国家高山滑雪中心工程BIM与GIS融合应用

李北超 金大春 侯广斌 潘江津 王生文 孟 阳

(北京城建集团有限责任公司,北京 100088)

0 引言

2022年北京举办第24届冬季奥林匹克运动会,建设符合国际雪联和国际奥委会标准的国家高山滑雪中心成为冬奥工程的重中之重,因国内缺少设计和施工经验,国外也没有相应的设计规范和施工标准,建设难度极大,备受关注[1-2]。如何节约成本,优质、高效地建设本工程,是建设者遇到的极大挑战。

1 延庆2022冬奥会国家高山滑雪中心工程概况

国家高山滑雪中心工程,地处北京延庆小海坨山南麓,山头最高点海拔2 198 m,山体落差超过900 m,坡度最大达到60%。起点位于山顶最高处,终点在海拔约1 300 m处,是目前国内落差最大的雪道。运动员进行一次完整比赛将要体验近900 m的高空落差,这是冬奥会系列工程中难度系数最高的工程之一。北京城建集团施工总承包的北京2022年冬奥会国家高山滑雪中心一标段工程已完成竣工验收。该工程总建筑面积约47 097 m2,主要包括两条竞赛滑雪赛道和多个建筑单体(山顶平台、集散广场、中间平台、竞技结束区)、索道以及附属设施；看台可同时容纳约8 000人观看比赛；赛项涉及男女超级大回转、滑雪速降等滑雪项目。项目概况示意见图1。

图1 延庆冬奥会国家高山滑雪中心项目示意图

2 工程特点、难点

高山滑雪中心位于延庆区小海坨山南麓,松山森林公园内,植被茂密；全年多风,夏秋季节常有雷阵雨,偶有暴雨；施工区气候多变,冬季干燥、寒冷,本施工区域冬天全天气温都会处于零度以下,山顶气温有时会降至-30℃以下[3]。进入施工区仅有一条临时道路且狭窄、泥泞,经常堵车数小时,运输极其困难,同时工期紧张,受地形起伏影响,作业面无法大面积展开,手机信号极差,对讲机也受山体影响,通信距离较短,人员之间经常遇到无法联系的情况。

其中,竞速雪道由上下两段(C1+B1)雪道组成,主要承担滑降与超级大回转的比赛。雪道位于用地的中轴对角线上,起点高程2 179 m,终点高程1 285 m,垂直落差894 m,平均宽度40 m,坡面长度3 045 m,平均坡度为30%,其中最大坡度68%,最小坡度7.2%(图2)。竞速雪道缓冲区长度140 m,最宽处130 m,坡度5%,场地面积约1.26×104m2,需满足赛事各项综合需求。竞速雪道是施工中的重点和难点之一。

面对以上困难,此工程就不同于常规的公共建筑工程,优化设计就显得尤为重要,尤其是雪道、建筑位置设计直接影响到土方填挖方量的多少,大量土方运输明显无法实现,因此,通过地理信息系统(geographic information system,GIS)+建筑信息建模(building information modeling,BIM)的方式对雪道、山体建筑设计进行大量的优化,尽可能使各区域自身达到土方平衡。

3 BIM与GIS融合技术

3.1 技术路线选取

如何充分利用GIS和BIM技术,解决本工程遇到的技术难题,是本文着力解决的问题。通过无人机测绘获得的地形成果属于GIS数据,而山地建筑、雪道的设计模型成果属于BIM数据,如何将两者结合在一起,并用于解决工程的实际困难呢？为此,必须找到它们的共同点,即互相可识别的相同的数据格式。

通过分析选用GIS平台可识别的数据格式,主要有shp、obj、3ds、skp、osgb等；冬奥会的雪道和附属建筑主要以BIM模型呈现,以建筑信息建模软件(Revit)为设计平台,其可导出的数据格式主要有fbx、dwg、dxf、dgn等格式。通过测试,即使GIS平台与BIM平台都有相同的数据格式,将BIM模型导入GIS平台后,模型的某些数据也会丢失,如材质和纹理[4]。GIS平台要有强大的数据处理能力,自动化、智能化程度高。因此,选择的技术方案如下:

方案1,要求GIS转为Revit软件可识别和应用的数据格式,其中,AutoCAD的dwg格式可载入,并可形成BIM的场地模型，流程见图2。

图2 方案1流程

方案2,则要求将BIM模型转换成GIS平台可接受的数据格式。通过研究GIS可接受的模型类型,其中obj、3ds、skp是可导入的BIM模型。再分析Revit导出的模型类型(含材质属性),并没有GIS可接受的类型。经过比选和分析多个软件,采用3dmax软件作为中间转换平台,将Revit模型转换成obj、3ds两种模型之一[5]。转换流程见图3。

