建养一体化调研

隧道结构“建养一体化”智慧平台系统结

构研究

1 研究背景和目的

我国隧道及地下工程事业自20世纪80年代以来，特别是进入21世纪以来得到了快速发展。据有关部门统计，我国大陆2013年底运营的铁路隧道有11074座，总长8938.78km；2014年在建的铁路隧道有4206座，长度7795.15km；已规划4600余座铁路隧道。截至2013年底，我国大陆有隧道11359座，总长9605.6km，与2012年相比净增1337座，长度增加1552.9km。进入21世纪以来我国隧道隧道增长迅速，2001-2013年，隧道的增长率为29.0%，而其隧道总里程与座数的增长率分别为46.7%和35.0%，远高于隧道本身的增长率，另外地铁隧道工程、市政隧道与地下工程也在迅速发展中，我国隧道发展到今天，已经越来越向“多、长、大、深”即数量多、长度长、大断面、大埋深的趋势发展。

隧道工程的建设期投资大，动辄上百亿的投资；运营期影响围大，某一段隧道的停运都可能给数十万人的出行造成影响，因此必须高度重视隧道的建设和运营期间的养护，对出现的病害进行科学治理，有效控制病害的发展，保证隧道结构在全寿命周期处于正常状态。目前的隧道工程在其建设期的施工管理与运营期的结构养护之间存在一定的脱节，例如隧道在施工期间的设计变更、施工参数、地层沉降、质量缺陷、应急处理、结构修复和加锚措施等的变化会在未来不同程度地影响着其运营期的养护，且建设与养护期间的重要信息无法集中管理和有效利用。另外，由于隧道的施工和建设是在地下土体介质中进行的，肉眼无法直接观察隧道围岩的情况，对结构病害状态、病害产生的原因等认识存在盲区，这样不仅给施工期的安全控制和环境保护带来一定的困难，更重要的是在工程竣工后，

一旦这些重要信息遗失，隧道结构出现病害时就很难准确分析病害产生的根本原因，从而无法采取针对性较强的处理措施和工艺参数，致使隧道在运营期间的维护工作处于一定的盲目和浪费状态，这给隧道的运营和管理造成极大的困难。究其原因，主要是由于（1）建养分离，“重建轻养”思想严重；（2）养护管理体制不完善、运行机制落后；（3）养护定额与规缺乏；（4）养护机械配套率不足，养护科技含量低；（5）养护管理人员总体素质偏低。因此，必须统一考虑隧道工程在其建设和运营期间的各种资料，运用现代信息化和数字化的技术进行一体化的管理，对其工作状态作出科学准确地评估，从而制定一系列针对性强的养护措施和方案。

2.国外研究现状 2.1产品数据管理

PDM（Product Data Management）起源于信息化、数字化的先进领域—制造业，主要完成产品的数据组织和管理。PDM是一种能够帮助工程师和其他人员管理产品数据和产品研发过程的工具。PDM系统确保跟踪设计、制造所需的大量数据和信息，并由此支持和维护产品。是以软件技术为基础，以产品为核心，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化的集成管理，以静态的产品结构和动态的产品设计流程为信息管理的两条主线，将所有的信息组织和资源管理都围绕产品的设计展开，这也是PDM系统有别于其他的信息管理系统的关键所在的。

PDM系统可协调组织整个产品生命周期诸如设计审查、批准、变更、工作流优化以及产品发布等过程事件。在逻辑上将各个信息化孤岛集成起来，利用计算机系统控制整个产品的开发设计过程，通过逐步建立虚拟的产品模型，最终形成完整的产品描述、生产过程描述以及生产过程控制数据。通过建立虚拟的产品模型，PDM系统可以有效、实时、完整的控制从产品规划到产品报废的整个产品生命周期中的各种复杂的数字化信息。

产品数据管理PDM系统功能在不同的文献中有很多方面，但综合来看，它在用户化功能方面被一致认为有以下几种：（1）电子仓库和文档管理；（2）产品结构与配置管理；（3）工作流与过程管理；（4）零件管理；（5）项目管理。

PDM提供了一种组织、管理和利用产品数据的模式、机制与能力，但它必须着眼于企业当前的实际应用。如果不结合企业的事情，脱离企业的实际，PDM将变得一文不值。因此，PDM并不是即插即用的工具，要使PDM系统真正在企业发挥作用，就必须经过一个与企业的具体情况、应用背景和企业文化密切关联的开发实施过程，使PDM的管理能力与企业的具体情况融合起来，成为企业自己的PDM系统。所有这些导致了企业对PDM解决方案需求的个性化、差异化和多样性。目前，解决这些差异的最好办法是“量身定做”，即软件开发的系统分析员进行系统设计时，深入企业进行调研，与用户及该领域专家充分交流，力求尽可能多的理解用户需求和该领域中的关键性的背景知识，用某种方式将这种理解表达成软件需求规格说明主要由对象模型等组成。这个过程较为复杂，通常不能一次就达到理想的效果，因此需要系统分析员与用户及该领域专家反复探讨并多次修正，然后逐渐扩充模型并确定系统的实现方案，最后编码实现。因此，PDM最关键得问题就是需要一个较长时间的开发过程，并且由于其“量身定做”的特点，开发费用较高。PDM来源于制造业，其全生命周期各阶段分类与隧道工程不一致，如隧道工程往往不考虑市场与销售等数据。同时，隧道工程中需要使用到的空间分析等功能未在PDM系统中集成。

