BIM＋GPS 在復雜地形控制測量中的應用

羅斌

（中交一航局第四工程有限公司，江西南昌 330100）

0 引言

基于BIM＋GPS 在復雜地形控制測量中的應用在發揮了BIM 技術信息化、模型化、可視化等優勢的同時，結合測量儀器與測量方法，極大的方便了測量工作，提高了測量效率，節省了測量勞動力。

1 應用思路

1.1 基于BIM＋GPS 施工現場測量與模型創建

BIM 技術在施工測量中的應用中，很重要的一步是搭建擁有工程實體信息的施工現場原始BIM 模型，而搭建施工現場原始BIM 模型，則需要根據GPSˉRTK實測原始三維數據，然后在Civil 3D 軟件中建立坐標高程準確、外觀形狀尺寸準確的原始地形曲面模型，然后在“谷歌地球”軟件中下載Tiff 格式的高清衛片，最后將原始地形曲面與高清衛片在Civil 3D 軟件中用Raster Tool 插件相關聯，一比一模擬出原始施工現場實際的山川河流，就可以在這準確的原始三維模型上進行高程分析，以便快速計算土石方填挖量。流域分析和坡度分析，以便得到施工現場的地勢地形信息，進而進行施工現場排水、施工便道規劃等一系列工作。做到足不出戶即可準確掌握現場信息，做到了無紙化施工，極大的方便了項目前期的各項策劃與準備工作[1]。與傳統的前期策劃與準備工作只能依靠CAD 圖紙與現場踏勘相比，基于BIM＋GPS 施工現場測量提前創建模型的技術不僅可以形象立體、準確可靠的表達施工現場實際情況，而且利用模型信息提前掌握了準確有效的現場各項數據，為項目有效開展提供了可視化基礎數據。

以“曲形異面”項目實體為例，傳統的表現形式只能依靠二維CAD 圖紙，通過三視圖方式來表達，比較考驗技術人員的空間想象能力，不能準確計算“曲形異面”項目實體的體積等各種信息，并且由于“曲形異面”項目實體的形狀不規則，給測量放樣與分層施工帶來了極大的困難。而基于BIM＋GPS 創建出了項目實體模型后，就可以在模型的基礎上在“曲形異面”項目實體的任意位置提取點位坐標以及規則分層點位坐標，進而在施工過程中動態的提取需要的項目實體點位信息，快速應用于現場實際施工。充分體現了以模型代替傳統二維圖紙指導現場施工的數據化，信息化，精準化，先進性[2]。原始地形曲面模型如圖1 所示。

圖1 原始地形曲面模型

除此之外，運用Civil 3D 與Revit 結合施工圖紙與測量數據建立準確的與項目實體一致的施工BIM 模型的技術也已經在很多施工領域大力運用，無論是在前期的施工策劃，還是在施工過程中的技術測算中，提前建立出施工BIM 模型都發揮出很重要的作用。原始地貌與施工BIM 模型對比如圖2 所示。

圖2 原始地貌與施工BIM 模型對比

1.2 基于BIM 模型進行施工測量場區控制網布設與測量線路規劃

平面控制測量平常按照“從整體到局部，先控制后碎部，從高級到低級”的組織實施原則，一般先在施工現建立場區控制網，再進行建立施工控制網。項目進場后，需要根據業主提供的有限地方控制點進行加密、布網，以滿足施工的要求。以往的加密與布網工作往往局限于圖紙上標定或者現場踏勘，由于既要保證測量控制網網形規劃合理，滿足布網要求，又要保證控制點點位滿足施工需求，且能長期保留，因此工作難度很大[3]。基于BIM 模型進行施工測量場區控制網布設將在很大程度上解決這一問題，這是由于該技術的可視化與現場模擬準確性，測量人員就可以提前在內業中避開不利物質條件，模擬比選出最優測量路線。該技術的工作流程如下。

（1）將業主交樁的控制點三維數據（X，Y，Z），添加在原始地形模型上，運用BIM 可視化技術將交樁的控制點三維數據（X，Y，Z）進行定位，定位完成后，將模型數據交由現場測量人員，指導現場測量人員快速找到控制點位，并加以保護。

（2）根據施工現場各項原始數據，精確模擬施工現場環境，在BIM 模型的基礎上，選擇通視良好，地質條件良好，能覆蓋現場施工區域的地方，合理規劃復測路線，避開不利物質條件，完成交樁復測工作。

（3）根據控制點周邊環境與水文地質情況在模型中選擇既能滿足施工需求，又可以長期保留的地方埋設加密點，隨后進行加密點埋設，為以后的控制測量創造有利條件[4]。

尤其在高填方沉降觀測時，要按照二等水準測量的要求定期實施觀測，由于復雜地形施工時現場情況錯綜復雜，施工區域變化很大，測量人員往往需要面臨測量路線被擋，被迫修改既定路線，增加測站數，提高測量難度的問題。而根據實際施工情況，用無人機或者RTK 實時采集每天的測量數據，實時更新BIM 模型，就可以根據BIM 模型提前規劃出合理便捷的水準測量路線，以“DXF”的格式導入“奧維”軟件中用以指導第二天的水準測量工作[5]。水準測量路線規劃模型如圖3 所示。