图3 方案2流程

3.2 转换过程

(1)采用Revit读取BIM模型,导出格式为fbx格式模型。

(2)采用3dmax软件导入fbx格式模型,检查材质是否齐全,再导出obj格式模型或3ds格式模型。

(3)打开GIS平台,导入OSGB场地三维倾斜摄影模型。

(4)在GIS平台导入obj模型或3ds模型,并定位到准确位置。

(5)利用GIS平台的强大分析功能,进行计算、统计、分析,获取工程所需的数据。

4 BIM与GIS数据融合应用

首先利用无人机对现场地貌进行航测,经Pix4Dmapper软件处理后生成点云数据,三维场地模型[3],通过Civil 3D将点云数据生成原地貌曲面,进而通过Revit软件生成原地貌BIM模型，见图4。

图4 原地貌OSGB模型图

通过Revit软件将高山滑雪各区域主建筑物、附属设施、雪道等进行设计图纸转化,生成各单体BIM基础模型[6]，见图5。

图5 山顶索道站房BIM模型

BIM与GIS数据融合,将各模型整合到一起,见图6、图7。

图6 将等高线融合于BIM场地

图7 将雪道模型融合于GIS平台中

4.1 BIM与GIS融合应用于雪道优化

高山滑雪雪道的设计要结合现场地形和地质情况,减少施工难度,从环境保护的角度出发,遵循可持续发展的原则,尽量减少土方量及支挡防护。高山滑雪中心雪道深化设计则是在此原则的基础上进行优化,解决雪道与各建筑物的连接关系,雪道与实际地形关系。

利用纵断面工具生成雪道纵断面,保证雪道的整体落差、最大坡度、最小坡度、起跳点坡度等参数。利用横断面工具设计雪道宽度,同时利用GIS地理信息模型通过量距、高度测量、面积测量、土方(体积)测量、提取高程点等方法,并进行通视分析,可视域分析,结合放坡工具,优化雪道填方与原地貌的吻合程度,对土方的合理利用进行有效规划,最终方案使雪道土方达到自身平衡,指导现场施工[7]。

通过GIS和BIM模型的融合,进行雪道方案的最优深化,例如，雪道里程桩号C1_K1+060～C1_K2+040段较原设计高程整体提高3 m后,根据纵向断面图、横向断面图计算出此段挖土方量比优化前减少了1.5×105m3土方挖方量；且土方平衡后剩余的5×104m3土方可用于B1雪道和竞技结束区及其他区域的土石方回填,完全实现雪道山体填方、挖方量平衡,确保工程顺利展开,见图8。

图8 部分里程雪道设计优化

4.2 BIM与GIS融合应用于山顶建筑位置优化

在Revit中,利用点云数据生成原地貌曲面,对场地地形曲面进行精确建模,然后导入山顶站房BIM模型,整合于场地BIM地形模型。将建筑模型在地形模型中平移、升降,不断调试,反复计算土方平衡点,最终将建筑整体抬高约6 m,在索道中心线上向山顶方向后退约7 m,使填、挖方达到平衡,形成最终深化方案指导施工。见图9、图10。

图9 山顶建筑优化前

图10 山顶建筑优化后

4.3 基于BIM+GIS的复杂山地的雪道和边坡防护与监测

由于雪道较陡,项目土方工程量较大,护坡施工较多,而且山地环境降雨较多,易发生滑坡等安全事故。为保证施工过程中的安全,项目基于现有BIM+GIS技术结合全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)监测技术,组成一套边坡安全监测系统[8],对施工范围内重点高边坡在GIS场景下精确定位,同时利用GNSS监测站进行实时监测[9],这样,对重点部位的变形情况可实时掌握,一旦预警,可及时采取措施和组织人员撤离；根据坡度测量数据,对雪道采取了横向防滑移挡墙、排水措施,边坡采取铁丝网防护和GNSS监测,并植草固化雪道[10]。见图11。

图11 雪道综合防护系统

4.4 汇水分析

本工程充分利用GIS空间数据模型+Civil3D软件,分析汇水面积,汇水流径,确定汇水集中区域,灾害易发区域,精确计算雨水流经流向,指导现场排水设施和防洪设施的布置[11]。以GIS空间数据模型+气象信息,模拟最不利环境下的洪水分析,科学规划合理布置逃生通道、避难点、逃生路线。在施工现场各区域,粘贴醒目的二维码应急避险逃生位置导引,在现场对应位置生成当前位置逃生路线图,导引现场人员前往最近的避难点[12]。并且,通过班前教育等形式向施工人员普及防汛逃生知识[13-15]。

5 结束语

BIM和GIS是相辅相成的,工程中利用宏观的GIS地形模型与微观BIM建筑信息模型进行了数据融合,BIM弥补了GIS中的精细化建筑信息数据,实现了信息共享,更好地协调空间关系,增强了信息分析处理的能力。BIM与GIS融合应用极大地丰富了设计和施工的方法,利用GIS系统的空间分析模块进行设计和施工方案模拟和评估,可以对设计和施工进行合理的优化[11]。国家高山滑雪中心应用该方法,优化了工程设计和施工方案,达到了土方平衡和资源节约的目的,山地环境和植被得到很好的保护,对降低工程建设成本、加快施工进度起到很好的作用。

BIM与GIS融合应用前景广泛,今后在城市规划、智慧城市建设、环境模拟、灾害预警、国土安全、车辆人员和移动导航等方面还应有更大的发展和应用空间。