基于CAD/BIM+GIS技術(shù)的江陰靖江長(zhǎng)江隧道設(shè)計(jì)

戴林發(fā)寶，薛光橋，李海亮

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

過(guò)去10年，隧道BIM技術(shù)取得長(zhǎng)足發(fā)展，隧道各大工法涌現(xiàn)出大量BIM應(yīng)用實(shí)例。BIM技術(shù)關(guān)注點(diǎn)從早期的建模、可視化應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同設(shè)計(jì)和全生命周期管理，BIM技術(shù)發(fā)展到一個(gè)全新階段。然而，當(dāng)前BIM技術(shù)發(fā)展遇到新瓶頸，主要表現(xiàn)在：雖然BIM具有完善的內(nèi)部信息、精密的構(gòu)件關(guān)系、注重細(xì)節(jié)技術(shù)，但缺乏大場(chǎng)景展示、地理空間分析等宏觀功能。GIS技術(shù)作為地理大場(chǎng)景管理分析技術(shù)可彌補(bǔ)BIM技術(shù)的不足。因此BIM+GIS集成及應(yīng)用是BIM技術(shù)下一步發(fā)展的必然趨勢(shì)。

近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)BIM+GIS集成方法進(jìn)行了廣泛研究。Karan等［1］為解決建筑信息模型和地理信息系統(tǒng)之間的信息共享，研究使用Web技術(shù)確保現(xiàn)有的BIM和GIS模型之間的相互操作；Yamamura等［2］提出一種基于GIS+BIM的城市能源規(guī)劃體統(tǒng)；Borrmann等［3］提出將多尺度表示與BIM模型相結(jié)合的概念，重點(diǎn)研究盾構(gòu)隧道的幾何語(yǔ)義建模，討論IFC的潛在擴(kuò)展，以納入盾構(gòu)隧道的多尺度表示；湯圣君［4］提出IFC到CityGML的幾何及語(yǔ)義映射規(guī)則；趙霞等［5］提出歐特克Revit模型到CityGML模型的轉(zhuǎn)換方法；呂慧玲等［6］提出一種從BIM模型到多層次細(xì)節(jié)GIS模型的完整轉(zhuǎn)換方法；范登科［7］提出以數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為核心的BIM模型跨GIS模型集成方法；倪葦［8］提出基于CityMaker平臺(tái)的BIM、GIS模型集成方法；陳光等［9］提出基于CityGML的道路模型和GIS數(shù)據(jù)的集成方法；蔡文文等［10］提出SuperMap軟件集成IFC模型的技術(shù)。以上研究為BIM+GIS技術(shù)工程應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

BIM+GIS技術(shù)工程應(yīng)用目前主要集中在建造階段，在勘察設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用研究較少。趙飛［11］將BIM+GIS技術(shù)引入高速公路地質(zhì)勘察；柳婷［12］通過(guò)建立實(shí)景三維模型，應(yīng)用BIM+GIS技術(shù)輔助軌道交通規(guī)劃設(shè)計(jì)；王強(qiáng)［13］將BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用于橋梁的初步設(shè)計(jì)，以江陰靖江長(zhǎng)江隧道工程為例，探討CAD/BIM+GIS技術(shù)在隧道工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 工程概況

江陰靖江長(zhǎng)江隧道工程北起靖江公新公路，沿城西大道向南，采用盾構(gòu)隧道形式穿越長(zhǎng)江至江南岸江陰市，下穿濱江路后沿西外環(huán)路布設(shè)，止于芙蓉大道。工程路線全長(zhǎng)約12.4 km，其中隧道段長(zhǎng)約6.4 km，設(shè)置S356互通、濱江路地下互通和芙蓉大道互通共3座互通立交，并在公新公路和人民路設(shè)置2座出入口匝道。主線收費(fèi)站設(shè)置在江北靖江側(cè)公新公路與S356公路之間。工程采用高速公路標(biāo)準(zhǔn)兼具城市快速路功能，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km，雙向6車道。

江陰第二過(guò)江通道工程長(zhǎng)江隧道由長(zhǎng)約725 m的江北明挖隧道，長(zhǎng)約4.9 km、直徑15.5 m的盾構(gòu)隧道及長(zhǎng)約800 m江南明挖隧道組成，明挖隧道包含江北和江南各1座長(zhǎng)25 m的盾構(gòu)工作井。

工程場(chǎng)區(qū)由多層場(chǎng)地土構(gòu)成，覆蓋層主要為軟塑-硬塑粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、松散-密實(shí)粉土、粉細(xì)砂、密實(shí)含礫中粗砂等，不良地質(zhì)主要為飽和砂土液化和淺層氣，場(chǎng)區(qū)特殊性巖土主要為填土、軟土、鈣質(zhì)膠結(jié)物、風(fēng)化巖。江陰靖江長(zhǎng)江隧道工程方案見(jiàn)圖1。

