姜諳男， 鄭 帥， 趙龍國， 吳洪濤， 段龍梅

(1. 大連海事大學 交通運輸工程學院, 遼寧 大連 116026， 2. 吉林省交通規(guī)劃設計院， 吉林 長春 130021)

隧道施工是一個復雜系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)整過程，由于前期勘探信息匱乏，預設計方案有一定盲目性[1]，因此“觀察法施工”“信息化施工”等強調(diào)反饋控制的施工理念得到重視[2,3]。隧道施工過程涉及繁雜而抽象的信息數(shù)據(jù)，建立可視化的隧道管理信息系統(tǒng)(Manage Information System，MIS)顯得尤為必要。朱合華等[4]建立了基礎設施智慧服務系統(tǒng)(in frastructure Smart Service System，iS3)平臺框架，形成一套針對巖體隧道的精細化采集、分析與服務系統(tǒng)并應用。王國欣等[5]實現(xiàn)了隧道三維計算機空間模型與可視化施工順序表現(xiàn)。姜諳男等[6]建立隧道的可視化反分析平臺，基于可視化類庫(Visualization Toolkit，VTK)對隧道施工中圍巖應力、應變和節(jié)點位移等結(jié)果數(shù)據(jù)進行圖像顯示。

隨著信息采集手段和分析方法的不斷進步，目前包括監(jiān)控量測信息、地質(zhì)信息、施工過程分析信息等在內(nèi)的隧道施工信息量呈爆炸式增長。數(shù)據(jù)多元性與格式不統(tǒng)一的矛盾日益突出。如何采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準和可視化手段來共享和分析隧道施工多元信息成為有待解決的重要問題。建筑信息模型BIM(Building Information Modeling) 通過共同數(shù)據(jù)標準IFC(Industry Foundation Classes)集成工程各類信息，成為土木建筑行業(yè)的熱點[7]。Hegemann等[8]基于IFC標準擴展了隧道TBM(Tunnel Boring Machine)施工的模型，并開發(fā)了顯示IFC模型的軟件。Li等[9]建立了基于BIM的地下工程施工風險的分析系統(tǒng)，并針對基坑進行應用。Zhou Ying等[10,11]從盾構管片拼裝施工方面對IFC標準進行擴展。孫鈺杰等[12]提出基于IFC 的水電設備運行可視化管理模式，并在此基礎上使用C#語言進行系統(tǒng)開發(fā)。

基于BIM的工程管理信息系統(tǒng)已經(jīng)逐漸引起重視，IFC為行業(yè)提供了信息集成的公共數(shù)據(jù)標準，這也是土木工程信息管理的發(fā)展趨勢。但將BIM與隧道施工反饋分析相結(jié)合的研究還不多見。本文首先研究隧道IFC標準擴展和集成信息模型表達方法，然后進行基于IFC的反饋分析MIS的開發(fā)，并進行初步的工程應用。

1 隧道施工反饋分析流程

1.1 隧道施工反饋分析方法

圍巖支護系統(tǒng)具有開放的復雜的系統(tǒng)特點，人工觀測、監(jiān)控量測和地質(zhì)超前預報等多種手段獲取多元信息可以看作該系統(tǒng)的輸出。開挖方法和支護方案是該系統(tǒng)的輸入。隧道施工過程反饋分析表現(xiàn)在一方面通過多元信息進行系統(tǒng)的辨識，即獲得圍巖的等級和圍巖參數(shù)；另一方面通過施工方案調(diào)整實現(xiàn)控制，使地下工程的穩(wěn)定狀態(tài)向預期目標轉(zhuǎn)化。隧道反饋分析流程見圖1。

