基于BIM的公路隧道运维管理系统设计与开发

基于BIM的公路隧道运维管理系统设计与开发

黄 廷1， 陈丽娟2，*， 史培新2， 俞蔡城2

(1. 浙江公路水运工程咨询公司， 浙江 杭州 310004； 2. 苏州大学， 江苏 苏州 215100)

摘要：近年来，我国公路隧道建设里程快速增长，但在隧道运维管理中存在技术落后、管理人员配置不足等问题。针对管理中存在的问题，本文提出将BIM(building information modeling，建筑信息模型)引入公路隧道的运维管理，通过制定具体实施规划及设计系统架构，实现可视化的公路隧道运维管理。以浙江省41省道岭下隧道工程为依托，建立基于BIM的公路隧道运维管理平台，为公路隧道运维管理提供一种直观、便捷的管理方式，提高公路隧道的信息化管理水平。

关键词：公路隧道； BIM； 运维管理； 可视化

0 引言

近年来，我国公路隧道建设里程飞速增长，目前以每年1 150 km的速度增长。据统计，截至2014年底，全国建成通车的公路隧道共计12 404道、10 756.7 km，同比2013年分别增长9.2%、12%[1]。

随着公路隧道建设里程的增长，以下问题在隧道的运维过程中逐渐凸显： 1)隧道多为越岭隧道，地形地质条件均比较复杂，运行期间受气候和地质灾害的影响大。2)在公路隧道的运营管理中，应用比较普遍的仍是人员巡查结合视频监控技术，存在信息化程度不高、管理技术落后等问题[2]。3)无论是在频率上还是技术上，公路隧道的运营期管理和养护工作都存在不到位的问题，造成隧道结构在运营期间快速老化、出现裂缝、漏水等[3]。4)管理人员配备不到位、管理水平不高。一方面，公路隧道养护人员配备较少，同时，公路隧道大多在野外，工作环境艰苦，很难吸引和留住具有高素质的管理人员； 另一方面，由于重视程度不够，对现有管理人员也没有系统和科学的日常培训制度[4]。

为了解决隧道在运维中存在的问题，诸多学者进行了相关研究。曹华[5]通过监控的手段和信息化的管理平台实现了对隧道电力系统综合管理。龚佳琦等[6]通过构建BIM数据库与日常监测数据相结合实现了可视化的病虫害决策分析。常莹等[7]构建隧道全生命周期BIM云平台，为隧道运维提供了数据技术的支持。李俊松等[8]提出利用BIM模型集成隧道信息并模拟火灾险情发生时的人员疏散路径和通风组织。T.Park等[9]利用BIM技术预估隧道运维成本，为隧道运维提供了管理技术的支持。A.Borrmann等[10]利用可视化和web技术将运营中的实时信息通过邮件发送给管理人员，辅助管理人员得到最新资讯。

综上所述，对于公路隧道在运维过程中的信息化管理，需要更加深入和全面的研究与探索，以解决公路隧道在运维过程中因信息化程度不高带来的管理漏洞。本文依托典型的公路隧道工程，通过在运维阶段引入先进的BIM技术，以信息化的手段解决管理中存在的技术落后、管理不到位的问题，提高运维阶段的管理效率，建立隧道BIM实施规划及公路隧道BIM设备编码规则，并在此基础上构建基于BIM的公路隧道运维系统。

1 BIM在公路隧道运维阶段的应用优势

目前我国在公路隧道运维管理中仍然存在很多问题，主要表现在以下几个方面： 1)缺乏信息化的评价、决策和管理手段，隧道安全管理缺乏信息化、网络化的支持； 2)隧道运维管理方法缺乏一套完善的行业标准； 3)缺乏对隧道运维安全预防措施决策框架的深入研究，使得在隧道的实际运维过程中难以确定预防性的养护安全管理方案，并且针对特定的隧道也缺少预防性养护、管理对策[11]。

