BIM+GIS技術(shù)在山嶺隧道施工策劃階段的應(yīng)用研究*

常浩宇

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

1 數(shù)據(jù)精度分析

測(cè)繪行業(yè)的CH/T9016—2012《三維地理信息模型生產(chǎn)規(guī)范》中，已明確提出根據(jù)地形表現(xiàn)重要程度需求將地形模型劃分為4個(gè)等級(jí)，同時(shí)規(guī)定了不同環(huán)境地帶的精度要求。根據(jù)工程施工需求及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，使之更符合山嶺地區(qū)隧道項(xiàng)目策劃階段的實(shí)際情況，可總結(jié)歸納為2個(gè)等級(jí)，即一類精度和二類精度。

施工策劃階段的GIS數(shù)據(jù)主要是指具有空間地理位置的數(shù)據(jù)如正射影像(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)、傾斜攝影實(shí)景三維模型(Mesh)、控制點(diǎn)(GCP)等。山區(qū)條件下一類精度數(shù)據(jù)一般是指影像地面分辨率0.1m(含)～1m(含)且高程精度0.1m(含)～10m(含)，二類精度數(shù)據(jù)是指影像或地面分辨率優(yōu)于0.1m且高程精度優(yōu)于0.1m，具體如表1所示。

表1 GIS數(shù)據(jù)精度分類

2 技術(shù)路線及應(yīng)用

2.1 應(yīng)用場(chǎng)景

1)一類精度數(shù)據(jù)主要用于概念設(shè)計(jì)、工程選線、項(xiàng)目選址、方案及效果、地理環(huán)境調(diào)查、項(xiàng)目區(qū)位優(yōu)化、綠色施工策劃、初步場(chǎng)地布置等方面。

2)二類精度數(shù)據(jù)應(yīng)用于工程施工圖設(shè)計(jì)、精細(xì)化場(chǎng)地布置、管線定位、方案模擬、工程量統(tǒng)計(jì)等方面。

根據(jù)不同類型精度的GIS數(shù)據(jù)，可在項(xiàng)目策劃階段進(jìn)行不同深度的應(yīng)用，從而解決施工中的實(shí)際問題。

2.2 BIM+一類精度GIS數(shù)據(jù)的應(yīng)用

2.2.1技術(shù)路線

一類精度的GIS數(shù)據(jù)可采用高分辨率航空影像制作的DOM和高精度DEM數(shù)據(jù)；且符合項(xiàng)目所在地區(qū)的地形實(shí)際情況，可作為施工場(chǎng)區(qū)地形的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，具有可靠性、便捷性，同時(shí)也節(jié)省了大量的人工測(cè)量工作，并且對(duì)于測(cè)繪難度較大的區(qū)域具有絕對(duì)的指導(dǎo)意義。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 一類精度GIS數(shù)據(jù)技術(shù)路線

技術(shù)路線可根據(jù)項(xiàng)目應(yīng)用方向大致分為2類：一是側(cè)重綠色施工場(chǎng)地策劃；二是側(cè)重線路或路徑選取。

1)在側(cè)重綠色施工場(chǎng)地策劃的應(yīng)用中，重點(diǎn)在于用地規(guī)劃及環(huán)境保護(hù)方面。將地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM設(shè)計(jì)軟件中，進(jìn)行場(chǎng)地及臨時(shí)道路方案設(shè)計(jì)，通過統(tǒng)計(jì)占地面積及各功能區(qū)優(yōu)化，完成初步土方填挖量分析，同時(shí)導(dǎo)入臨建BIM模型，通過三維空間位置關(guān)系確定方案布局合理性，從而滿足施工策劃階段的項(xiàng)目應(yīng)用需求。

2)在側(cè)重線路或路徑選取的應(yīng)用中，以項(xiàng)目區(qū)位條件、位置信息、運(yùn)距等作為施工策劃主要影響因素，通過GIS數(shù)據(jù)建立地形模型，在BIM軟件中進(jìn)行運(yùn)輸路徑建模，采用可視化模擬軟件完成路徑優(yōu)化、比選。

