基于激光點云技術(shù)的隧道監(jiān)控量測BIM應(yīng)用研究

李夢城 牛茂欽 周鵬 重慶交通大學土木工程學院 重慶市 400074

一、引言

激光點云技術(shù)最初在機械、制造行業(yè)運用較多,后來以一種高新測量技術(shù)身份出現(xiàn).它以非接觸性、主動性、高精度與高數(shù)據(jù)密度的方式快速獲取各式各樣物體表面的空間三維信息.該技術(shù)可與可視化、數(shù)據(jù)監(jiān)測、虛實結(jié)合等技術(shù)結(jié)合【1】.

隧道工程中地質(zhì)復雜和信息的傳遞缺乏帶來了施工中很難預測的風險,對施工過程中大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與可視化運用,加快信息的實時共享,是信息化監(jiān)測發(fā)展的趨勢.

傳統(tǒng)設(shè)計局限于二維的圖紙,在實際工程中帶來了大量的紙質(zhì)資料,二維資料很難直觀反映施工問題的難易程度,資料的查看與管理也給施工單位、業(yè)主帶來麻煩,BIM技術(shù)與點云的結(jié)合就是為了解決這種信息桎梏與二維局限性問題而順勢產(chǎn)生.把點云技術(shù)作為模型獲取數(shù)據(jù)渠道的基礎(chǔ)上,結(jié)合BIM技術(shù)對隧道監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)進行集成與可視化,提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理效率,也可為運營階段的病害整治提供解決手段.

二、工程概況

隧道位于重慶市奉節(jié)縣朱衣鎮(zhèn)內(nèi),全長884m均為富水軟弱Ⅴ級圍巖,順層及順層偏壓、巖溶、巖堆等不良地質(zhì),巴東組一段泥灰?guī)r夾泥巖為巖層性狀,弱~中等為巖溶發(fā)育程度.在施工過程中雖然采用了三臺階臨時仰拱法及多次地質(zhì)預報及加固支護措施,但是仍發(fā)生多次拱頂下沉預警及地表沉陷,施工進度也極度緩慢,為提供隧道實時圍巖變形情況及監(jiān)測信息的可視化顯示,在隧道監(jiān)控量測中聯(lián)合運用BIM與點云技術(shù)加快隧道監(jiān)控量測信息化發(fā)展.

三、基于點云技術(shù)的隧道監(jiān)測BIM模型建立

采用天寶TX5三維激光掃描儀對隧道進行站點布設(shè)、靶標布設(shè)、掃描之后,對獲取點云數(shù)據(jù)處理后,通過設(shè)計施工資料、監(jiān)測數(shù)據(jù)信息創(chuàng)建的點云隧道監(jiān)測BIM模型【2】.建立的該模型可以精確的將可視化的監(jiān)測信息與修正后的實際隧道模型融入,對現(xiàn)場的施工指導、資料管理、可視化展示帶來了便利.

(一)基于點云隧道BIM模型建立

根據(jù)設(shè)計圖紙、施工資料,并選用采用CATIA軟件,建立的 BIM模型精度LOD為350,創(chuàng)建隧道模型根據(jù)里程+左右幅+襯砌類型+構(gòu)件拆分類型的方式命名構(gòu)件名稱.三維模型包括洞門、明洞、暗洞、排水部分.根據(jù)設(shè)計圖紙各種斷面類型,創(chuàng)建各種隧道模型部件,達到快速建模的目的.利用CATIA軟件快速模板化創(chuàng)建模型段落.隧道模型要滿足施工圖精度與施工工序要求,隧道模型采用骨架文件進行驅(qū)動,其中骨架文件包含路線信息、草圖及參數(shù).

采集隧道區(qū)域10kmX4km的測繪數(shù)據(jù),創(chuàng)建正射影像與數(shù)字高程模型.利用Skyline軟件結(jié)合金字塔技術(shù)集成正射影像與數(shù)字高程模型,得到三維地表精細模型【3】.地質(zhì)建模過程主要是根據(jù)地質(zhì)測繪資料結(jié)合已有的縱橫斷面建立地層面,地層面再通過布爾運算剖切體得到地質(zhì)體.創(chuàng)建三臺階臨時仰拱法施工模型,賦予施工模擬時間參數(shù),三維隧道模型經(jīng)過CATIA軟轉(zhuǎn)化為施工模型.設(shè)計模型與實際模型的誤差經(jīng)點云數(shù)據(jù)對比找到后整合得到更真實高精度隧道模型.

(二)基于點云隧道監(jiān)測BIM模型建立

1.必測項目內(nèi)容信息導入BIM模型.把拱頂下沉點、周邊收斂點、地表沉降點的族模型導入建立好的點云隧道監(jiān)測模型中,對族文件添加附加信息,包括初測日期、觀測時間、掌子面開挖進度與測點布設(shè)情況、基于設(shè)計基準點的三維坐標、有無預警信息、在紙質(zhì)監(jiān)測資料中體現(xiàn)的變形信息、及對設(shè)計與施工的反饋信息.

2.選測項目內(nèi)容信息導入BIM模型.把圍巖壓力、混凝土內(nèi)力、及滲水壓力及其它構(gòu)件內(nèi)力的相關(guān)信息模型通過三維坐標導入監(jiān)測模型中,附上缺項整治專項信息,進行問題的跟蹤導向.

3.地質(zhì)素描及數(shù)碼成像、裂縫信息導入BIM模型.根據(jù)點云技術(shù)掃描到的裂縫等相關(guān)族模型定位信息,再附上標簽,主要信息有:掌子面尺寸、涌水狀態(tài)、節(jié)理信息、巖石風化程度、巖體完整程度等信息,通過對開挖面掌子面的數(shù)碼成像照片匹配到模型中,達到病害整治對隧道其它部位影響的可視化目的.

四、結(jié)束語

本文的研究可為激光點云-BIM技術(shù)聯(lián)合體在隧道監(jiān)控量測中應(yīng)用,提供一個很好的參考和研究基礎(chǔ),實現(xiàn)信息的高效流轉(zhuǎn)與利用,強化了BIM技術(shù)的作用,最大化模型的價值,更好地為解決了施工階段數(shù)據(jù)的管理與可視化問題.促進智能化、科技化的隧道監(jiān)控量測向前邁進.使測量過程愈加清晰可見,連接工程信息化中虛擬與現(xiàn)實的紐帶【4】.