圖1 隧道反饋分析流程

反饋分析中的信息獲取區(qū)域包含了掌子面前方、掌子面、掌子面后方的不同空間位置；分析方法包含了統(tǒng)計分析、模式識別和智能優(yōu)化等算法。

本文將BIM模型和其IFC數(shù)據(jù)標準引入隧道施工反饋分析過程。分析流程如下：

(1)利用Revit軟件創(chuàng)建隧道BIM模型，通過IFC擴展形成隧道參數(shù)化組件庫。

(2)將采集的多元信息及有關屬性通過EXPRESS語言添加到BIM模型的擴展組件庫。然后導出為 IFC 格式的模型文件。調(diào)用自主開發(fā)的反饋分析計算模塊，進行圍巖動態(tài)分級、圍巖參數(shù)識別和監(jiān)測信息預警。

(3)調(diào)用施工方案優(yōu)化計算程序獲得開挖施工方案和支護參數(shù)。在此過程中的計算結(jié)果數(shù)據(jù)也會實時地更新到BIM集成信息模型中。多種分析計算模型與BIM模型讀寫交互，支持IFC的各類主流BIM平臺均可查詢?；贗FC標準的隧道反饋分析模式見圖2。

圖2 基于IFC的隧道反饋分析模式

1.2 基于IFC的隧道反饋分析MIS設計

在圖2的基礎上，設計建立了基于IFC的反饋分析MIS。系統(tǒng)功能分為六大模塊，即BIM模型庫操作(IFC數(shù)據(jù)三維圖形交互)、監(jiān)測信息管理、圍巖分級、有限元分析、動態(tài)設計以及分析報告等模塊，系統(tǒng)的功能結(jié)構見圖3。

圖3 反饋分析MIS功能結(jié)構

本系統(tǒng)采用SQL Server 2010數(shù)據(jù)庫，與一般MIS相比其顯著特點是：(1)可以進行BIM模型數(shù)據(jù)解析以及三維模型可視化；(2)包含了監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、圍巖動態(tài)分級、圍巖參數(shù)識別和隧道工法選擇以及支護參數(shù)優(yōu)化的專業(yè)計算模塊；(3)實現(xiàn)該系統(tǒng)與BIM集成模型的雙向數(shù)據(jù)傳遞，并實現(xiàn)IFC信息存儲和數(shù)據(jù)庫存儲的映射備份；(4)采用BIM建模軟件Revit和結(jié)構分析軟件ABAQUS之間模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，實現(xiàn)BIM有限元的正反計算。上述計算方法經(jīng)過驗證測試，在此不再詳述，可參考文獻[13]。以下介紹IFC模型信息表達方法、IFC模型解析和可視化顯示等內(nèi)容。

2 隧道施工IFC信息模型集成

2.1 隧道模型IFC擴展及參數(shù)化建模

隧道BIM模型包括隧道空間幾何模型和相關集成信息。IFC標準是BIM的數(shù)據(jù)交換標準，已經(jīng)提供了比較完善的建筑實體模型，但是這些模型還只是針對房建領域，不能適應隧道結(jié)構特征。所以，將BIM引入隧道領域首先需要擴展IFC模型。

IFC主要有三種擴展方式：(1)基于IfcProxy實體的擴展；(2)基于屬性集的擴展；(3)基于實體定義的擴展。由于屬性集的擴展具有較好的靈活性，不需要改變原來的IFC模型結(jié)構，本文用其進行隧道動態(tài)施工分析及反饋相關信息的表達。拓展隧道空間幾何模型(種類和結(jié)構)則需要基于實體定義的擴展，利用參數(shù)化建模，即通過調(diào)整構件形狀和幾何尺寸的參數(shù)來動態(tài)修改模型。

通過PredifinedType和IfcProperty分別表達隧道實體和相關多元屬性信息。多個同類屬性IfcProperty屬于一個IfcPropertySet Definition構建屬性集。利用IfcRelDefinesByProperties實現(xiàn)隧道構件實體與其屬性集之間的對應關系。

2.2 隧道種類IFC實體擴展

隧道種類可以按照形狀、功能、分部等來區(qū)分。利用IFC的擴展來表達隧道種類或分部，需要在IFC的空間結(jié)構超類IfcSpatial Structure Element類下添加子類IfcTunnel和IfcTunnelPart，分別表示隧道整體空間的實體和表示隧道分部。一座隧道整體IfcTunnel，在空間上由若干個IfcTunnelPart組成。

