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摘要：为了提高盾构隧道管理效率，本文通过对GIS与BIM技术的集成，设计出全寿命管理系统，重点对开发技术、模型构建、编码关联等内容进行分析，并通过案例分析的方式，对该系统在地质勘查、结构设计、运营与养护等多个阶段的应用加以阐述，力求通过本文研究，发挥GIS与BIM技术的合力，使隧道管理效率得到显著提升。
关键词：GIS/BIM技术；盾构隧道；全寿命管理
引言：在社会经济飞速发展之下，轨道交通线路增加，盾构隧道工程规模不断扩大。但是，在盾构工程中存在GIS标准缺失、BIM分析功能薄弱问题，需要通过构建科学完善的盾构管理系统，对盾构工程的全过程、全寿命周期进行高效管理，从地质勘查、结构设计、运营与养护等多方面着手，以此提高数字化管理效率。
1盾构隧道全寿命管理系统设计
1.1关键技术
该系统的主要作用在于对隧道工程的二维、三维图形信息、工程属性信息等进行管理，在此基础上，对隧道全寿命进行管理。其中，属性信息是在IFC数据标准的基础上扩展而成，并在Revic中加入IFC参数，导出到SQL数据库中，由此构建统一的信息模型；三维模型是在Revit中构建，导出FBX格式文件，在Unity3D中作为可视化图形引擎。通过关联以上信息，开发出多种分析功能，并将其应用到全寿命管理之中。通过GIS与BIM技术的集成，不但可利用GIS进行地理信息捕捉、分析与管理，还可借助BIM构建信息模型，实现全寿命数据的标准管理。
1.2信息模型构建
该模型可简称为IFC，与国际BIM数据标准相符，具有较强的可拓展性、覆盖范围较广，在隧道工程中得到广泛应用。在本系统研究中，加入隧道施工、监测与病害检查等信息，使该模型的功能得以拓展。以施工数据为例对该模型进行介绍。在信息模型中，用实体IFC对施工过程进行描述，如盾构掘进、壁后注浆、管片拼装等等。通过枚举值对工程类型进行表示，并描述出全部施工的时间信息。每个IFC实例与衬砌管片盾构相对应，二者以实体IFC为纽带建立联系。IFC Task代表的是盾构中其他过程，如掘进、拼装、注浆等等，三者之间存在先后联系，均可用实体IFC Sequence对施工顺序进行表述。在本文研究中，利用Revit对盾构隧道、监测点、钻孔等建立模型，由于Revit不支持IFC实体拓展，因此将模型中全部物理单元利用IFC BEP实体进行描述。在隧道模型中，通过赋值属性集的方式，加入盾构隧道信息，因Revit无法直接定义属性，可采用IFC Export插件来完成，将IFC的参数输出为IFC文件，利用Solibri对属性集进行查看，最后导出，并在SQL数据库中进行存储，便于程序调用[1]。
1.3编码关联
要想实现系统构件统一管理，则要制定编码规则。为了便于读取，可对隧道地质、结构、周围环境等进行编码。编码包括数字与字母两个部分，最多为三级信息，覆盖地面与地下的建筑物、道路、轴线与管线等多个部分。GIS/BIM集成的重点为模型间的数据共享与二维、三维图形关联。对于属性数据来说，可利用IFC信息模型作为共享标准，将IFC属性导入SQL数据库中，为后续查询与分析提供便利。借助Revit构建三维模型，并附加编码信息，将FBX文件导出，以Unity3D为图形引擎。最后，利用C语言在系统中红构建三维数据模型，实现隧道编码的关联。
2盾构隧道全寿命管理系统的应用
以某地的地铁盾构隧道为例，阐述该系统的应用方法与效果。该工程的隧道内径为5.5m，外径为6.2m，环宽为1.2m，区间长度为1450.9m。在隧道旁边挖一个基坑，总面积为100m2，与隧道之间相距10.3m。在全寿命管理系统中，主要包括GIS几何模型、三维视图、IFC数据。在GIS与BIM技术的支持下构建模型，赋予构件编码，与数据模型相联系。例如，将系统中编码为GEO-BHL-1632的钻孔选中后，便可在其他窗口中将该钻孔突显出来。在本文研究中，主要对该系统在信息采集、结构管理、运营监测等方面的应用进行分析。
2.1地质信息采集
在IFC模型中，可对地层分别、钻孔深度、土壤属性信息等特性指标进行获取；在GIS模型中，可对某钻孔所处的空间位置、坐标等信息进行获取。例如，要想获取GEO-BHL-1632的钻孔信息时，可在该系统中对土质信息进行显示，土质层次依次为黄色粉质粘土、灰色淤泥质黏土、灰色黏土。用户可根据实际需求，选择区域四周的钻孔，并将其作为剖切面，将钻孔垂直投影到该面上，对周围钻孔的地层插值进行计算，通过图形接口生成二维地层，通过对各个土层分布数据、钻孔位置，绘制地质剖面图，由此更加全面的掌握隧道四周地质情况。与以往剖面图相比，该系统生成的图形为动态，还可对隧道埋深、衬砌覆水压力等进行获取。部分地层构造较为复杂，具有诸多不确定性，进而通过构建三维模型的方式，在Unity3D技术支持下，使地层实现可视化[2]。