2.2.2綠色施工場(chǎng)地布置

1)脆弱生態(tài)環(huán)境條件下的場(chǎng)地布置

川藏鐵路康定2號(hào)隧道位于四川省境內(nèi)，項(xiàng)目施工區(qū)域海拔3 700.000m，隧道出口緊鄰318國(guó)道，具有工程地質(zhì)復(fù)雜、地形高差大，高原缺氧、生態(tài)環(huán)保等諸多建設(shè)難題。高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境極其脆弱，施工區(qū)域緊鄰河流、牧場(chǎng)等當(dāng)?shù)刭囈陨娴闹匾G色資源，擾動(dòng)后很難在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。

在此種環(huán)境條件下對(duì)施工建設(shè)提出了很高的技術(shù)和管理要求，項(xiàng)目基于數(shù)字化施工技術(shù)手段，在進(jìn)場(chǎng)前期采用高精度GIS地形數(shù)據(jù)，對(duì)施工洞口及臨建區(qū)域進(jìn)行模型搭建，DOM影像分辨率優(yōu)于1m、高程精度優(yōu)于5m，基于OpenRoads Designer進(jìn)行施工進(jìn)場(chǎng)道路規(guī)劃布置、臨建場(chǎng)地規(guī)劃布局等，洞口施工區(qū)域與318國(guó)道的銜接以減少土地占用、縮短運(yùn)輸距離、遇河架橋?yàn)樵瓌t，場(chǎng)內(nèi)循環(huán)道路隨地形布置，減少土方挖填量；臨建設(shè)施布置在洞口周邊、施工道路兩側(cè)，主要包括施工營(yíng)區(qū)、拌合站、污水處理、材料加工廠等主要設(shè)施，以不占用河道、減小放坡量、減少牧場(chǎng)占用、草皮進(jìn)行移植等為策劃原則，如圖2所示。

圖2 基于BIM+GIS場(chǎng)地布置

根據(jù)GIS地形模型與CAD平面布置進(jìn)行場(chǎng)地規(guī)劃布置，融合臨建設(shè)施模型完成進(jìn)場(chǎng)施工策劃，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)用地面積為110 000m2草皮移植面積為88 000m2。采用工程數(shù)字化解決方案輔助綠色施工，充分利用土地資源、減少對(duì)生態(tài)脆弱的高原地區(qū)環(huán)境影響，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的施工策劃目標(biāo)。

2)植被高覆蓋率條件下場(chǎng)地布置

北京冬奧會(huì)綜合管廊工程位于北京市延慶區(qū)張山營(yíng)鎮(zhèn)，項(xiàng)目毗鄰國(guó)家松山保護(hù)區(qū)，工程建設(shè)內(nèi)容為隧道綜合管廊，在項(xiàng)目前期規(guī)劃施工用地方面，環(huán)保與綠色施工是重要衡量指標(biāo)，隧道洞口及營(yíng)區(qū)周邊樹木眾多，綠化植被覆蓋率達(dá)到85%以上，在場(chǎng)區(qū)規(guī)劃、臨建布置、施工工法等方面均受限較大。

進(jìn)場(chǎng)前基于BIM+GIS三維可視化模型制定初步的綠植遷移方案、場(chǎng)地優(yōu)化布置。通過下載衛(wèi)星圖片并將衛(wèi)星圖片的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)；其次提取SRTM高程信息并在OpenRoads Designer中生成三維地形文件；最終將地形與衛(wèi)星圖片整合，完成3SM地形創(chuàng)建。模型達(dá)到一類地形精度要求，滿足項(xiàng)目前期策劃需求。基于地形模型在OpenRoads Designer軟件中進(jìn)行場(chǎng)地布置設(shè)計(jì)、制定植被遷移方案。