IfcTunnel包括整個隧道的位置、空間幾何信息等，還可以通過預定義類型屬性和功能屬性的方式添加隧道形式類型屬性(IfcTunnelType)和功能類型屬性(IfcTunnelFunctionType)；IfcTunnelPart是針對隧道的洞門、洞身、隧道線形等更小的分部種類來進行表達的實體子類。IfcTunnelTypeEnum，IfcTunnelFunctionTypeEnum和IfcTunnelPartTypeEnum的數(shù)據(jù)類型均為枚舉實體。

其中給出IfcTunnelPartTypeEnum的EXPRESS描述為：

TYPE IfcTunnelPartTypeEnum = ENUMERATION OF(PORTAL,OPEN-CUTTUNNEL,UNDER-CUTTUNNEL,TUNNELCHAMBER,SHEDTUNNEL,USERDEFINED,NOTDEFINED);END_TYPE。

2.3 隧道結(jié)構IFC實體擴展

隧道結(jié)構如襯砌、錨桿、鋼架等是隧道重要的組成部分，也應進行IFC的實體擴展。方法是通過其語法中物理結(jié)構元素超類IfcElement，該類包含了所有物理組件的通用元素、外形表達等信息。在IfcElement下依次逐級添加子類IfcCivilElement和IfcTunnelElement。IfcTunnelElement是所有隧道結(jié)構的抽象超類，再添加系列子類包括圍巖(IfcTunnelSuroundingRock)、錨桿(IfcSystemAnchorBolt)、鋼拱架(IfcSystemSteelFrame)、 初襯(IfcInitialSupportShotcrete)、二襯(IfcTunnelLiningStructure)、超前支護(IfcTunnelAdvanceSupport)、仰拱充填(IfcTunnelInvertFilling)、開挖工法(IfcTunnelExcavationMethod)等。具體的XPRESS-G視圖見圖4。圖中表達了新增的隧道IFC實體子類和原有IFC實體超類的繼承關系。通過以上子類實體的添加，可建立典型隧道物理模型結(jié)構見圖5。通過預先建立的構件族庫，根據(jù)具體的工程設計信息實現(xiàn)參數(shù)化建模。

圖4 隧道物理結(jié)構的 EXPRESS-G視圖

圖5 隧道BIM典型的組件結(jié)構

隧道建設過程中，針對地質(zhì)條件或圍巖等級的不同，需要采取對應的開挖施工工法，也需要進行相應實體的擴展。主要涉及到臺階法、預留核心土法、中隔壁法，單側(cè)壁導坑法、雙側(cè)壁導坑法等五種開挖工法，通過Revit軟件對典型的施工工法進行三維建模(圖6)。

圖6 隧道施工工法BIM模型庫

為模型中每一個組成部分賦予順序標識，并通過時間序列控制在Naviswork軟件基礎上進行開挖工法的動態(tài)展示。隧道圍巖動態(tài)分級計算過程在前述的隧道反饋分析系統(tǒng)平臺中實現(xiàn)，計算獲得圍巖級別后，在平臺中可以調(diào)用相應開挖工法的動態(tài)模型進行4D展示。動態(tài)模型實現(xiàn)流程見圖7。

圖7 動態(tài)模型實現(xiàn)流程

2.4 隧道多元信息IFC屬性擴展

在上述隧道組件建立基礎上需要關聯(lián)映射相關的信息。由于隧道施工涉及的信息繁多，需要對隧道施工信息進行分類整理。依據(jù)隧道動態(tài)施工流程及反饋分析功能，可將隧道施工信息分為監(jiān)測信息、圍巖信息、支護信息以及隧道工法信息。根據(jù)IFC語法，要分別進行屬性集和屬性的自定義。屬性集自定義包含屬性集的名稱、屬性集的適用實體。屬性自定義包含屬性名稱、屬性類型和數(shù)據(jù)類型。結(jié)合隧道動態(tài)施工信息表達的需要，建立了傳感器信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)信息、分級信息、反分析信息、水文信息、節(jié)理信息、錨桿信息、襯砌信息、鋼架信息、施工工法信息的屬性集的定義，見表1。

