基于激光点云技术的隧道监控量测BIM应用研究

李梦城 牛茂钦 周鹏

【摘要】：本文郑万某高铁隧道以为工程背景，针对隧道监测信息的传递与可视化问题，以激光点云技术作为模型数据获取通道，强化BIM技术建模应用与数据管理集成功能，从工程实践中达到隧道围岩信息、衬砌开裂与渗水的立体展示效果，直观辅助精细化施工，规避大修施工风险。

【关键词】：BIM 点云技术 监控量测 可视化展示 数据管理集成

一、引言

激光点云技术最初在机械、制造行业运用较多，后来以一种高新测量技术身份出现。它以非接触性、主动性、高精度与高数据密度的方式快速获取各式各样物体表面的空间三维信息。该技术可与可视化、数据监测、虚实结合等技术结合【1】。

隧道工程中地质复杂和信息的传递缺乏带来了施工中很难预测的风险，对施工过程中大量监测数据的管理与可视化运用，加快信息的实时共享，是信息化监测发展的趋势。

传统设计局限于二维的图纸，在实际工程中带来了大量的纸质资料，二维资料很难直观反映施工问题的难易程度，资料的查看与管理也给施工单位、业主带来麻烦，BIM技术与点云的结合就是为了解决这种信息桎梏与二维局限性问题而顺势产生。把点云技术作为模型获取數据渠道的基础上，结合BIM技术对隧道监控量测的数据进行集成与可视化，提高监测数据的管理效率，也可为运营阶段的病害整治提供解决手段。

二、工程概况

隧道位于重庆市奉节县朱衣镇内，全长884m均为富水软弱Ⅴ级围岩，顺层及顺层偏压、岩溶、岩堆等不良地质，巴东组一段泥灰岩夹泥岩为岩层性状，弱～中等为岩溶发育程度。在施工过程中虽然采用了三台阶临时仰拱法及多次地质预报及加固支护措施，但是仍发生多次拱顶下沉预警及地表沉陷，施工进度也极度缓慢，为提供隧道实时围岩变形情况及监测信息的可视化显示，在隧道监控量测中联合运用BIM与点云技术加快隧道监控量测信息化发展。

三、基于点云技术的隧道监测BIM模型建立

采用天宝TX5三维激光扫描仪对隧道进行站点布设、靶标布设、扫描之后，对获取点云数据处理后，通过设计施工资料、监测数据信息创建的点云隧道监测BIM模型【2】。建立的该模型可以精确的将可视化的监测信息与修正后的实际隧道模型融入，对现场的施工指导、资料管理、可视化展示带来了便利。

（一）基于点云隧道BIM模型建立

根据设计图纸、施工资料，并选用采用CATIA软件，建立的 BIM模型精度LOD为350，创建隧道模型根据里程+左右幅+衬砌类型+构件拆分类型的方式命名构件名称。三维模型包括洞门、明洞、暗洞、排水部分。根据设计图纸各种断面类型，创建各种隧道模型部件，达到快速建模的目的。利用CATIA软件快速模板化创建模型段落。隧道模型要满足施工图精度与施工工序要求，隧道模型采用骨架文件进行驱动，其中骨架文件包含路线信息、草图及参数。

采集隧道区域10km×4km的测绘数据，创建正射影像与数字高程模型。利用Skyline软件结合金字塔技术集成正射影像与数字高程模型，得到三维地表精细模型【3】。地质建模过程主要是根据地质测绘资料结合已有的纵横断面建立地层面，地层面再通过布尔运算剖切体得到地质体。创建三台阶临时仰拱法施工模型，赋予施工模拟时间参数，三维隧道模型经过CATIA软转化为施工模型。设计模型与实际模型的误差经点云数据对比找到后整合得到更真实高精度隧道模型。

（二）基于点云隧道监测BIM模型建立

1.必测项目内容信息导入BIM模型。把拱顶下沉点、周边收敛点、地表沉降点的族模型导入建立好的点云隧道监测模型中，对族文件添加附加信息，包括初测日期、观测时间、掌子面开挖进度与测点布设情况、基于设计基准点的三维坐标、有无预警信息、在纸质监测资料中体现的变形信息、及对设计与施工的反馈信息。

2.选测项目内容信息导入BIM模型。把围岩压力、混凝土内力、及渗水压力及其它构件内力的相关信息模型通过三维坐标导入监测模型中，附上缺项整治专项信息，进行问题的跟踪导向。

3.地质素描及数码成像、裂缝信息导入BIM模型。根据点云技术扫描到的裂缝等相关族模型定位信息，再附上标签，主要信息有：掌子面尺寸、涌水状态、节理信息、岩石风化程度、岩体完整程度等信息，通过对开挖面掌子面的数码成像照片匹配到模型中，达到病害整治对隧道其它部位影响的可视化目的。

四、结束语

本文的研究可为激光点云—BIM技术联合体在隧道监控量测中应用，提供一个很好的参考和研究基础，实现信息的高效流转与利用，强化了BIM技术的作用，最大化模型的价值，更好地为解决了施工阶段数据的管理与可视化问题。促进智能化、科技化的隧道监控量测向前迈进。使测量过程愈加清晰可见，连接工程信息化中虚拟与现实的纽带【4】。

【参考文献】：

【1】滕飞.基于点云数据的结构BIM模型研究[D].哈尔滨工程大学，2016.

【2】刘思佳，马杭州，李文韬，王文，马强强.基于BIM技术的隧道施工监控量测模型研究[J].公路交通技术，2018，34（S1）：58-61.

【3】郭世敏，朱大明，王凯.无人机航测项目实施中像控点布设方法探讨[J].价值工程，2016，35（21）：136-139.

【4】祁春辉.浅谈三维激光扫描技术与BIM技术在工程测量中的应用[J].中小企业管理与科技（中旬刊），2017（12）：176-177.

基金项目：本论文获重庆交通大学研究生教育创新基金项目资助- -《基于激光点云技术的隧道监控量测BIM应用研究》   项目编号：CYS18213

作者简介：李梦城（1993—），男，汉族，四川省开江县人，在读硕士，单位：重庆交通大学土木工程学院，研究方向：隧道建设的BIM技术应用。