2.2工程项目管理

国外的常见工程项目管理软件主要有Microsoft Project, Primavera Project、Planner (P3)和Autodesk Buzzsaw等，其主要目标是针对工程资源、计划、进度、合同等进行信息化管理。纵观国外的工程项目管理软件，不涉及具体的技术容，更谈不上对隧道建设的相关特点予以考虑；此外，如何从大量的图纸、数据与文档中及时、准确地分析出对工程决策有价值的信息，一直是目前隧道工程建设中函需解决的问题。

2.3建筑信息模型

建筑信息模型(Building Information Modeling BIM)这个词是2002年由Autodesk公司提出来的，是对建筑设计的创新。国际标准组织设施信息委员会(Facilities Information Council)给出的建筑信息模型的定义为：在开放的工业标准下对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命周期信息的可计算或可运算的形式表现，从而为决策提供支持，以便更好地实现项目的价值。

建筑信息模型的目的是推行建设工程设计，施工和管理工作中的工程信息的模型化和数字化，以避免信息流失和减少交流障碍，它的特点是为设计和施工中建设项目建立和使用互相协调的、部一致的及可运算的信息。建筑信息模型将会成为未来建筑设计信息化发展的核心。

建筑信息模型几乎不用CAD为基础的技术，它的核心技术是参数建模，建筑信息模型所有的容都是参数化和相关联的。基于参数建模技术的软件叫建筑信息模型软件，目前的建筑信息模型软件主要有Autodesk公司的建筑设计软件Revit、土木工程设计软件Civi13D，GraphiSoft公司的ArchiCAD，Bentley公司的Architecture等，它们将设计模型和行为模型结合起来动态地捕获、表达和协调建筑信息。虽然他们在具体数据处理技术细节方面有不同之处，但这些模型软件都在工业基础分类标准的基础上开发的，他们都遵循相同的标准，所以他们的模型构成大致是相同的。建筑信息模型的核心技术是参数建模，建筑信息模型所有的容都是参数化和相关联的。在项目实施的过程中，自始至终应该有一个惟一的建筑信息模型，包含完整的建筑物和工程数据。

由于地质环境的隐蔽性与复杂多变性、盾构隧道工程的难度就必然有别于地面工程，盾构隧道工程的数据必然更加复杂，更加难以抽象并通过一定的参数化模型表达，如水文地质等数据;有的数据以参数建模的形式表达反而效果不佳，如施工监测等数据，需要用图表等形式来表达。同时工程信息管理的核心应该是数据而不是模型。模型是数据管理的中间产品，模型的建立是为工程数据管理和分析服务的。

2.4 GIS应用

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)，是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。目前世界上常用的GIS软件已达400多种。它们大小不一，风格各异，国外较著名的有ARC/INFO，GENAMAP，MGE等；国较著名的有MAP/GIS，SuperMap，GeoStar和CityStar等。

地理信息系统对空间数据具有强大的管理分析能力，Bak P等(1989)，Christopher B等(1989)，Daniel F H等(1999)，LeeDT等(1980)，ShinjiMasumoto等(2002 )，Tatsuya Nemoto等(2002)先后对Delaunay算法，3维GIS建模等方面进行了大量的研究。

结合GIS对地下工程问题进行研究成为了近年来的研究热点。C.Yoo等（2006）基于地理信息系统软件ArcGIS开发了一个隧道风险管理系统(IT based tunneling risk management system，IT TURISK)，用于隧道施工过程对周围环境的影响进行风险评估，并予以指导设计。G Zhou等（2003）用基于GIS的方法对边坡稳定性进行了分析。徐晓核等（2007）基于地理信息系统软件ArcView开发了基于GIS的隧道隧道监控管理信息系统，用于科学的指导科学施工，确定支护时间、支护方式和支护参数的作用。黄章树（2002）、周健（2004）对GPS/GIS/GSM等新技术在隧道隧道运营管理中运用也做了研究，论证了基于GPS/GIS/GSM的隧道隧道运营管理模式的可行性和科学性。

因此对上述研究成果分析可知，上述研究都是针对工程全生命周期的一部分运用GIS技术的。由于GIS本身不是面向工程的信息系统，其对工程数据的组织有先天性的不足，无法实现对工程数据全生命周期的管理。但是在对工程数据的管理过程中，GIS强大的空间分析能力可以成为工程数字化的强力武器。