建筑信息模型(BIM)是在统一的工业标准下，通过计算机构建实体物理模型，并在实体模型中存入、提取相关信息，实现在模型中信息的储存、提取与查看[12]。BIM应用优势主要表现在信息传递、信息储存和信息共享，并且能够通过信息加工实现模型化和可视化。

BIM在公路隧道中的应用优势： 1) 综合储存隧道CAD图纸和BIM模型，实现设计、施工、竣工信息共享； 2)为运维管理人员提供信息化的管理手段和可视化的管理方法； 3)提供智能化的隧道设备管理方式，及时了解设备资产的运作、分布、构成、使用和故障等情况，转变静态管理为动态管理； 4) 加强隧道各专业之间的信息共享，减少信息传递过程中的损失，解决运营管理中各专业之间的“信息孤岛”问题[13-14]； 5) BIM技术把信息与数据存储在模型中，在交付实体建筑的同时交付一个用信息构筑的模拟模型，从而解决“信息断流”的问题[15-16]。

2 基于BIM的公路隧道运维管理平台架构

为实现基于BIM的运维信息综合管理，首先进行管理平台的规划； 然后运用BIM的参数化智能建模技术建模，通过三维协同，在设计、施工以及运营之间建立无缝的沟通桥梁，从而实现有效的信息交互，并数字化、可视化地呈现工程建设流程的各个阶段，同时减少设计冲突、协调各专业，提升生产力以及设计质量，节约建造成本； 最后根据运维需求进行管理功能模块的划分和功能的设计。

数据存储与访问在功能设计时选用SQL Server系统。SQL Server更加注重商业智能功能，为企业提供数据库层面的集成，实现BIM模型对象数据与数据库SQL之间的交互，满足多项目多专业对海量数据的存储与使用需求，支持多用户的并行数据访问。

2.1 BIM建模规划

BIM建模的技术要素主要为技术支撑、数据支撑、体系支撑和管理支撑。采用Autodesk软件平台用于模型创建、分析以及浏览，在Revit系列建模软件中创建专业模型后，采用统一的坐标原点在Navisworks中进行模型整合与浏览。首先采用Civil 3D对建筑场地和基本环境进行搭建，然后利用Revit对建筑产品进行建模，最后将建成的所有模型导出到Navisworks进行整体拼接。在此基础上进行进度计划的导入与对接，形成4D进度模型，再将结构化的数据信息存储于SQL数据库中，与BIM模型中的三维构件进行数据链接，使得数据在不同参与主体之间进行可视化传递与流转，通过可视化的界面快速理解与决策，使得项目参与方共享一套数据，保证了信息的一致性和连续性。

2.1.1 建模要求

根据BIM应用目标不同，需要建立详细程度不同的模型来表达模型构件及其属性。将隧道3D模型与设计、施工及管理信息集成一体，实现了3D模型参数化创建与显示以及隧道构件和体量、材料、进度、成本、质量、安全等信息的关联、查看、编辑与扩展。BIM模型精度定义为模型粒度(level of details)，简称LOD。BIM模型精度描述了一个BIM模型构件单元从最低级的近似概念化的程度发展到最高级的演示级精度的步骤，即工程项目在不同建造阶段的需求不同，其相应阶段模型的深度要求也就不同。在公路隧道运维阶段涉及到的各专业BIM模型的主要内容、说明、详细程度等如表1所示。

表1 隧道BIM建模说明

Table 1 BIM modeling description of tunnels

专业主要内容说明详细程度工具交付成果周边环境轴网、标高定位，项目分区可看到主要的位置、尺寸信息LOD300 场地模型，包括道路、绿化、周边建筑示意 表达建筑周边环境以及通道周边标识LOD200AutoCAD，Civil3D三维BIM环境模型结构 隧道结构主体构件的位置、尺寸、材料 显示主体构件的类型、位置、尺寸、材料信息围护结构，土建配件(管沟盖板) 表达围护结构、土建配件的类型、形状、位置LOD300LOD300 Autodesk，Structure，Revit三维BIM结构模型设备设施 通风、照明设备类型、外型、尺寸、位置，管线类型、尺寸、位置，灯具，配电箱，主要通道交通标志等 显示设备的类型、外型、尺寸、位置以及管线类型、尺寸、位置LOD300Autodesk，Revit，MEP 三维BIM管线综合模型