根據(jù)BIM+GIS制定的植被遷移方案，完成施工場(chǎng)地優(yōu)化布置如圖3所示，最終總占地面積65 300m2節(jié)約用地6 000m2對(duì)營(yíng)區(qū)、大型機(jī)械設(shè)備組裝區(qū) 、材料加工區(qū)、施工道路等重點(diǎn)部位進(jìn)行精細(xì)化建模，在滿足施工條件的情況下減少林地占用，免伐區(qū)面積14 600m2后期生態(tài)恢復(fù)面積46 100m2實(shí)現(xiàn)在植被高覆蓋率環(huán)境條件下的數(shù)字化解決方案，達(dá)到了綠色環(huán)保施工要求。

圖3 綠色施工場(chǎng)地布置

2.2.3施工運(yùn)輸路徑方案優(yōu)化

隧道洞口與材料庫(kù)、棄渣場(chǎng)道路運(yùn)輸路徑優(yōu)化方面，可基于一類精度地形數(shù)據(jù)，建立施工場(chǎng)地道路布置模型，運(yùn)輸路徑以能體現(xiàn)運(yùn)輸起點(diǎn)與終點(diǎn)位置關(guān)系為宜，運(yùn)輸以路徑最短、合理用地、挖填平衡為布置依據(jù)，采用BIM模擬軟件對(duì)工程車輛進(jìn)行車速、路徑等參數(shù)設(shè)定，對(duì)不同路徑方案的選取進(jìn)行可視化模擬(見圖4)，計(jì)算運(yùn)輸時(shí)間，根據(jù)最短運(yùn)輸時(shí)間完成方案優(yōu)化。

圖4 運(yùn)輸路徑方案模擬

2.3 BIM+二類精度GIS數(shù)據(jù)的應(yīng)用

2.3.1技術(shù)路線

二類精度GIS數(shù)據(jù)：主要來源于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪(GPS外業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)、全站儀外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等)、傾斜攝影測(cè)繪、無人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)等高精度數(shù)據(jù)，不同的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)手段，在工期、成本、效果等方面也存在著差異。傾斜攝影是測(cè)繪領(lǐng)域近年來快速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，不同于以往正射影像只能從垂直角度拍攝地形，通過在一個(gè)飛行平臺(tái)上搭載多鏡頭相機(jī)，同時(shí)從多個(gè)角度采集影像，得到符合人眼視覺的照片級(jí)三維模型，相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪與無人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)等技術(shù)手段，傾斜攝影不受地形限制，人工成本更低，數(shù)據(jù)量相對(duì)更小，獲取的數(shù)據(jù)更能反映地形實(shí)際情況，因此基于傾斜攝影的實(shí)景模型GIS數(shù)據(jù)具有較高適用性和推廣價(jià)值，具體技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 二類精度GIS數(shù)據(jù)技術(shù)路線

實(shí)景三維模型可采用Smart3D進(jìn)行生產(chǎn)，計(jì)算機(jī)集群處理有助于提高工作效率。模型修飾主要針對(duì)水面空缺、模型漏洞、拉花變形等問題進(jìn)行修補(bǔ)，采用修模軟件對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行編輯后，再次導(dǎo)入Smar3D軟件中進(jìn)行模型修復(fù)，從而使模型更加美觀、合理。

2.3.2土方量計(jì)算

施工道路及場(chǎng)地平整是通過無人機(jī)傾斜攝影完成原始地貌數(shù)據(jù)采集，通過布設(shè)地面相控點(diǎn)的方法，采用RTK采集相控點(diǎn)坐標(biāo)，建立地形高精度實(shí)景模型，地面分辨率優(yōu)于5cm，將實(shí)景模型導(dǎo)入OpenRoads Designer軟件，通過提取坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)建立DEM數(shù)字地面模型，建立道路中心線、斷面模板、縱斷面坡度曲線等要素，進(jìn)而完成臨時(shí)道路BIM建模，土方挖、填量通過縱斷面坡度設(shè)計(jì)值進(jìn)行控制。場(chǎng)地布置可通過高程投影或頂點(diǎn)投影等方式完成挖、填方設(shè)計(jì)，一般挖、填量要保持平衡，邊坡坡度等可通過BIM模型直觀的進(jìn)行合理調(diào)整，如圖6所示。