2.2结构信息管理
在信息模型中，结构方面的管理主要包括隧道线路、轴线里程、衬砌分块、物理力学等内容，具有空间分析与几何模型两项功能，可对空间范围内有价值的信息进行提取，包括长度测量、面积测量、范围查询等等。在地质剖面分析的同时，还可将任意环衬砌垂直投影到剖面中，借助空间分析功能，对上覆土层的厚度情况进行计算，并通过力学分析的方式，对隧道四周水土荷载进行计算。在该系统之中加入了有限元分析模块，以服务的形式开展，为用户提供调用接口，使数字与模型之间能够相互转化。例如，在对荷载结构进行计算时，系统可将分析得出的衬砌大小、属性、水平压力以及其他相关数值进行计算，通过Http的方式将其传递到有限元服务之中，并对模型节点的轴力、剪力、弯矩等信息进行监测，将计算结果以可视化的形式表现出来，为结构设计提供强有力的参考。通过对结构信息进行高效管理，使其无需其他资料辅助，便可对信息模型进行自动构建，对相应的数值进行计算，使数据分析效率得到极大提升。
2.3运营信息监测
在运营期间，隧道病害监测工作十分重要，可通过数字化管理系统和数字化设备的配合完成的运营期管理，例如隧道养护系统负责统计和展示，而专门的隧道监测设备，用于收集基础信息，设备借用了三维扫描、GPS、激光测距、红外光灯技术，而软件系统可帮助识别病害、解析计算、三维建模、统计分析等等。在该系统的应用背景下，可将隧道收敛、沉降、倾角等信息进行随时显示。系统中设置了无线传感器，其作为一种分布式感知网络，支持数据信息的实时传输，且监测范围相对较广。将该设备放置在隧道之中，可对各项参数信息进行实时采集，并借助4G网络将其传输给周围的网关；在服务器中设置专门的接收网关，将原始数据解析后，存储到系统之中，便可与管理系统进行同步监测。在基坑开挖工序中，可将传感器安装在隧道之中，对两个倾角的变化情况进行监测和分析，在几何模型中选择与之对应的监测点，便可将最近的监测信息以图表的形式显示出来。与以往的人工监测相比，在数据准确度、汇总、监测报告等多个方面具有优势。同时该系统的应用还可实现全自动化的目标，当结构出现异常情况时，可在第一时间发出警报，通过多种形式对监测数据进行显示和对比分析[3]。
2.4日常养护与评估
在工程建设期间，应针对安全风险、质量等问题的数字化管理，通过数字化管理系统，借助远程视频监控、智能闸机、自动监测报警、手机APP联动、信息分级管理和推送、快速应急响应、数据统计分析、历史痕迹追溯等方式来实现。在该系统的应用中，可将隧道状态以不同等级的形式进行描述，在本工程中将隧道状态分为5个等级，从1分至5分，分别代表的是很好、好、一般、差和很差，并利用公式对状态等级进行计算，公式如下：
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式中，TSI代表的是隧道状态；ds代表的是剥落面积，单位为m2；dc代表的是裂缝长度，单位为m；Save代表的是沉降均值，单位为mm；d1代表的是渗漏水面积，单位为m2；cave代表的是收敛平均值；通过该模型的监测结果可知，该隧道中的沉降范围为0—9mm，收敛变形为0—10%D，其中，D代表的是衬砌直径。在施工范围内，共计有12处剥落、19处漏水、23处裂缝。采用上述公式对隧道状态进行计算，并将工程的各项参数指标代入其中，可得该区间的状态范围为1.8—2.4之间，与“好”状态相近。以当前地铁方面的相关规定为标准，在日常管理工作中对各项单项指标进行评估，对病害之处进行有效的维修，在该系统的支持下，使隧道状态达到最佳，为隧道日常养护工作提供抓手，明确各个区段的维护等级，并有的放矢的制定维护方案。
结论：综上所述，本文通过对GIS与BIM技术进行集成，设计出隧道工程全寿命管理系统，在IFC数据的支持下，对隧道信息模型进行拓展，并将该系统应用到地质勘查、结构设计、运营与养护等多个阶段。通过大量实践应用结果表明，该系统的应用可使盾构隧道的全寿命周期实现数字化管理。在未来的发展中，系统功能与范围将进一步拓展，从而获得更加广阔的发展前景。
参考文献：
[1]薛梅，李锋.面向建设工程全生命周期应用的CAD/GIS/BIM在线集成框架[J].地理与地理信息科学，2019，31（06）：34-38+133.
[2]王俊彦.基于GIS和BIM的铁路信号设备数据管理及维护系统研究与实现[D].兰州交通大学.2019.
[3]王万齐.基于BIM技术的铁路工程建设信息化全寿命周期管理研究[D].天津大学，2019.