2.1.2 设备设施定位编码

对BIM运维平台设备空间编码，是将BIM模型集成到设备管理系统的基础。通过对BIM模型编码，可以实现软件系统与三维模型的耦合，以实现软件系统在不同三维场景中的应用；对隧道总体、隧道洞口、隧道区域以及内部结构等对象化，形成唯一标识；可在三维空间中快速查找、定位单个设备或整套水、电等系统，也可通过设备唯一标识查找、定位空间位置。编码规则是以简单的英文首字母和阿拉伯数字组合作为设备的唯一编码，由隧道、主体隧道部位、隧道区段和部位、隧道方向、设备系统5部分组成，具体编码规则如表2所示。

表2 运维平台设备空间编码规则

Table 2 Space encoding rules for operational platform equipment

编码 位数层级解释说明S11S：隧道SXX32 S01：深固隧道；S02：陈岙隧道；S03：上岙山隧道；S04：马头山隧道；S05：上烘头棚洞；S06：岭下隧道；S07：九丈隧道L/R33L：隧道左线；R：隧道右线T/FXX34 依据隧道区段和部位划分，T：土建工程，即隧道实体本身的区段和部位；F：安装工程，即隧道中使用的通风、照明、消防、交通信号等项目。其中，T01：隧道洞口；T02：洞身及路面；T03：防排水工程；F01：通风；F02：照明；F03：消防；F04：报警；F05：交通信号XXXX45设备级，在系统级标识下的更细标识，从0101开始，按照由南向北方向排序

按照设备空间编码规则，编码SS06RF010102表示岭下隧道右线进口洞口设备,如图1所示。

图1 岭下隧道右线进口洞口设备编码示例

Fig. 1 Equipment coding example

2.2 管理平台功能架构

平台的构建主要是为了实现在运维管理阶段不同专业之间数据的储存和调用，其功能主要有信息的录入、查询和修改等。基于Unity 3D图形平台开发并添加外部数据库来构建此系统平台。系统架构为典型的C/S架构，服务器端配置路由器、防火墙以及SQL Server服务器，负责提供数据存储、访问和管理等服务。客户端为可连接入网络的个人计算机以及支持二维码扫描和无线网络传输的手持终端。客户端计算机通过一个保存系统配置信息和项目具体细节的配置文件，对隧道设备管理系统的应用环境进行设置。

通过构建三维隧道信息模型，集成隧道设计、施工中各阶段信息，并轻量化无缝衔接于运营管理，进而开发出交互式管理系统，包括竣工电子档案、基础资源信息、隧道运维计划、隧道健康监测、应急预案管理等5个主要功能模块。基于BIM的运维平台框架如图2所示。

图2 基于BIM的公路隧道运维平台框架图

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

3 基于BIM的公路隧道运维管理案例分析

建筑信息模型(BIM)是以三维数字技术为基础、集成了建筑工程项目相关信息的工程数据模型，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。BIM作为一种全新的理念，在城市隧道和轨道交通的设计、施工、运维管理阶段的应用优势正逐步显现出来。基于BIM的公路隧道的运维管理平台以实现竣工电子档案、隧道基础信息、隧道运维计划、隧道健康监测和应急预案管理等功能为目标，利用信息化的手段集成隧道基础信息，为运维计划和决策提供支持。

本案例所述工程是位于浙江省41省道永嘉福佑至沙头段改建工程的山岭隧道工程。该山岭隧道所处地形、局部地质情况和施工工法在江浙一带具有典型性。以该山岭隧道工程为依托，开展基于BIM的隧道运维管理平台的研究，提升工程的安全度和质量，节约运维成本。基于BIM的隧道运维管理系统，如图3所示。

