基于激光點云技術的隧道監控量測BIM應用研究

李夢城 牛茂欽 周鵬

【摘要】：本文鄭萬某高鐵隧道以為工程背景，針對隧道監測信息的傳遞與可視化問題，以激光點云技術作為模型數據獲取通道，強化BIM技術建模應用與數據管理集成功能，從工程實踐中達到隧道圍巖信息、襯砌開裂與滲水的立體展示效果，直觀輔助精細化施工，規避大修施工風險。

【關鍵詞】：BIM 點云技術 監控量測 可視化展示 數據管理集成

一、引言

激光點云技術最初在機械、制造行業運用較多，后來以一種高新測量技術身份出現。它以非接觸性、主動性、高精度與高數據密度的方式快速獲取各式各樣物體表面的空間三維信息。該技術可與可視化、數據監測、虛實結合等技術結合【1】。

隧道工程中地質復雜和信息的傳遞缺乏帶來了施工中很難預測的風險，對施工過程中大量監測數據的管理與可視化運用，加快信息的實時共享，是信息化監測發展的趨勢。

傳統設計局限于二維的圖紙，在實際工程中帶來了大量的紙質資料，二維資料很難直觀反映施工問題的難易程度，資料的查看與管理也給施工單位、業主帶來麻煩，BIM技術與點云的結合就是為了解決這種信息桎梏與二維局限性問題而順勢產生。把點云技術作為模型獲取數據渠道的基礎上，結合BIM技術對隧道監控量測的數據進行集成與可視化，提高監測數據的管理效率，也可為運營階段的病害整治提供解決手段。

二、工程概況

隧道位于重慶市奉節縣朱衣鎮內，全長884m均為富水軟弱Ⅴ級圍巖，順層及順層偏壓、巖溶、巖堆等不良地質，巴東組一段泥灰巖夾泥巖為巖層性狀，弱～中等為巖溶發育程度。在施工過程中雖然采用了三臺階臨時仰拱法及多次地質預報及加固支護措施，但是仍發生多次拱頂下沉預警及地表沉陷，施工進度也極度緩慢，為提供隧道實時圍巖變形情況及監測信息的可視化顯示，在隧道監控量測中聯合運用BIM與點云技術加快隧道監控量測信息化發展。

三、基于點云技術的隧道監測BIM模型建立

采用天寶TX5三維激光掃描儀對隧道進行站點布設、靶標布設、掃描之后，對獲取點云數據處理后，通過設計施工資料、監測數據信息創建的點云隧道監測BIM模型【2】。建立的該模型可以精確的將可視化的監測信息與修正后的實際隧道模型融入，對現場的施工指導、資料管理、可視化展示帶來了便利。

（一）基于點云隧道BIM模型建立

根據設計圖紙、施工資料，并選用采用CATIA軟件，建立的 BIM模型精度LOD為350，創建隧道模型根據里程+左右幅+襯砌類型+構件拆分類型的方式命名構件名稱。三維模型包括洞門、明洞、暗洞、排水部分。根據設計圖紙各種斷面類型，創建各種隧道模型部件，達到快速建模的目的。利用CATIA軟件快速模板化創建模型段落。隧道模型要滿足施工圖精度與施工工序要求，隧道模型采用骨架文件進行驅動，其中骨架文件包含路線信息、草圖及參數。

采集隧道區域10km×4km的測繪數據，創建正射影像與數字高程模型。利用Skyline軟件結合金字塔技術集成正射影像與數字高程模型，得到三維地表精細模型【3】。地質建模過程主要是根據地質測繪資料結合已有的縱橫斷面建立地層面，地層面再通過布爾運算剖切體得到地質體。創建三臺階臨時仰拱法施工模型，賦予施工模擬時間參數，三維隧道模型經過CATIA軟轉化為施工模型。設計模型與實際模型的誤差經點云數據對比找到后整合得到更真實高精度隧道模型。

（二）基于點云隧道監測BIM模型建立

1.必測項目內容信息導入BIM模型。把拱頂下沉點、周邊收斂點、地表沉降點的族模型導入建立好的點云隧道監測模型中，對族文件添加附加信息，包括初測日期、觀測時間、掌子面開挖進度與測點布設情況、基于設計基準點的三維坐標、有無預警信息、在紙質監測資料中體現的變形信息、及對設計與施工的反饋信息。

2.選測項目內容信息導入BIM模型。把圍巖壓力、混凝土內力、及滲水壓力及其它構件內力的相關信息模型通過三維坐標導入監測模型中，附上缺項整治專項信息，進行問題的跟蹤導向。

3.地質素描及數碼成像、裂縫信息導入BIM模型。根據點云技術掃描到的裂縫等相關族模型定位信息，再附上標簽，主要信息有：掌子面尺寸、涌水狀態、節理信息、巖石風化程度、巖體完整程度等信息，通過對開挖面掌子面的數碼成像照片匹配到模型中，達到病害整治對隧道其它部位影響的可視化目的。

四、結束語

本文的研究可為激光點云—BIM技術聯合體在隧道監控量測中應用，提供一個很好的參考和研究基礎，實現信息的高效流轉與利用，強化了BIM技術的作用，最大化模型的價值，更好地為解決了施工階段數據的管理與可視化問題。促進智能化、科技化的隧道監控量測向前邁進。使測量過程愈加清晰可見，連接工程信息化中虛擬與現實的紐帶【4】。

【參考文獻】：

【1】滕飛.基于點云數據的結構BIM模型研究[D].哈爾濱工程大學，2016.

【2】劉思佳，馬杭州，李文韜，王文，馬強強.基于BIM技術的隧道施工監控量測模型研究[J].公路交通技術，2018，34（S1）：58-61.

【3】郭世敏，朱大明，王凱.無人機航測項目實施中像控點布設方法探討[J].價值工程，2016，35（21）：136-139.

【4】祁春輝.淺談三維激光掃描技術與BIM技術在工程測量中的應用[J].中小企業管理與科技（中旬刊），2017（12）：176-177.

基金項目：本論文獲重慶交通大學研究生教育創新基金項目資助- -《基于激光點云技術的隧道監控量測BIM應用研究》 ? 項目編號：CYS18213

作者簡介：李夢城（1993—），男，漢族，四川省開江縣人，在讀碩士，單位：重慶交通大學土木工程學院，研究方向：隧道建設的BIM技術應用。