形接口生成二維地層，最終由每個(gè)鉆孔土層分布數(shù)據(jù)和鉆孔空間位置可分析得到地質(zhì)剖面圖(圖6左邊窗口)，在隧道勘察階段可利用系統(tǒng)對(duì)隧道周?chē)刭|(zhì)情況進(jìn)行充分了解。與傳統(tǒng)的沿某些特定切面的地質(zhì)剖面圖相比，該系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)地生成用戶自定義的剖面圖，在此基礎(chǔ)上利用空間分析獲取隧道埋深、襯砌上覆水土壓力等。對(duì)于復(fù)雜的三維地層，未來(lái)系統(tǒng)可集成地層不確定分析、克里金插值等算法，并通過(guò)Unity3D圖形接口實(shí)現(xiàn)三維地層可視化。

圖5　盾構(gòu)隧道管理系統(tǒng)

圖6　地質(zhì)勘察信息可視化與剖切分析

4.3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息

統(tǒng)一信息模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息包括隧道線路的平曲線組成、豎曲線組成、軸線里程、襯砌分塊情況、管片材料和物理力學(xué)參數(shù)等，由幾何模型和空間分析功能組成，可提取空間上有用的信息數(shù)據(jù)，如范圍查詢、長(zhǎng)度面積測(cè)量、緩沖區(qū)分析等。在4.2節(jié)介紹的隧道地質(zhì)剖面分析的基礎(chǔ)上，將某一環(huán)襯砌垂直投影至剖面圖，并利用空間分析功能計(jì)算襯砌上覆各土層厚度，由上覆土層物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算得到隧道周?chē)梁奢d(圖7上窗口)。

圖7　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息的內(nèi)力計(jì)算

本系統(tǒng)也集成了Ansys有限元分析的功能，有限元分析被封裝成服務(wù)的形式，提供了調(diào)用接口，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字-數(shù)值模型轉(zhuǎn)換功能。以荷載結(jié)構(gòu)法為例，其實(shí)現(xiàn)原理如圖8所示，盾構(gòu)隧道管理系統(tǒng)將襯砌尺寸、材料屬性和分析得到的垂直荷載和水平壓力，以Http請(qǐng)求方式發(fā)送至有限元分析服務(wù)，返回的分析結(jié)果包括數(shù)值模型節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、彎矩、軸力和剪力等信息，結(jié)果數(shù)據(jù)可視化效果如圖7左下窗口所示。類(lèi)似的，可實(shí)現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)法[15](圖7右下窗口)的分析，為隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

由于結(jié)構(gòu)信息的統(tǒng)一管理，隧道的結(jié)構(gòu)分析不再需要協(xié)調(diào)各方數(shù)據(jù)資料，可在系統(tǒng)中根據(jù)信息模型自動(dòng)生成所需數(shù)值進(jìn)行模型計(jì)算，分析效率得到顯著提高。

圖8　系統(tǒng)荷載結(jié)構(gòu)法實(shí)現(xiàn)原理

4.4　運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)信息

系統(tǒng)可實(shí)時(shí)展示隧道沉降、收斂、傾角等監(jiān)測(cè)信息。本文采用無(wú)線傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，無(wú)線傳感器是一種分布式感知網(wǎng)絡(luò)，具備監(jiān)測(cè)范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)等特點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)原理如圖9所示。將無(wú)線傳感器安裝至隧道內(nèi)部，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至附近網(wǎng)關(guān)，在服務(wù)器上部署專(zhuān)門(mén)的接收程序接收網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，再將原始數(shù)據(jù)解析并保存至本系統(tǒng)的統(tǒng)一信息模型，最終可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道管理系統(tǒng)同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖9　無(wú)線傳感監(jiān)測(cè)原理