图3 基于BIM的隧道运维管理系统

Fig. 3 Tunnel operation and management system based on BIM

3.1 竣工电子档案

通过对竣工资料管理过程和流程的调查研究，得出竣工资料保存、查找困难的主要原因： 1)竣工资料多，难以分类管理保存； 2)项目运营期长，资料难以保存久远； 3)资料多为纸质，不易于及时查阅； 4)资料管理的流程和制度不健全，导致管理混乱。为解决管理中的这些问题，在管理信息系统中通过构建竣工电子档案模块，用信息化的手段管理竣工资料。

竣工电子档案主要分为设计图纸管理(CAD)和BIM三维模型管理2大模块。通过分类，将CAD图纸分为平纵面、洞身及路面、洞门、支护结构、设备设施5大部分。对于BIM三维模型管理，则由地形模型、地质模型、隧道模型、支护模型和设备模型共同构成。竣工电子档案模块的设置，避免了在公路隧道建设过程中竣工资料保存管理不完善、不全面等情况的发生，同时避免了因为竣工资料的缺失导致的在正常维修或紧急抢险过程中人力、物力资源浪费或救援不及时等情况的发生。竣工电子档案作为一个信息数据库，既保存了数据资料，方便今后的查阅和管理，又为运维管理人员提供CAD图纸和BIM模型的录入、查询、调用和修改等功能，使运维管理工作更加方便快捷。竣工电子档案的系统界面如图4所示，系统界面中左边为功能栏，中间为隧道BIM模型，右边为CAD图纸。

隧道BIM模型在系统中的嵌入，有助于管理人员对于隧道属性的整体认知与感受，能够及时地了解隧道的土建结构和隧道内的设备分布。通过隧道BIM模型，及时掌握设备的生产厂家、型号和维修记录等信息，并根据设备的历史信息支持管理人员进行决策。通过隧道BIM模型能够直观地识别线路的上下游关系，在电力系统出现问题时能够及时溯源，找到上游电力设备，避免更严重的损失和意外情况的出现。

3.2 基础资源信息

针对管理中存在的人员管理混乱、责任不清等问题，从优化管理手段的方向，提出构建基础资源信息模块。基础资源信息是隧道管理的基础，主要包括人员信息和设备信息。在系统设计中，主要包括内部人员管理和设备管理。通过内部人员管理系统可以对班组员工基本信息进行管理，方便管理人员对于隧道日常运维计划的安排，并且在紧急情况发生时可以直接联系到当班人员，提高管理效率。通过设备管理系统，可以查看隧道中各设备的运行情况，并且对设备进行分类、分区域管理，如图5所示。通过选择机电设备，可以快速查询与其关联的所有信息和文件，包括设备台帐信息、维护保养记录、故障维修记录、应急预案、设备图纸和操作规程等； 同时，也可以通过查询设备台账信息，定位到与之相关联的所有设备构件。闭合的信息环为运维人员掌握和管理所有的设备和海量的运维信息提供了高效的手段。

图4 竣工电子档案

Fig. 4 Electronic archives of completed tunnels

图5 设备管理

Fig. 5 Management of equipments

3.3 隧道运维计划

通过制定定期和日常的隧道运维计划，保证在隧道的合理使用年限内能够安全运营。隧道的运维计划主要包括对隧道结构、设施、设备的年度维修计划和月度维修计划。设备维修管理主要包括设备维修工作提醒、设备工作单位管理、维修记录、维护周期管理、保养周期管理和委外维修管理等，使设备的维修委外记录和内部维修记录形成一个完整闭合的信息流，避免信息保存过程中的流失。设备维修管理为机电设备管理人员提供了日常的管理功能，可以实现在系统中为构件添加相应的维护计划，系统会按照该计划定期地提醒运维人员对构件进行日常的维护工作，并在维护工作后辅助录入维护日志。隧道运维计划系统界面如图6所示。

