隧道工程的数字脉络——BIM+GIS在隧道设计施工中的数字融合经验

在数字经济的推动下，BIM（建筑信息模型）和GIS（地理信息系统）技术在工程建设中的应用日益广泛。这两种技术的融合，为工程项目的设计、施工和管理带来了许多可喜的变化，推动了行业的进一步发展。

本文将探讨BIM+GIS技术如何对隧道工程项目有效赋能，特别是从设计施工数字融合的角度出发，分析前期数字化探索过程中遇到的问题，并探讨如何通过设计施工融合带来更明确的经济效益。

BIM+GIS赋能的探索之路

前期在BIM应用环节，团队通过现有的BIM软件工具平台结合二次开发技术，将工程项目转化为详细的BIM模型。尽管最终的展示效果令人满意，但这一过程却耗费了大量的人力和时间。“翻模”和信息挂接的工作不仅效率低下，而且容易形成资源浪费。另一方面在研发基于BIM+GIS的管理系统时，虽然根据项目的特定信息化建设需求定制研发，但在实际应用中需要不断的应用，收集数据才能发挥出预期的综合效益。假如系统增加了额外的信息填报等环节，就容易导致在真实项目中系统的使用率降低，系统难以收集到足够的反馈进行优化迭代，也无法实现长期的项目支持和价值增长，BIM的经济价值更是难以体现。随着研发团队逐渐打通隧道正向设计环节以及隧道后期服务、建设管理，打造经天路图隧道模块及相关管理系统，探索出了隧道方向可行的施工设计数字融合经验。

隧道设计施工数字化协同

应用的现状

传统隧道设计成果

数字化程度低

传统的隧道设计成果主要以图纸和文档呈现，这种方式在信息表达上存在一定的局限性。一方面，图纸和文档难以全面、准确地反映隧道工程的复杂几何信息、地质情况和结构材料等关键要素，无法满足智能工业化建设对精细化设计的要求。另一方面，在后续的施工过程中，图纸和文档的信息传递效率较低，容易出现理解偏差，导致施工与设计不符，影响工程质量。

设计、施工和管理信息

流通不畅

在传统隧道工程中，设计、施工和管理环节往往相互独立，缺乏有效的沟通和协同机制。设计阶段主要关注设计方案的可行性和美观性，而对施工过程中的实际问题考虑不足；施工阶段则侧重于按照设计图纸进行施工，对设计变更的响应速度较慢。管理部门在整个过程中主要进行监督和协调，但由于信息不畅通，难以实现对工程的全面管控。这种各自为政的局面导致信息流通不畅，协同不力，容易出现工程进度延误、质量问题和安全隐患。

数字化应用脱节

常规的数字化应用通过“翻模”的方式将传统设计图纸转化为BIM模型，这就导致数字化成果的应用滞后于传统设计成果的交付，且难以保证转化后的数据与交付的设计成果一致，影响后期的数字化应用效率和质量。

数字化智能建造的发展

数字化智能建造是当前隧道工程发展的趋势，它将信息技术、智能化技术和数字化技术引入隧道工程的各个阶段。在设计阶段，通过数字化设计平台，设计人员可以生成能完整表达设计意图的结构化数据，并输出对应的设计成果，如BIM模型等。这些数字化成果不仅可以直观地展示隧道的几何形状和结构布局，还可以为施工阶段提供准确的信息支持。在施工阶段，利用施工资料的信息化管理、施工进度的实时监控、施工结构的安全监测及动态优化设计等技术，实现对施工过程的精细化管理。在运营阶段，通过结构健康监测及设备信息化运营，确保隧道的安全运行。

数字化智能建造涵盖了隧道工程的全生命周期，包括设计、施工、监测和运营等阶段。通过搭建数字化交付平台，实现了设计图纸、工程量、工程量清单、正向设计数据、BIM模型及EBS结构树的结构化管理，创建了建设管理EBS及相关数据的接口，为各阶段的数据管理和交付提供了有力保障。同时，基于数据驱动技术的数字化设计和以BIM技术为核心的可视化模拟、协同管理、智能监测等应用，打破了传统隧道工程中的信息孤岛，实现了各个阶段之间的无缝衔接和信息共享。例如，在隧道施工过程中，通过对BIM模型的实时更新，可以及时反馈施工进度和质量信息，为设计调整和运营管理提供依据。

隧道设计施工数字化协同

应用的技术

数字化设计平台架构采用设计和成果输出独立运算的双层架构，其中设计对象、设计算法、几何引擎与图形引擎完全分离,设计对象、设计算法及几何引擎均为自主研发，通过建立与不同图形引擎的独立转换库，在不同平台呈现设计成果，实现软件快速移植和自主可控。在设计环节，平台通过交互的设计逻辑操作设计对象，并通过网络数学计算构建与设计意图对应的设计数据，从而保证核心算法的自主可控，这是设计软件的主要环节。在成果输出环节，选择输出成果的依托平台(如CWCAD、AutoCAD等)，将计算得到的设计数据转换为对应的设计成果，如图1所示。

图1 软件架构

在设计算法研究中，通过在几何算法中引入局部坐标系作为参数计算结构轮廓坐标，并建立局部坐标系与任意坐标系的相互转换算法，实现二三维几何算法并轨，结合设计数据，依托同一套算法库就可以同时生成二维设计图纸和三维BIM模型。

基于数字化设计平台得到的正向设计数据，自动创建隧道BIM模型，建立了正向设计数据与二维设计成果同步输出、同步更新的数字化设计机制，然后基于设计数据自动生成隧道EBS结构树，根据计量规则自动生成工程量清单，这样就得到了整个数字化设计成果集，各种成果协同管理，形成统一数据底座，可以适配不同交付标准和需求，实现设计成果的数字化交付。

