用数字“说话”— 隧道全生命周期数字化建造应用研究

传统的隧道设计成果以图纸和文档为主，未考虑后续的信息化建设，很难与当下的智能工业化建设需求衔接。隧道数字化设计成果主要以数据及信息模型为主，其核心在于保证数字化的隧道设计成果与实际隧道相对应，通过对隧道的几何信息、地质情况、结构材料等进行数据分类集成和转换，实现隧道设计、分析和评估的全过程数字化表达。

数字化智能建造是将信息技术、智能化技术和数字化技术与山岭隧道工程实际紧密结合，实现设计、施工、运营等各个阶段的高效协同和优化。设计阶段主要包括数字化设计、设计协同和数字化交付；施工阶段包括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；运营阶段包括结构健康监测及设备信息化运营。此技术的应用仍面临诸多挑战:如何确保设计与施工等各个环节的信息协同和无缝衔接；如何将数字化智能技术与复杂的施工现场相结合，保障技术的实用性和适应性。

目前，同时满足传统设计交付要求，并实现隧道设计成果数字化的软件较少，隧道建设期的数字化程度较低。本文提出数据驱动成果的方式实现设计数字化及施工一体化建设：设计人员开展设计实质是对设计数据的设计，设计完成后，平台生成能完整表达设计意图的结构化数据，再以此为数据底座，输出对应的设计成果，并与建设运营期的隧道数字化系统建立协同建造机制。

隧道全生命周期建设技术路线

隧道数字化智能建造以信息化为核心，借助先进的计算机技术、传感器技术、人工智能等手段，实现隧道工程从设计、施工到运营的全过程数字化管理。隧道数字化智能建造作为工程领域的前沿，正在为隧道工程的全生命周期管理带来深刻的变革，主要包括以下几方面的特点：

综合性。 它涵盖了隧道工程全生命周期的各个阶段，包括设计、施工、监测、运营等，将这些环节的信息有机地集成到一个统一的数字化平台中，实现全方位、全过程的综合性管理。这种综合性管理模式打破了传统的信息孤岛，实现了各个阶段之间的无缝衔接和信息共享。

可视化。 隧道数字化智能建造通过数字化建模技术,将实际隧道工程转化为精确数字模型，从而使得隧道的几何形状、结构布局、材料特性等能够在虚拟环境中得以展示，为设计人员、施工人员和管理者提供了直观的信息展示和分析工具，不仅提高了信息传递的效率，还有助于发现问题和优化方案。

协同性。 在传统的隧道工程中，设计、施工和管理各自为政，信息流通不畅，容易出现沟通不足和协同不力的问题。隧道数字化智能建造通过引入数字化平台，实现多方之间的信息共享和实时交流，促进各参与方之间的紧密合作和高效协同，有助于加速工程进度，提高工程质量，降低工程风险。

智能化。 隧道数字化智能建造借助智能算法、数据分析和人工智能等技术，实现对隧道工程的智能化辅助和优化，通过对大量数据的分析和挖掘，可以实现对隧道设计、施工和运营过程的智能监控和决策支持，使得隧道工程能够更加精细化地进行管理和控制，提高工程效率和安全性。

设计平台不仅要求输出传统的设计成果，并生成与设计成果对应的结构化设计数据和信息模型，同时保证平台的核心算法自主可控。

为了实现上述目标，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。在设计环节,平台通过交互的设计逻辑操作设计对象(自主构建设计对象，包括点、线、面等)，并通过纯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、WPS、AutoCAD及EXCEL等)，将计算得到的设计数据转换为对应的设计成果。

数字化设计平台架构

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，图2所示为基于正向设计数据的隧道BIM自动创建软件。

隧道BIM自动建模软件

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，这种方式就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、EBS、BIM模型等，实现成果应用的跨平台，极大提升了信息化建设效率。

按照数字化建设的要求，对数字化交付的内容、EBS自动划分方法和EBS划分标准进行了深入研究。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，并创建了建设管理EBS及相关数据的接口，实现数字化成果的管理和交付，提出了EBS数据结构为基础的隧道BIM模型呈现机制，建立了融合工程量、二维图纸、三维模型及设计信息等多维数据于一体的数字化仿真模型，为隧道全生命期数字化应用奠定了基础。

针对正向设计数据特点，提出了EBS自动创建的技术方案：首先基于设计数据获取EBS半结构；再基于此半结构及设计数据获取EBS节点属性；然后基于EBS节点属性及设计数据获取EBS节点工程量；最后基于EBS半结构、EBS节点属性及EBS节点工程量，融合得到EBS全结构，交付系统如图3所示。

隧道数字化交付系统

基于BIM+GIS技术研发了智慧隧道信息系统，同时基于微信平台，研发了建造数据收集器，实现不同移动终端施工人员便携式上报现场施工数据，包括开挖进度、支护进度、施工材料及工程量消耗进度。

通过对收集的施工数据，按照施工管理需求进行分类处理，针对不同类别数据采用不同的可视化呈现方式，实现了隧道施工的精细化管理。监控的施工参数包括不同导坑开挖进度、不同结构支护进度、工程用量随时间增量曲线、掌子面形象化展示等，为工程施工建设进度和工程投资控制提供了可靠保障。

隧道施工精细化管控

利用微位移及光纤监测设备，自动获取隧道结构监测数据，包括隧道周边位移、初支应变及二衬应变。通过这些监测数据，可以得到隧道累计变形、变形速率、变形趋势及结构内力，实现监测数据与智慧隧道信息系统的协同更新。

同时基于隧道施工规范及项目特征，建立了多重安全预警机制。预警机制同时考虑了累计变形、变形速率、变形趋势、初支内力及二衬内力等多重设计要素的控制，从而避免单一要素失效导致的施工风险。在此机制下，预警总共包括4个预警等级，分别为红、橙、黄、蓝，不同预警等级分别对应不同的预警机制和处理流程。以红色预警为例，其为最高级别的预警等级，需同时向业主、监理、施工及设计等参建各方以短信和邮件的方式推送预警消息及对应的预警处理流程，并在现场广播播报预警信息，最大范围保障施工现场的安全。基于此机制对监测数据进行处理，实现了监测数据的量化分析，为隧道施工安全提供了坚实的保障，同时为后期安全运营提供了新的解决方案。

隧道施工现场安全管控

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,为隧道设计施工协同优化奠定了基础,打通了隧道全生命周期数字化应用关键环节。

本文围绕隧道工程的数字化智能建造，深入研究了基于数据驱动技术的数字化设计、数字化交付系统构建，以及“设计-施工”一体化管控应用等关键内容。通过对隧道数字化智能建造的多个方面进行探讨和实践，取得了一系列研究成果，为隧道工程的全生命周期数字化建设提供了切实可行的解决方案。

随着信息技术的不断发展,隧道工程数字化智能建造将迎来更广阔的前景。首先,在数字化设计方面,可进一步探索人工智能、机器学习等技术的应用，实现高效的‘自动化、智能化的设计过程。其次，在数字化交付系统的构建中，可以引入区块链技术等手段，实现设计数据的安全存储和可追溯性，增强数据管理的可靠性。此外，在“设计-施工”一体化管控应用方面，可以进一步深化数字化施工数据的分析和应用，实现更精准的施工管理和安全控制。