表1 基于屬性集的隧道動態(tài)施工信息表達

表1中的每個屬性集又包含了具體的屬性，限于篇幅，僅列出傳感器信息屬性、圍巖分級指標屬性分別見表2，3。通過對上述屬性集和屬性進行定義，利用系統(tǒng)內(nèi)嵌IFC數(shù)據(jù)讀寫程序?qū)崿F(xiàn)反饋分析過程的IFC信息的更新，將過程分析和最終計算結(jié)果信息同步寫入IFC模型，實現(xiàn)了基于IFC的隧道施工多元信息的更新和表達。

表2 傳感器信息屬性集合

表3 隧道圍巖分級指標屬性

3 基于IFC的管理信息系統(tǒng)開發(fā)

3.1 IFC解析及圖形引擎技術

基于上節(jié)所述的隧道IFC模型，將隧道施工過程所采集的各項信息、監(jiān)測信息、學習樣本組、學習結(jié)果以及工程施工信息等由讀寫程序?qū)懭肽Ｐ?。集成信息模型保存為純文本IFC 中性文件(擴展名為.ifc)和IFC 模式文件(擴展名為.exp)。隧道圍巖分級、參數(shù)反分析和支護優(yōu)化各功能模塊采用已有研究成果，可參考相關文獻[13]。

IFC數(shù)據(jù)解析和三維圖形引擎是本文管理信息系統(tǒng)的關鍵技術?？紤]從底層開發(fā)IFC數(shù)據(jù)解析程序需要耗費大量的時間和精力，而目前免費的IFCsvr，IFC Engine DLL 等組件均具有IFC數(shù)據(jù)的解析功能，其中IFCsvr組件無法將BIM模型幾何信息直接轉(zhuǎn)化為三維圖形引擎常用的三角網(wǎng)格，而IFC Engine DLL在該方面優(yōu)勢明顯。該組件集成了幾何實體的布爾運算的一般功能，能夠?qū)缀螌嶓w進行三角網(wǎng)格剖分，極大地方便了實體的模型操作與顯示。并具有解析效率高、平臺支持度廣等特點。因此，本文選擇了IFC Engine DLL 組件作為 IFC 數(shù)據(jù)解析程序的開發(fā)基礎。

在 IFC Engine DLL組件基礎上，采用Visual C# 編程平臺、WinForm界面框架和Sql Server 2010作為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和Direct3D 圖形引擎進行開發(fā)。Direct3D 提供了強大的三維圖形功能， 并具有很好的模型顯示效果，實現(xiàn)IFC模型交互。

SQL Server2010數(shù)據(jù)庫作為IFC 標準數(shù)據(jù)的映射存儲，保證了系統(tǒng)開發(fā)的效率以及模塊功能的兼容性。開發(fā)的基于IFC的隧道MIS主界面見圖8。

圖8 基于IFC的隧道MIS主界面

3.2 系統(tǒng)初步應用

3.2.1 工程概況

現(xiàn)將該系統(tǒng)應用于甄峰嶺隧道工程，該隧道位于吉林省和龍市北部西城鎮(zhèn)境內(nèi)，隧道分左右兩幅，兩洞的間距32～40 m，隧道長度約5 km。以該隧道LK65+870—LK65+950區(qū)段為例分析，在關鍵斷面安裝了自動化監(jiān)測系統(tǒng)，包括多點位移計、應變計、鋼筋計、土壓力盒四種，安裝位置為拱頂、拱腰、拱腳五處，用于測量圍巖變形、結(jié)構應變、初襯內(nèi)拱架軸力和圍巖壓力。施工過程還進行了常規(guī)監(jiān)控量測和地質(zhì)超前預報。該區(qū)段原設計為按照Ⅳ級圍巖考慮，采用臺階法施工。

