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数字化与信息化 基于BIM技术的隧道数字化监测研究杨海亮（中铁十六局集团第五工程有限公司）【摘要】根据相关调查研究，塌方、冒顶、爆炸等事故在隧道施工中占比较高，而不良地质条件、人为因素影响则是主要的原因，人工监测的方式存在着方法单一、频率较低、协调性差等问题，实际指导作用不大。文章研究了基于BIM技术的隧道数字化监测，在明确BIM技术优势和隧道数字化发展趋势的基础上，从BIM建模、WEB显示、系统设计、系统构建、数据处理、具体应用等方面出发，分析了基于BIM技术的隧道数字化监测系统建设要点，提高监测数据信息价值，更好地发挥动态预警、高效管理的作用。【关键词】BIM技术；隧道工程；数字化监测；智能化管理中图分类号：U456.3 DOI：10.13655/ki.ibci.2024.03.024Research on Digital Monitoring of Tunnel Based on BIM TechnologyYANG Hai-liang（The 5th Engineering Co.,Ltd.of China Railway 16th Bureau Group）【Abstract】According to relevant investigation and study,accidents such as collapse,roof caving and explosion account for a relatively high proportion in tunnel construction,while adverse geological conditions and human factors are the main reasons.There are problems such as single method,low frequency and poor coordination in the method of manual monitoring,which is of little practical guidance.This paper studies the tunnel digital monitoring based on BIM technology.On the basis of clarifying the advantages of BIM technology and the development trend of tunnel digitalization,it analyzes the key points of the construction of tunnel digital monitoring system based on BIM technology from the aspects of BIM modeling,WEB display,system design,system construction,data processing and specific application,so as to improve the information value of monitoring data and better play the role of dynamic early warning and efficient management.【Keywords】BIM technology;tunnel engineering;digital monitoring;intelligent management1 引言隧道施工需要面对复杂的地下环境，在隧道开挖、支护等关键技术环节，除了要做好方案设计外，还要密切关注施工动态，全面捕捉风险隐患，避免引发重大安全事故。加强工程信息采集处理，针对沉降、变形、压力等方面，实施自动化、数字化监测，有利于提高项目信息和监测数据交流共享水平，智能化评估风险程度，达到超前预警的目的，维护工程建设的顺利进行。2 BIM技术与隧道数字化监测随着隧道工程建设规模的不断扩大，如何加强施工数据监测、提高隧道施工的安全性和稳定性成为关键所在，全面掌握岩体特性、地应力状态、地下水作用、开挖深度、开挖跨度、支护结构等相关工程数据，不断优化施工方案，保证设计与施工的有效衔接，同时，通过监测数据的实时反馈，有效调整开挖、衬砌、支护施工技术方法，提高施工过程的安全性。