通過(guò)在開(kāi)挖基坑影響范圍內(nèi)的隧道布設(shè)雙傾角傳感器，監(jiān)測(cè)管片的傾角變化，通過(guò)管片傾角變化量計(jì)算襯砌環(huán)的縱向變形和環(huán)向變形[16]。圖10為無(wú)線傳感器二維布置示意圖(左上窗口)和三維布置示意圖(右上窗口)，通過(guò)在幾何模型中選取對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可顯示近期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖表(右下窗口)。

與傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總和生成監(jiān)測(cè)報(bào)告的方式相比，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了上述過(guò)程的全自動(dòng)化，在結(jié)構(gòu)發(fā)生異常時(shí)可及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以不同的形式進(jìn)行展示與比較。

4.5　養(yǎng)護(hù)維護(hù)信息

將隧道狀態(tài)劃分為5個(gè)等級(jí)，1分代表很好，2分代表好，3分代表一般，4分代表差，5分代表很差，采用Li等[17]提出的盾構(gòu)隧道狀態(tài)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中： TSI為盾構(gòu)隧道狀態(tài)；Save為隧道相對(duì)沉降平均值，mm；sdiff_ave為差異沉降平均值，mm/m；cave為收斂平均值；dl為每百環(huán)滲漏水面積，m2；dc為每百環(huán)裂縫長(zhǎng)度，m；ds為每百環(huán)剝落面積，m2。

根據(jù)信息模型中的監(jiān)測(cè)信息，獲取該區(qū)間的沉降為0～9 mm，收斂變形為0～10‰D(D為襯砌直徑)，區(qū)間總共有19處滲漏水、23處裂縫和12處剝落。采用式(1)的盾構(gòu)隧道狀態(tài)計(jì)算方法，將各個(gè)指標(biāo)數(shù)值代入，得出該區(qū)間的狀態(tài)為1.8～2.4，接近于“好(2.0)”狀態(tài)，圖11示出系統(tǒng)對(duì)地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道狀態(tài)的評(píng)估結(jié)果。

與目前地鐵規(guī)范和日常維護(hù)所采取的單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估，以及“哪出現(xiàn)病害，修改哪里”的維護(hù)計(jì)劃相比，本系統(tǒng)的綜合性地鐵隧道狀態(tài)評(píng)估可用于指導(dǎo)盾構(gòu)隧道的養(yǎng)護(hù)維護(hù)，確定不同區(qū)段的維護(hù)優(yōu)先級(jí)，并定制科學(xué)維護(hù)計(jì)劃。

圖10　盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息可視化

圖11　盾構(gòu)隧道狀態(tài)評(píng)估

5　結(jié)論與討論

本文建立了集成GIS/BIM的盾構(gòu)隧道全壽命管理系統(tǒng)，主要結(jié)論如下。

1)在IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了盾構(gòu)隧道的信息模型，主要包括地質(zhì)信息、結(jié)構(gòu)信息、線路信息、施工信息、監(jiān)測(cè)信息和病害信息6個(gè)方面，該信息模型可用于數(shù)據(jù)的共享、交換和存儲(chǔ)。

2)介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括隧道編碼、IFC信息擴(kuò)展、GIS和BIM的集成方案，以及系統(tǒng)的組成框架。IFC的屬性信息最終由Revit導(dǎo)出至SQL Server作為統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，通過(guò)隧道唯一編碼與圖形引擎中的GIS和BIM幾何模型關(guān)聯(lián)。

3)以上海地鐵盾構(gòu)隧道為依托，展示了該系統(tǒng)在地質(zhì)勘察、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)維護(hù)等全壽命周期階段的應(yīng)用，結(jié)合具體工程案例說(shuō)明該系統(tǒng)可提高盾構(gòu)隧道在全壽命期的數(shù)字化管理水平。

未來(lái)仍需完善盾構(gòu)隧道信息模型，使其覆蓋更大范圍的工程數(shù)據(jù)； 并添加更多的功能，如Unity3D引擎中的交互、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)值模型建模等。