3.2.2 圍巖動態(tài)分級

結(jié)合甄峰嶺現(xiàn)場實際情況，輸入指標確定為回彈強度值、完整性系數(shù)、節(jié)理延展性、地下水發(fā)育狀態(tài)、結(jié)構面產(chǎn)狀與地應力六項，輸出結(jié)果為對應位置的BQ值對應的圍巖等級。調(diào)用系統(tǒng)的圍巖動態(tài)分級功能模塊，通過解析和調(diào)用前述建立的甄峰嶺隧道IFC施工信息集成模型，讀取圍巖分級指標及學習樣本，完成該區(qū)段的BQ法與DE-ANN法圍巖級別的判定，兩種方法得到的圍

巖等級都為Ⅴ級。根據(jù)該圍巖分級結(jié)果，系統(tǒng)推薦宜采用的工法是雙側(cè)壁導坑法，推薦工法界面見圖9。

圖9 系統(tǒng)計算輸出推薦工法

3.2.3BIM有限元反分析及錨固參數(shù)優(yōu)化

利用前述的BIM有限元技術和智能優(yōu)化算法，進行圍巖的參數(shù)反分，BIM有限元反分析有關界面見圖10。

圖10 BIM有限元反分析有關界面

輸入隧道拱頂位移大約為22.5 mm、拱腰處位移大約為18 mm，經(jīng)過智能算法優(yōu)化迭代，反分析得到圍巖的參數(shù)為彈性模量1.10 MPa，泊松比0.37。與前述分析得到圍巖等級為Ⅴ級是一致的。

基于前述反分析結(jié)果，調(diào)用錨固參數(shù)優(yōu)化模塊進行了錨固參數(shù)優(yōu)化。以拱頂?shù)某两滴灰坪凸把諗课灰撇怀^警戒值作為穩(wěn)定性約束，以工程造價最小為目標，調(diào)用后臺智能優(yōu)化算法的隧道圍巖錨固參數(shù)優(yōu)化程序，得到最優(yōu)的錨固支護方案的支護參數(shù)為：錨桿長度3 m、徑向間距1.4 m、直徑21 mm，初襯厚度為24 cm。系統(tǒng)輸出優(yōu)化的支護參數(shù)界面見圖11。

圖11 系統(tǒng)計算輸出的支護參數(shù)

對于上述區(qū)段采用常規(guī)的現(xiàn)場圍巖BQ分級方法以及常規(guī)數(shù)值模擬進行了計算驗證，與本系統(tǒng)給出的結(jié)果進行對比，有較好的一致性。按照系統(tǒng)給出的結(jié)果對實際工程調(diào)整了方案，方案實施后獲得預期的施工效果。從而說明本系統(tǒng)的功能是可行有效的。

4 結(jié) 語

針對隧道施工信息繁雜抽象及數(shù)據(jù)異構性造成的共享困難的問題，本文分析了基于IFC標準的隧道動態(tài)反饋分析系統(tǒng)功能模塊和數(shù)據(jù)流程，闡述了IFC標準拓展方法，從隧道空間結(jié)構表達、物理結(jié)構表達和屬性集合等方面拓展了隧道構件及信息IFC表達方式，建立了隧道施工分析的BIM信息集成模型，實現(xiàn)了隧道多元信息在不同的BIM平臺的共享。本擴展方法支持通過buildingSMART對IFC格式官方認證的所有BIM 軟件所導出的隧道構件IFC物理文件。

借助 IFC Engine DLL 和 Direct3D圖形引擎，開發(fā)了IFC模型屬性讀寫、格式解析和三維可視化的反饋分析MIS，進行程序編寫，為隧道反饋分析提供了一種新的與BIM模型信息交互操作的解決方案。對開發(fā)隧道管理信息系統(tǒng)的應用表明，建立的BIM信息模型可靠，計算結(jié)果合理，克服了數(shù)據(jù)異構性導致的管理和利用效率低的問題。該系統(tǒng)為隧道施工信息分析管理提供了先進的手段。