圖6 局部場(chǎng)地平整BIM建模

根據(jù)BIM模型導(dǎo)出的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)告得出土方挖填量，通過土方工程量的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算人工、機(jī)械設(shè)備配置情況，在充分保證減少土地占用的情況下，優(yōu)化資源配置，節(jié)約項(xiàng)目前期投入成本。

2.3.3大型設(shè)備運(yùn)輸方案模擬

采用無人機(jī)傾斜攝影建立地形高精度實(shí)景模型，將FBX格式的模型導(dǎo)入Fuzer軟件中，通過模擬大型設(shè)備運(yùn)輸路徑，驗(yàn)證施工道路轉(zhuǎn)彎半徑及大型設(shè)備運(yùn)輸空間是否滿足施工需要，通過模擬發(fā)現(xiàn)大型桿件轉(zhuǎn)彎半徑不足等問題，將整裝16m長(zhǎng)構(gòu)件改為分裝12m長(zhǎng)，車輛一次模擬通過(見圖7)，提前解決施工運(yùn)輸問題，避免后續(xù)因大型材料運(yùn)輸不及時(shí)造成的窩工、返工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生。

圖7 基于實(shí)景模型的桿件運(yùn)輸模擬

2.3.4管線布置

隧道項(xiàng)目臨建設(shè)施地下管線包含生活用水、施工現(xiàn)場(chǎng)用水、雨污水管道、沉淀池等，山嶺地區(qū)特別是季節(jié)溫差較大的施工項(xiàng)目，地下管線埋深要在凍土層之下，基于傾斜攝影高精度地形模型進(jìn)行地下管線布置，首先根據(jù)管線圖紙，在地形模型中完成坐標(biāo)定位，建立管線三維模型，埋深可在融合后的模型中，以縱斷面形式進(jìn)行高程及坡度分析調(diào)整。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，實(shí)地測(cè)量坐標(biāo)與模型坐標(biāo)進(jìn)行三維校準(zhǔn)，實(shí)時(shí)調(diào)整指導(dǎo)施工。采用高精度地形融合臨建及地下管線模型的三維查看分析能力，可有效追溯空間位置關(guān)系、埋深、布設(shè)形式等重要施工信息，有利于后期維護(hù)及遷改。

3 結(jié)語

通過BIM+GIS技術(shù)輔助山嶺地區(qū)隧道項(xiàng)目綠色施工、場(chǎng)地規(guī)劃布置等方面的應(yīng)用，在項(xiàng)目施工策劃階段，采用不同精度的GIS數(shù)據(jù)與BIM模型相結(jié)合的方式，模擬施工策劃相關(guān)內(nèi)容，可有效解決施工組織三維可視化問題，及時(shí)進(jìn)行糾偏與動(dòng)態(tài)檢查，從而提高施工策劃合理性，節(jié)約工期與資源。尤其綠色施工已成為項(xiàng)目參與各方關(guān)注的重點(diǎn)，施工過程的生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施、監(jiān)測(cè)、臨時(shí)用地復(fù)墾等，采用BIM+GIS技術(shù)進(jìn)行方案策劃，減少自然資源的消耗，同時(shí)結(jié)合可視化方案模擬將施工過程進(jìn)行優(yōu)化，使項(xiàng)目精細(xì)化管理得到落地應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)過程可控制、信息可追溯，從而為工程領(lǐng)域邁向數(shù)字化奠定基礎(chǔ)。