传统的人工监测方式需要消耗大量的人力、物力资源，而且监测效率低、效果差，存在着许多人为因素产生的错误，采用数字化监测技术，用于变形测量、压力测量、应力测量、施工环境监测，能够自动采集、传输、分析工程数据，掌握隧道围岩的实时状态，科学进行安全性、稳定性评价，尤其是面对围岩等级低、承受较大荷载、地质条件复杂的情况，需要合理选择监测断面，布置监测点，增加监测频率，用于修正设计参数、调整施工措施。利用BIM技术，构建多维参数模型，能够集合项目全寿命周期的数据信息资源，具有模型参数化、动态模拟化、信息集成化等突出优点，能够保证数据信息的无损传递和共享，实现集成管理、协同管理、精细化管理的效果，所以，利用BIM技术开展隧道数字化监测具有较强的必要性和可行性，能够提供更加便捷的监测手段和信息化管理方法，有效采集、利用监测信息，动态监控施工过程，提供科学决策依据1。82 数字化与信息化 3 基于BIM技术的隧道数字化监测系统应用3.1 BIM建模参数化建模是实施隧道数字化监测的基础，从实际需求出发，选择合适的建模软件，可以利用Revit软件作为核心建模软件，使用Civi3D提取隧道道路中心线，利用Dynamo插件创建复杂多面异形曲面，通过优势组合，提高建模质量和效率。在正式建模前，全面掌握设计图纸和建模规范，根据工程特点，划分隧道构件，提取隧道中心线数据及构件轮廓相关参数表，选择合适的族样板，创建单个结构构件后使用Dynamo插件读取道路坐标数据，生成道路中心线，沿着道路中心线，按一定间距布置构件轮廓，一般情况下，间距越小，模型的精细度越高，但是会加重硬件运行负担，所以要合理取舍，利用Dynamo节点包，可以快速布置构件，不必在重复工作上消耗大量的时间和精力。族是Revit软件建模的基本图元，创建族是一个数据信息集成的过程，所有三维模型都要基于族的创建，族的类型有系统族、内建族、载入族，其中，系统族是软件自带的族库，可以直接调用，内建族是在项目中自主创建的，载入族则是根据实际建模需求从外部导入的族样板。在使用族创建构建模型时，需要完善各类数据信息，涵盖几何信息及非几何信息，能够满足建模精细度要求，最后结合其他软件插件的应用，完成参数化族构件的整合。3.2 WEB显示利用BIM技术，能够集成建筑信息，但仅仅依靠 BIM模型开展数字化监测存在一定的困难，只有具备相关软件知识的人才能访问、编辑，不利于信息交流共享和管理效率提升，而且BIM模型中对项目概况、施工方案、施工监测等方面信息无法准确描述，如果将 BIM中的数据连接到Web平台数据库，而BIM对象拥有各自连接网页，那么该系统平台就会成为一个开放式的、便于访问的信息集散地，有效提升了BIM信息的利用效果。随着WebGL技术的推广应用，能够很好地解决三维图形加载和浏览的问题，为浏览器端3D模型的显示奠定了良好基础，在使用Revit软件建模时，可以采用IFC23标准建立项目的参数化三维模型，设计IFC-JSON数据接口，实现在浏览器端显示查看BIM模型的目的2。3.3 系统设计基于BIM技术，结合WEB显示，创建隧道数字化监测系统，可以实现数据的自动化、信息化、网络化管理，能够发挥可靠性、扩充性、通用性等优势，可以接入多种传感器，根据地质条件、施工活动、设计要求、受力情况等综合因素，优化调整监测方案。在远距离数据信号传输过程中，依然保持良好的抗干扰能力，保证数据传输的可靠性和稳定性。同时，数字化监测系统还要在无人的情况下自动分析、管理监测数据信息，以可视化的方式表达数据变化情况，作出安全预警判断，辅助人工决策。系统操作界面应该简洁友好、方便控制，支持回放、查询、输出等多种功能，并为后续开发扩展提供条件。隧道数字化监测系统应该涵盖BIM信息模型、工程信息管理、监测仪器管理、数据采集管理、数据时程曲线、数据报表输出、超限预警提示等诸多模块，满足动态监测管理的功能。BIM信息模型模块涵盖了隧道全局模型以及不同围岩等级下对应的不同模型信息。工程信息管理模块包括了项目环境信息、地质信息、人员信息、施工方案等内容。监测仪器管理模块集合了监测点位布置、传感器、操作方法等信息。数据采集模块可以设置采集模式，调整采集时间间隔，支持数据录入、搜索、修改、查询等工作。数据时程曲线模块主要是将监测数据可视化呈现，通过构建过程曲线，让管理人员掌握监测数据变化情况，数据报表输出模块可以根据管理需求输出、打印各种监测分析图表，在超限预警模块，设置了不同传感器超限值，一旦出现数据超限的情况，则会自动触发报警，将信息传递给相关管理人员。