BIM＋GPS 在复杂地形控制测量中的应用

罗斌

（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 在复杂地形控制测量中的应用在发挥了BIM 技术信息化、模型化、可视化等优势的同时，结合测量仪器与测量方法，极大的方便了测量工作，提高了测量效率，节省了测量劳动力。

1 应用思路

1.1 基于BIM＋GPS 施工现场测量与模型创建

BIM 技术在施工测量中的应用中，很重要的一步是搭建拥有工程实体信息的施工现场原始BIM 模型，而搭建施工现场原始BIM 模型，则需要根据GPSˉRTK实测原始三维数据，然后在Civil 3D 软件中建立坐标高程准确、外观形状尺寸准确的原始地形曲面模型，然后在“谷歌地球”软件中下载Tiff 格式的高清卫片，最后将原始地形曲面与高清卫片在Civil 3D 软件中用Raster Tool 插件相关联，一比一模拟出原始施工现场实际的山川河流，就可以在这准确的原始三维模型上进行高程分析，以便快速计算土石方填挖量。流域分析和坡度分析，以便得到施工现场的地势地形信息，进而进行施工现场排水、施工便道规划等一系列工作。做到足不出户即可准确掌握现场信息，做到了无纸化施工，极大的方便了项目前期的各项策划与准备工作[1]。与传统的前期策划与准备工作只能依靠CAD 图纸与现场踏勘相比，基于BIM＋GPS 施工现场测量提前创建模型的技术不仅可以形象立体、准确可靠的表达施工现场实际情况，而且利用模型信息提前掌握了准确有效的现场各项数据，为项目有效开展提供了可视化基础数据。

以“曲形异面”项目实体为例，传统的表现形式只能依靠二维CAD 图纸，通过三视图方式来表达，比较考验技术人员的空间想象能力，不能准确计算“曲形异面”项目实体的体积等各种信息，并且由于“曲形异面”项目实体的形状不规则，给测量放样与分层施工带来了极大的困难。而基于BIM＋GPS 创建出了项目实体模型后，就可以在模型的基础上在“曲形异面”项目实体的任意位置提取点位坐标以及规则分层点位坐标，进而在施工过程中动态的提取需要的项目实体点位信息，快速应用于现场实际施工。充分体现了以模型代替传统二维图纸指导现场施工的数据化，信息化，精准化，先进性[2]。原始地形曲面模型如图1 所示。

图1 原始地形曲面模型

除此之外，运用Civil 3D 与Revit 结合施工图纸与测量数据建立准确的与项目实体一致的施工BIM 模型的技术也已经在很多施工领域大力运用，无论是在前期的施工策划，还是在施工过程中的技术测算中，提前建立出施工BIM 模型都发挥出很重要的作用。原始地貌与施工BIM 模型对比如图2 所示。

图2 原始地貌与施工BIM 模型对比

1.2 基于BIM 模型进行施工测量场区控制网布设与测量线路规划

平面控制测量平常按照“从整体到局部，先控制后碎部，从高级到低级”的组织实施原则，一般先在施工现建立场区控制网，再进行建立施工控制网。项目进场后，需要根据业主提供的有限地方控制点进行加密、布网，以满足施工的要求。以往的加密与布网工作往往局限于图纸上标定或者现场踏勘，由于既要保证测量控制网网形规划合理，满足布网要求，又要保证控制点点位满足施工需求，且能长期保留，因此工作难度很大[3]。基于BIM 模型进行施工测量场区控制网布设将在很大程度上解决这一问题，这是由于该技术的可视化与现场模拟准确性，测量人员就可以提前在内业中避开不利物质条件，模拟比选出最优测量路线。该技术的工作流程如下。

（1）将业主交桩的控制点三维数据（X，Y，Z），添加在原始地形模型上，运用BIM 可视化技术将交桩的控制点三维数据（X，Y，Z）进行定位，定位完成后，将模型数据交由现场测量人员，指导现场测量人员快速找到控制点位，并加以保护。

（2）根据施工现场各项原始数据，精确模拟施工现场环境，在BIM 模型的基础上，选择通视良好，地质条件良好，能覆盖现场施工区域的地方，合理规划复测路线，避开不利物质条件，完成交桩复测工作。

（3）根据控制点周边环境与水文地质情况在模型中选择既能满足施工需求，又可以长期保留的地方埋设加密点，随后进行加密点埋设，为以后的控制测量创造有利条件[4]。

尤其在高填方沉降观测时，要按照二等水准测量的要求定期实施观测，由于复杂地形施工时现场情况错综复杂，施工区域变化很大，测量人员往往需要面临测量路线被挡，被迫修改既定路线，增加测站数，提高测量难度的问题。而根据实际施工情况，用无人机或者RTK 实时采集每天的测量数据，实时更新BIM 模型，就可以根据BIM 模型提前规划出合理便捷的水准测量路线，以“DXF”的格式导入“奥维”软件中用以指导第二天的水准测量工作[5]。水准测量路线规划模型如图3 所示。