圖3 水準測量路線規劃模型

2 工程應用

2.1 基于BIM＋GPS 施工現場放樣與控制測量

在傳統的施工放樣工作中，需要提前在“內業”工作中提取需要放樣的數據，通常用CAD 提取設計平面圖數據為主，隨后多人進行數據復核，才能由測量人員將數據導入測量儀器并進行現場實地放樣，整個過程中忽略了帶有準確坐標信息、高程信息的BIM 模型的應用價值。將BIM 模型替換CAD 進行放樣數據的提取，同時利用BIM 技術與測量技術的集成，極大程度上將對測量放樣的難度有所降低，不僅提高測量放樣精度和縮短了測量實施的時間，更在一定程度上解放了測量人員繁重的體力測量工作。傳統測量放樣工作一般需要多名測量作業人員協同工作、互相復核，而且需要多種測量儀器相互配合，使得測量數據在傳輸的過程中，極易出錯[6]。目前基于BIM＋GPS 的施工放樣技術可以大大減少傳統測量人員之間溝通配合的時間，提高測量人員進行測量放樣的效率，降低人力成本投入，同時該項技術操作簡單，可視易懂，作業效率更高，降低放線作業成本，經濟效益表現良好。

傳統的施工放樣需要根據CAD 中提取的坐標與線條導入測量儀器中進行放樣，地勢平坦，線形簡單時放樣難度還不算太大，一旦遇到地形復雜，設計項目實體不規則等情況時，放樣工作難度、放樣工作量將大大增大。基于BIM＋GPS 施工現場放樣的優點在于可以實現任意復雜曲面的放樣，擺脫了傳統的只能放樣點、線、里程與偏距的局限性。現場測量人員可以根據設計曲面在曲面范圍內任意點位放樣點位，并控制填挖高度，并且根據現場實際施工情況實時進行高程控制流程，極大的減輕了測量人員的工作負擔。

2.2 工程實例

某項目地復雜地形，河道環繞，水文地質復雜，需要建立一座垃圾填埋場，設計垃圾填埋場采用“多級放坡”的形式，有挖方也有填方，運用傳統的測量放樣方法時放樣任務多，控制測量工作難度很大。

項目部進場后用GPS 對施工現場原地形進行了數據采集，隨后模擬出了原始地形曲面，然后根據設計圖紙的意圖用Civil 3D 軟件逐級放坡，最終與原始地形曲面相交，得到了設計模型曲面，通過“曲面”“粘貼曲面”命令將設計模型粘貼到原地形曲面，即可生成最終的施工曲面模型，并在施工曲面模型的基礎上繪制填挖方施工特征性，即在模型上添加三維施工紅線，完成復雜地形曲面模型的建立[7]。原始地形曲面如圖4 所示，設計模型如圖5 所示。

圖4 原始地形曲面

圖5 設計模型

將施工曲面模型以“LandXML”格式導出，并導入GPS 手簿，將施工線以三維多段線的形式導出，交由測量人員用GPSˉRTK 進行施工曲面模型現場放樣。由于RTK 在開啟工作狀態下，數據通過基準站將觀測值同測站坐標數據一同傳送給流動站。流動站收到基準站發出的數據信息，并且收集GPS 觀測到信息數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理的時候給出厘米級定位結果，給出數據時間不足1s。當流動站處于靜止狀態或移動狀態時，在固定點上進行初始化，再進入動態模式，或在動態模式下直接開機，并在動態模式下進行整周模糊度的搜索求解。在整周未知數解固定后每個歷元進行實時處理，工作時若保持四顆以上衛星相位觀測值的跟蹤和需要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結果，因此只要在GPS 中給定放樣的目標曲面與放樣邊界，GPSˉRTK 就可以在施工曲面放樣范圍內任意位置進行放樣，隨時跟蹤觀察計算任意位置還需填挖多少，以便及時安排施工力量，組織施工[8]。施工曲面模型放樣如圖6 所示。

圖6 施工曲面模型放樣

3 結語

BIM 技術與施工測量的應用主要體現在模型、軟件、設備之間的相輔相成，通過軟件快速精確提取數據，導入設備進行現場高效作業，因此，BIM 技術可以實現指導施工放樣、大大降低工作量、節約資源、縮短工期的目的。基于BIM＋GPS 在復雜地形施工中的應用，只是BIM 技術與施工測量應用的冰山一角，BIM 技術與無人機采集數據、三維激光掃描技術采集數據的碰撞，或者BIM 技術與放樣機器人的碰撞，必將發揮出一加一大于二的價值，也將極大地減輕測量人員的工作負擔，提高工作效率。隨著BIM 技術與5G 網絡，軟件的發展，融合BIM 技術和GIS、GPS、Pix4D 等技術的基礎上，在新基建的牽引下，可視化，數字化，信息化已經逐漸轉變為工程行業共識，成為以后工程行業的大勢所趨，為以后復雜地形條件下的施工測量提供了思路。