BIM+GIS技术在山岭隧道施工策划阶段的应用研究*

常浩宇

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

1 数据精度分析

测绘行业的CH/T9016—2012《三维地理信息模型生产规范》中，已明确提出根据地形表现重要程度需求将地形模型划分为4个等级，同时规定了不同环境地带的精度要求。根据工程施工需求及应用经验，使之更符合山岭地区隧道项目策划阶段的实际情况，可总结归纳为2个等级，即一类精度和二类精度。

施工策划阶段的GIS数据主要是指具有空间地理位置的数据如正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)、倾斜摄影实景三维模型(Mesh)、控制点(GCP)等。山区条件下一类精度数据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)，二类精度数据是指影像或地面分辨率优于0.1m且高程精度优于0.1m，具体如表1所示。

表1 GIS数据精度分类

2 技术路线及应用

2.1 应用场景

1)一类精度数据主要用于概念设计、工程选线、项目选址、方案及效果、地理环境调查、项目区位优化、绿色施工策划、初步场地布置等方面。

2)二类精度数据应用于工程施工图设计、精细化场地布置、管线定位、方案模拟、工程量统计等方面。

根据不同类型精度的GIS数据，可在项目策划阶段进行不同深度的应用，从而解决施工中的实际问题。

2.2 BIM+一类精度GIS数据的应用

2.2.1技术路线

一类精度的GIS数据可采用高分辨率航空影像制作的DOM和高精度DEM数据；且符合项目所在地区的地形实际情况，可作为施工场区地形的数据基础，具有可靠性、便捷性，同时也节省了大量的人工测量工作，并且对于测绘难度较大的区域具有绝对的指导意义。具体技术路线如图1所示。

图1 一类精度GIS数据技术路线

技术路线可根据项目应用方向大致分为2类：一是侧重绿色施工场地策划；二是侧重线路或路径选取。

1)在侧重绿色施工场地策划的应用中，重点在于用地规划及环境保护方面。将地形数据导入BIM设计软件中，进行场地及临时道路方案设计，通过统计占地面积及各功能区优化，完成初步土方填挖量分析，同时导入临建BIM模型，通过三维空间位置关系确定方案布局合理性，从而满足施工策划阶段的项目应用需求。

2)在侧重线路或路径选取的应用中，以项目区位条件、位置信息、运距等作为施工策划主要影响因素，通过GIS数据建立地形模型，在BIM软件中进行运输路径建模，采用可视化模拟软件完成路径优化、比选。

2.2.2绿色施工场地布置

1)脆弱生态环境条件下的场地布置

川藏铁路康定2号隧道位于四川省境内，项目施工区域海拔3 700.000m，隧道出口紧邻318国道，具有工程地质复杂、地形高差大，高原缺氧、生态环保等诸多建设难题。高原地区生态环境极其脆弱，施工区域紧邻河流、牧场等当地赖以生存的重要绿色资源，扰动后很难在短时间内恢复。

在此种环境条件下对施工建设提出了很高的技术和管理要求，项目基于数字化施工技术手段，在进场前期采用高精度GIS地形数据，对施工洞口及临建区域进行模型搭建，DOM影像分辨率优于1m、高程精度优于5m，基于OpenRoads Designer进行施工进场道路规划布置、临建场地规划布局等，洞口施工区域与318国道的衔接以减少土地占用、缩短运输距离、遇河架桥为原则，场内循环道路随地形布置，减少土方挖填量；临建设施布置在洞口周边、施工道路两侧，主要包括施工营区、拌合站、污水处理、材料加工厂等主要设施，以不占用河道、减小放坡量、减少牧场占用、草皮进行移植等为策划原则，如图2所示。

图2 基于BIM+GIS场地布置

根据GIS地形模型与CAD平面布置进行场地规划布置，融合临建设施模型完成进场施工策划，经数据统计用地面积为110 000m2草皮移植面积为88 000m2。采用工程数字化解决方案辅助绿色施工，充分利用土地资源、减少对生态脆弱的高原地区环境影响，达到经济、高效、环保的施工策划目标。

2)植被高覆盖率条件下场地布置

北京冬奥会综合管廊工程位于北京市延庆区张山营镇，项目毗邻国家松山保护区，工程建设内容为隧道综合管廊，在项目前期规划施工用地方面，环保与绿色施工是重要衡量指标，隧道洞口及营区周边树木众多，绿化植被覆盖率达到85%以上，在场区规划、临建布置、施工工法等方面均受限较大。

进场前基于BIM+GIS三维可视化模型制定初步的绿植迁移方案、场地优化布置。通过下载卫星图片并将卫星图片的经纬度转换成坐标；其次提取SRTM高程信息并在OpenRoads Designer中生成三维地形文件；最终将地形与卫星图片整合，完成3SM地形创建。模型达到一类地形精度要求，满足项目前期策划需求。基于地形模型在OpenRoads Designer软件中进行场地布置设计、制定植被迁移方案。