图3 水准测量路线规划模型

2 工程应用

2.1 基于BIM＋GPS 施工现场放样与控制测量

在传统的施工放样工作中，需要提前在“内业”工作中提取需要放样的数据，通常用CAD 提取设计平面图数据为主，随后多人进行数据复核，才能由测量人员将数据导入测量仪器并进行现场实地放样，整个过程中忽略了带有准确坐标信息、高程信息的BIM 模型的应用价值。将BIM 模型替换CAD 进行放样数据的提取，同时利用BIM 技术与测量技术的集成，极大程度上将对测量放样的难度有所降低，不仅提高测量放样精度和缩短了测量实施的时间，更在一定程度上解放了测量人员繁重的体力测量工作。传统测量放样工作一般需要多名测量作业人员协同工作、互相复核，而且需要多种测量仪器相互配合，使得测量数据在传输的过程中，极易出错[6]。目前基于BIM＋GPS 的施工放样技术可以大大减少传统测量人员之间沟通配合的时间，提高测量人员进行测量放样的效率，降低人力成本投入，同时该项技术操作简单，可视易懂，作业效率更高，降低放线作业成本，经济效益表现良好。

传统的施工放样需要根据CAD 中提取的坐标与线条导入测量仪器中进行放样，地势平坦，线形简单时放样难度还不算太大，一旦遇到地形复杂，设计项目实体不规则等情况时，放样工作难度、放样工作量将大大增大。基于BIM＋GPS 施工现场放样的优点在于可以实现任意复杂曲面的放样，摆脱了传统的只能放样点、线、里程与偏距的局限性。现场测量人员可以根据设计曲面在曲面范围内任意点位放样点位，并控制填挖高度，并且根据现场实际施工情况实时进行高程控制流程，极大的减轻了测量人员的工作负担。

2.2 工程实例

某项目地复杂地形，河道环绕，水文地质复杂，需要建立一座垃圾填埋场，设计垃圾填埋场采用“多级放坡”的形式，有挖方也有填方，运用传统的测量放样方法时放样任务多，控制测量工作难度很大。

项目部进场后用GPS 对施工现场原地形进行了数据采集，随后模拟出了原始地形曲面，然后根据设计图纸的意图用Civil 3D 软件逐级放坡，最终与原始地形曲面相交，得到了设计模型曲面，通过“曲面”“粘贴曲面”命令将设计模型粘贴到原地形曲面，即可生成最终的施工曲面模型，并在施工曲面模型的基础上绘制填挖方施工特征性，即在模型上添加三维施工红线，完成复杂地形曲面模型的建立[7]。原始地形曲面如图4 所示，设计模型如图5 所示。

图4 原始地形曲面

图5 设计模型

将施工曲面模型以“LandXML”格式导出，并导入GPS 手簿，将施工线以三维多段线的形式导出，交由测量人员用GPSˉRTK 进行施工曲面模型现场放样。由于RTK 在开启工作状态下，数据通过基准站将观测值同测站坐标数据一同传送给流动站。流动站收到基准站发出的数据信息，并且收集GPS 观测到信息数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理的时候给出厘米级定位结果，给出数据时间不足1s。当流动站处于静止状态或移动状态时，在固定点上进行初始化，再进入动态模式，或在动态模式下直接开机，并在动态模式下进行整周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后每个历元进行实时处理，工作时若保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和需要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果，因此只要在GPS 中给定放样的目标曲面与放样边界，GPSˉRTK 就可以在施工曲面放样范围内任意位置进行放样，随时跟踪观察计算任意位置还需填挖多少，以便及时安排施工力量，组织施工[8]。施工曲面模型放样如图6 所示。

图6 施工曲面模型放样

3 结语

BIM 技术与施工测量的应用主要体现在模型、软件、设备之间的相辅相成，通过软件快速精确提取数据，导入设备进行现场高效作业，因此，BIM 技术可以实现指导施工放样、大大降低工作量、节约资源、缩短工期的目的。基于BIM＋GPS 在复杂地形施工中的应用，只是BIM 技术与施工测量应用的冰山一角，BIM 技术与无人机采集数据、三维激光扫描技术采集数据的碰撞，或者BIM 技术与放样机器人的碰撞，必将发挥出一加一大于二的价值，也将极大地减轻测量人员的工作负担，提高工作效率。随着BIM 技术与5G 网络，软件的发展，融合BIM 技术和GIS、GPS、Pix4D 等技术的基础上，在新基建的牵引下，可视化，数字化，信息化已经逐渐转变为工程行业共识，成为以后工程行业的大势所趋，为以后复杂地形条件下的施工测量提供了思路。