3.4 系统构建基于BIM技术的隧道数字化监测系统建设，采用了B/S三层架构，包括数据访问层、业务层、WEB层，并利用PHP网络编程技术开发Web应用程序，依靠MySQL数据库系统开发技术，实现数据的采集、存储和分析功能，将Web应用程序数据统一存储在服务器端，用户通过客户端向服务器发出请求，实施管理作业。该系统将所有工程信息、监测数据以及相关分析结果都放在服务器上，通过局域网络实现客户机与服务器的通信，利用应用程序显示、处理各种数据信息，系统三层结构之间不能跨层访问，Web层支持浏览器端用户操作，业务层主要负责数据规83 数字化与信息化 则和业务实施，连接数据访问层和Web层，能够实现所有应用处理和业务规则的控制，数据访问层能够定义数据访问标准，负责数据库访问管理，实施数据表各种数据的修改、删除、添加、查询等操作，业务层和Web层之间通过HTTP协议传输数据，而数据访问层则采取DCOM协议传输数据，业务层只负责业务逻辑，它的功能实现需要依赖数据层若干数据库操作，用户通过Web层将数据传输给业务层，处理完毕后返回到Web层显示，这样便实现了一个完整的数据访问过程3。3.5 数据处理隧道数字化监测系统中的数据采集方案需要综合考虑地质条件、结构类型、周边环境等综合因素，科学选择传感器类型，合理设置监测点位，监测数据的传输主要有光纤传输、无线传输两种方式，光纤传输具有较高的可靠性，而且技术相对成熟，具有传输距离远、适用性强、稳定可靠等优点，但受制于现场条件的限制，无线传输的应用范围也越来越广，体现出便于安装、性价比高、灵活性强等优势，在大长隧道监测时，需要增加中继器，保证数据传输的安全性和稳定性。无论采用无线传输还是有线传输方式，在进行隧道数字化监测时，采集到的数据都需要由采集箱接收，设定不同传感器监测通道，使每种数据都能利用独立通道实现数据上传，另外，内置单片机和模数转换芯片能够直接将数字信号全部输出，不需要设置通道，不必做任何处理，就可以接入自动化数据采集系统。监测数据传输到网络服务器后，利用MySQL数据库平台进行管理，按设定程序筛查数据，最终将监测数据共享到浏览器端Web平台，在客户端显示的监测数据可能会因为仪器使用、安装操作、环境影响导致错误或误差，可以利用神经网络、灰色模型、回归分析、时间序列等方式进行处理，采用拉依达准则，识别初始数据异常情况，判断数据的可靠性，经过现场确认、重复计算等方式，最终判断数据是否存在错误，并采取相应的处理措施。3.6 应用要点隧道工程为带状结构，在不同围岩等级下，轮廓并不相同，通过Web端点击隧道模型任意一段，都可以显示详细的三维模型，呈现相应信息，除了预览模型外，通过点击数据监测图标，还可以查看每种监测仪器数据信息，生成折线图，直观掌握监测数据走向。监测仪器的布置应该根据不同施工阶段施工内容确定，针对地表沉降、拱顶沉降、钢架内力、围岩压力等方面展开监测，可以在拱腰和拱顶位置安装钢筋计，监测钢拱架力学变化，在钢架和围岩之间埋入压力盒，用于围岩压力的监测。自动采集到的监测数据按照通道号数据上传顺序依次显示，可以通过输入传感器类别、安装桩号、测点编号等方式查询所需监测数据，初步查看相邻监测数据的变化，点击生成时程曲线，可以将监测数据绘制成过程线，查看不同监测项目的变化速率，随着数据的不断更新，时程曲线也会发生动态变化。合理设置预警值，对于隧道数字化监测至关重要，预警值设置太低，会影响施工进程，预警值设置太高，无法实现安全监测的目的。预警值的控制标准应该根据累计变化值和单位变化率进行综合判定，并明确相应管理等级应该采取的具体措施，如果超出预警限值，则会在浏览器端询问数据的准确性，提示管理人员进行现场确认，如果情况属实，则必须按照相应的管理预案执行，调整施工状态，正确处理预警信息4。4 结语综上所述，隧道工程建设过程中会产生大量的数据信息，如何利用这些数据信息进行高效、精细化管理成为关键所在，直接关系到隧道施工的安全性、可靠性、稳定性。利用BIM技术进行隧道数字化监测，实现在浏览器端三维显示工程信息，加强工程建设全寿命周期信息集成，同时，做好施工监测数据的实时更新和可视化展示，让管理人员能够全面掌握监测数据变化趋势，以此为依据开展科学管理。参考文献1 李军，张远，潘红伟，等.基于BIM技术的隧道数字化监测研究J.交通世界，2023（13）：7-11.2 张英杰.基于BIM模型的地铁隧道施工纵向变形监测方法J.建筑技术，2023，54（3）：376-380.3 肖载兴.基于BIM的隧道信息化施工管理系统研究J.智能建筑与智慧城市，2022（8）：165-168.4 陈敏捷，王创，楚兴华，等.BIM技术在隧道施工仿真及信息化监测中的应用研究J.市政技术，2022，40（8）：177-182.84