根据BIM+GIS制定的植被迁移方案，完成施工场地优化布置如图3所示，最终总占地面积65 300m2节约用地6 000m2对营区、大型机械设备组装区 、材料加工区、施工道路等重点部位进行精细化建模，在满足施工条件的情况下减少林地占用，免伐区面积14 600m2后期生态恢复面积46 100m2实现在植被高覆盖率环境条件下的数字化解决方案，达到了绿色环保施工要求。

图3 绿色施工场地布置

2.2.3施工运输路径方案优化

隧道洞口与材料库、弃渣场道路运输路径优化方面，可基于一类精度地形数据，建立施工场地道路布置模型，运输路径以能体现运输起点与终点位置关系为宜，运输以路径最短、合理用地、挖填平衡为布置依据，采用BIM模拟软件对工程车辆进行车速、路径等参数设定，对不同路径方案的选取进行可视化模拟(见图4)，计算运输时间，根据最短运输时间完成方案优化。

图4 运输路径方案模拟

2.3 BIM+二类精度GIS数据的应用

2.3.1技术路线

二类精度GIS数据：主要来源于现场测绘(GPS外业测绘数据、全站仪外业实测数据等)、倾斜摄影测绘、无人机激光雷达测量系统等高精度数据，不同的数据获取技术手段，在工期、成本、效果等方面也存在着差异。倾斜摄影是测绘领域近年来快速发展的一项新技术，不同于以往正射影像只能从垂直角度拍摄地形，通过在一个飞行平台上搭载多镜头相机，同时从多个角度采集影像，得到符合人眼视觉的照片级三维模型，相对于现场测绘与无人机激光雷达测量系统等技术手段，倾斜摄影不受地形限制，人工成本更低，数据量相对更小，获取的数据更能反映地形实际情况，因此基于倾斜摄影的实景模型GIS数据具有较高适用性和推广价值，具体技术路线如图5所示。

图5 二类精度GIS数据技术路线

实景三维模型可采用Smart3D进行生产，计算机集群处理有助于提高工作效率。模型修饰主要针对水面空缺、模型漏洞、拉花变形等问题进行修补，采用修模软件对实景三维模型进行编辑后，再次导入Smar3D软件中进行模型修复，从而使模型更加美观、合理。

2.3.2土方量计算

施工道路及场地平整是通过无人机倾斜摄影完成原始地貌数据采集，通过布设地面相控点的方法，采用RTK采集相控点坐标，建立地形高精度实景模型，地面分辨率优于5cm，将实景模型导入OpenRoads Designer软件，通过提取坐标点数据建立DEM数字地面模型，建立道路中心线、断面模板、纵断面坡度曲线等要素，进而完成临时道路BIM建模，土方挖、填量通过纵断面坡度设计值进行控制。场地布置可通过高程投影或顶点投影等方式完成挖、填方设计，一般挖、填量要保持平衡，边坡坡度等可通过BIM模型直观的进行合理调整，如图6所示。

图6 局部场地平整BIM建模

根据BIM模型导出的数据统计报告得出土方挖填量，通过土方工程量的统计，计算人工、机械设备配置情况，在充分保证减少土地占用的情况下，优化资源配置，节约项目前期投入成本。

2.3.3大型设备运输方案模拟

采用无人机倾斜摄影建立地形高精度实景模型，将FBX格式的模型导入Fuzer软件中，通过模拟大型设备运输路径，验证施工道路转弯半径及大型设备运输空间是否满足施工需要，通过模拟发现大型杆件转弯半径不足等问题，将整装16m长构件改为分装12m长，车辆一次模拟通过(见图7)，提前解决施工运输问题，避免后续因大型材料运输不及时造成的窝工、返工现场发生。

图7 基于实景模型的杆件运输模拟

2.3.4管线布置

隧道项目临建设施地下管线包含生活用水、施工现场用水、雨污水管道、沉淀池等，山岭地区特别是季节温差较大的施工项目，地下管线埋深要在冻土层之下，基于倾斜摄影高精度地形模型进行地下管线布置，首先根据管线图纸，在地形模型中完成坐标定位，建立管线三维模型，埋深可在融合后的模型中，以纵断面形式进行高程及坡度分析调整。现场施工时，实地测量坐标与模型坐标进行三维校准，实时调整指导施工。采用高精度地形融合临建及地下管线模型的三维查看分析能力，可有效追溯空间位置关系、埋深、布设形式等重要施工信息，有利于后期维护及迁改。

3 结语

通过BIM+GIS技术辅助山岭地区隧道项目绿色施工、场地规划布置等方面的应用，在项目施工策划阶段，采用不同精度的GIS数据与BIM模型相结合的方式，模拟施工策划相关内容，可有效解决施工组织三维可视化问题，及时进行纠偏与动态检查，从而提高施工策划合理性，节约工期与资源。尤其绿色施工已成为项目参与各方关注的重点，施工过程的生态环境保护措施、监测、临时用地复垦等，采用BIM+GIS技术进行方案策划，减少自然资源的消耗，同时结合可视化方案模拟将施工过程进行优化，使项目精细化管理得到落地应用，实现过程可控制、信息可追溯，从而为工程领域迈向数字化奠定基础。