通过对模型采用数模分离的方式进行存储，模型的几何及属性单独管理，两者通过GUID建立关联关系。模型几何修改困难，而属性修改效率高，不同的应用需求主要在于属性的不同，这种方式充分增加数据应用的适应性，根据不同的业务需求，输出不同的数字化成果，包括IFC、FBX、API数据服务等，实现成果应用的跨平台，极大提升了信息化建设效率，数字化集成与交付技术架构如图2所示。

图2 数字化集成与交付

隧道设计施工数字化协同

应用案例

G5京昆高速公路绵阳至成都扩容段长达128km，其中马鞍山隧道是该项目唯一一座隧道，也是四川省内首座双向八车道特大断面隧道。马鞍山隧道全长960m，最大开挖宽度23.5m，最大开挖高度为14.8m，分别是普通隧道开挖宽度的2倍，开挖高度的1.2倍，最大开挖面积接近260m2，是当前四川省跨度最大的隧道，施工采用双侧壁导坑法与单侧壁导坑法，施工难度大且风险系数高，如图3所示。

图3 马鞍山隧道

项目结合隧道围岩差以及开挖跨度大等特点，采用双侧壁导坑法和中隔壁法施工。为有效减少隧道施工风险并助力隧道建设，四川省交通设计院采用BIM+GIS技术打造出智慧隧道设计施工协同应用系统。此系统应用分布式光纤植入式神经传感系统和微位移传感系统，代替传统监测手段与智能管理平台，自动采集隧道结构监测数据，如隧道周边位移、初支应变和二衬应变等，进而得出隧道累计变形、变形速率、变形走向以及结构内力等信息。

系统结合正向设计得到的结构化设计数据、建造数据收集器获取的施工数据以及自动监测设备收集的监测数据，搭建多源数据相融合的隧道动态BIM模型，基于此模型对隧道施工数据和监测数据进行可视化分析，包括施工数据上报监测与控制分析、掘进进度监测、支护进度监测、安全预警信息监控以及设计变更管理等，能够全方位把控隧道施工现状、投资进度与施工安全，如图4所示。隧道贯通横向、纵向误差均控制在5毫米以内。

图4 隧道施工现场安全管控

系统结合隧道施工规范与项目特点构建多重安全预警机制，综合考量累计变形、变形速率、变形趋势、初支内力以及二衬内力等多种设计要素，防止因单一要素失效引发施工风险。在此机制下,系统实时监控现场施工状况，通过流程式监督排查风险点，最大程度保障施工场地安全。依靠此机制处理监测数据，实现了监测数据的量化分析，并基于监测数据指导设计施工方案，实现设计指导施工、施工反馈设计的隧道动态设计，为隧道施工安全提供有力支撑，同时为结构优化设计提供理论支撑，也为后续安全运营开辟了新路径。

在马鞍山智慧隧道建设系统成功应用的同时，团队基于经天路图数字化平台，不断丰富BIM+GIS应用。经天路图数字化平台，不仅在设计中发挥了重要作用，而且在各阶段项目推进会中，通过现场基于经天路图的BIM+GIS三维模型，实现了多方的协作和沟通。这种三维模型的现场即时应用，使得设计合理性、施工可行性以及经济指标的验证变得更加直观和精确，极大地提升了决策的质量和效率。应用场景更进一步扩展到了高精度施工便道设计、便道的更改、弃渣场的选址、区域汇水计算以及施工前期的全面规划等多个场景，如图5、图6所示。这些应用不仅提高了设计的精度和施工的效率，还通过减少资源浪费和优化施工方案，为项目带来了经济效益和环境效益的双重提升。高效的BIM+GIS平台使设计、施工融合更进一步。

图5 经天路图弃渣场设计汇水面积分析

图6 经天路图施工便道设计比选

2024年，项目团队为提升后期服务效率和质量，更好地衔接数字化建设相关服务，基于网页端搭建了后期服务系统，对项目建设资料进行信息化管理，包括项目信息、路线数据、建设标段、参建单位、施工进度、变更流程、设代日志、工地简报、技术总结和来往函件等，再根据上述信息化资料和数据，依托项目管理需求，输出相应的数据报表，同时通过网页大屏对数据报表进行可视化呈现（图7），并对项目动态进行实施监控。变更管理是后期服务的核心功能，进一步强化了项目管理的灵活性和适应性。系统中的变更管理包括问题和变更两个环节：一是现场技术人员首先通过问题管理上传现场资料及问题详情，系统基于问题处理流程商讨现场问题处理方案，确认变更与否及初步实施预案；二是基于确认变更的问题自动生成变更信息，同时补充变更资料，通过变更处理流程确认变更具体实施方案，并打印变更通知单。至此，隧道从正向设计到后期服务到建设管理全流程都实现了数字化管理，极大提升了项目管理的效率和质量。

图7 经天路图后期服务系统

因此，通过实践检验BIM+GIS技术对隧道等工程项目的赋能逐步显现。尽管在数字化转型的初期，企业可能会面临资金和人力投入大、回报低的挑战，但通过设计施工数字融合，企业可以提高设计精确性、优化施工过程、增强项目管理，并最终提升运营效率。随着技术的成熟和市场接受度的提高，BIM+GIS技术将为企业带来越来越明显的经济效益。隧道设计施工数字化协同应用是当前隧道工程发展的必然趋势，它将为隧道工程的高质量建设和安全运营提供有力支持。

本文刊载 / 《数智视界》杂志

2024年 第4期 总第31期

作者 / 徐益飞

作者单位 / 四川省交通勘察设计研究院BIM中心

编辑 / 李诗韵

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 王硕 廖玲

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