3.4 隧道健康监测

隧道的健康状态是维持隧道正常运行的首要条件。公路隧道一般修筑在山岭地区，在暗洞开挖过程中常常遇到开挖面滴水甚至涌水的情况，而在公路隧道的运营过程中，衬砌表面和施工缝发生渗漏水是隧道常见病害形式之一； 同时，由于隧道深埋于山体内部，围岩应力的变化和分布不均也是隧道工程的一大难题，由于衬砌受力不均形成局部围岩压力过高，造成隧道的拱顶和拱腰等部位变形，引起隧道二次衬砌开裂甚至整体失稳也是隧道的主要病害形式之一。隧道健康监测主要包括变形监测和相互作用力监测。通过对洞口、洞门、衬砌、路面、检修道、排水设施、吊顶的定期巡查，环境、变形等的专项监测以及对结构外观、设备设施等健康状态的监测，一旦出现安全预警，可进行及时上报并采取处理措施。隧道健康监测系统界面如图7所示。

图6 隧道运维计划

Fig. 6 Tunnel operation and management plan

图7 隧道健康监测

Fig. 7 Tunnel health monitoring

3.5 应急预案管理

隧道作为管状的封闭体系，如果隧道内部的运营信息不能及时获取，一旦发生突发的火灾、事故等灾害，隧道外的车辆不能及时获取路况信息并采取应急措施，将导致间接扩大灾害损失，因此，在隧道运维阶段应具备科学的应急管理体系和应急预案系统。应急预案系统主要分为2大模块，包括应急预案的录入和应急预案的查询。在应急预案管理系统中还包括查询上下游设备功能，从而方便对受损设备的及时切断，防止出现更大范围的意外。应急预案管理系统界面如图8所示。

3.6 应用小结

以浙江省41省道永嘉福佑至沙头段改建工程的山岭隧道工程为依托，开发的公路隧道运维管理系统已经成功投入使用，主要用于运维管理人员的日常办公维护。

采用基本BIM的隧道运维管理系统，实现了运维管理的可视化，省去了管理人员反复查阅纸质文件和图纸的时间，提高了管理人员的工作效率； 同时，不同专业和部门的工作人员使用同一个办公系统平台，使不同专业之间的数据实现了信息共享，增强了不同部门之间的沟通，减少了不同部门之间沟通协调中的信息损失； 另外，通过此系统平台实现了标准化的工作流程，缩短了应急反应时间。在此系统平台上进行隧道运维管理，设备的日常维护响应时间缩短了80%，做到了报修与维修的联动响应。

图8 应急预案管理系统

Fig. 8 Emergency plan management system

4 结论与讨论

本文建立了隧道BIM实施规划及公路隧道BIM设备编码规则，并在此基础上构建了基于BIM的公路隧道运维系统，实现了运维过程中的可视化管理，有效解决了横向各专业、纵向各阶段之间的“信息孤岛”和“信息断层”问题； 然而，仍然需要解决现场突发状况的快速反馈与处理等问题。

本研究结合隧道项目的特点及需求，将运用于房建项目较多的BIM运维系统引入隧道项目，通过BIM技术实现信息管理规范化、智能化，提高运维管理人员工作效率，保障隧道安全运营。未来在BIM运维系统开发方面的探索与应用必将随着理论研究的不断深入和技术水平的持续提升有着更加长足的发展，应用软硬件相结合的方法对隧道运维阶段出现的问题进行智能感知、传达、分析与处理。

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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. Zhejiang Highway & Water Transportation Engineering Consulting Corporation, Hangzhou 310004,Zhejiang, China； 2. Soochow University, Suzhou 215100, Jiangsu, China)

Abstract：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.

Keywords：highway tunnel; BIM; operation and maintenance management; visualization

收稿日期：2016-04-21;

修回日期：2016-09-22

基金项目：浙江省交通运输厅科研项目(2015J11)； 江苏省基础研究计划(自然科学基金)青年基金项目(BK20160320)； 江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(KYLX15-1238)

第一作者简介：黄廷(1980—)，男，浙江衢州人，2001年毕业于长安大学，交通土建工程专业，本科，高级工程师，主要从事隧道工程设计、咨询工作。 E-mail： [e-mail]。*通讯作者： 陈丽娟， E-mail： [e-mail]。

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

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2017)01-0048-08