圖1 江陰靖江長(zhǎng)江隧道工程方案

2 CAD+GIS技術(shù)在規(guī)劃、工可階段應(yīng)用

在規(guī)劃、工可階段，設(shè)計(jì)內(nèi)容主要依據(jù)設(shè)計(jì)條件，建立設(shè)計(jì)目標(biāo)與設(shè)計(jì)環(huán)境的基本關(guān)系，提出線路總規(guī)劃、各段落結(jié)構(gòu)方式的初步解決方法等，為后續(xù)若干階段的工作提供依據(jù)及指導(dǎo)性文件。

本階段GIS模型主要采用衛(wèi)星影像、航空攝影測(cè)量生產(chǎn)的地形圖和數(shù)字正射影像建立。

通過(guò)將GIS模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入至設(shè)計(jì)選線軟件中，直觀展示線路方案與工程環(huán)境及相關(guān)控制因素之間的關(guān)系。

基于GIS模型的選線設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)可以直觀、充分地考慮線位與規(guī)劃的適應(yīng)性、對(duì)涉水設(shè)施的影響、接線條件及對(duì)環(huán)境的影響等。當(dāng)有多個(gè)比選方案時(shí)，可以將多個(gè)方案同時(shí)集成至GIS模型中展示，直觀展示各論證方案的優(yōu)缺點(diǎn)。江陰靖江長(zhǎng)江隧道工程設(shè)計(jì)過(guò)程中將2個(gè)方案導(dǎo)入至GIS平臺(tái)進(jìn)行展示比選，CAD+GIS技術(shù)在規(guī)劃和可研階段選線中的應(yīng)用見(jiàn)圖2。

3 BIM+GIS技術(shù)在初步設(shè)計(jì)、施工圖階段應(yīng)用

到初步設(shè)計(jì)、施工圖階段，工作進(jìn)入細(xì)化設(shè)計(jì)階段，可行性研究的設(shè)計(jì)內(nèi)容不會(huì)有太大改動(dòng)。這一階段將建立精細(xì)化BIM模型和三維GIS模型，并將二者融合應(yīng)用于設(shè)計(jì)。

圖2 CAD+GIS技術(shù)在規(guī)劃和可研階段選線中的應(yīng)用

3.1 GIS模型建立

GIS模型可準(zhǔn)確反映工程周邊的三維地表環(huán)境，建立GIS模型的主要方法有攝影、激光雷達(dá)、傾斜攝影測(cè)量等，其中傾斜攝影測(cè)量以精度高、模型逼真直觀等優(yōu)勢(shì)，成為目前的主流方法。

建立傾斜攝影模型流程：航空攝影→像控測(cè)量→空中三角測(cè)量（簡(jiǎn)稱空三測(cè)量）→三維建模（見(jiàn)圖3）。

圖3 建立傾斜攝影模型流程

（1）航空攝影。為建立江陰靖江長(zhǎng)江隧道工程的三維GIS模型，采用飛馬V100垂直起降固定翼飛機(jī)搭載專業(yè)傾斜攝影模塊進(jìn)行傾斜攝影。航空攝影地面分辨率設(shè)定為5 cm，覆蓋工程左右各500 m，航飛重疊度按航向80%、旁向70%設(shè)計(jì)。傾斜攝影無(wú)人機(jī)見(jiàn)圖4。

圖4 傾斜攝影無(wú)人機(jī)

（2）像控測(cè)量。為了將三維GIS模型準(zhǔn)確統(tǒng)一到工程坐標(biāo)系下，需實(shí)施控制測(cè)量。像控測(cè)量采用GPSRTK技術(shù)，按1 km/對(duì)的密度施測(cè)，像控點(diǎn)選在空曠、特征反差明顯的位置，影像清晰可見(jiàn)。RTK測(cè)量精度平面優(yōu)于2 cm，高程優(yōu)于5 cm。像控測(cè)量見(jiàn)圖5。

圖5 像控測(cè)量

（3）空三測(cè)量。在航空攝影和像控測(cè)量完成后，將原始航片和像控點(diǎn)輸入至Photoscan軟件，通過(guò)光束法平差，計(jì)算得到每張像片準(zhǔn)確的內(nèi)外方位元素。檢驗(yàn)空三測(cè)量精度的方法是檢驗(yàn)檢查點(diǎn)，在工程現(xiàn)場(chǎng)共測(cè)量20個(gè)檢查點(diǎn)，平面中誤差7 cm，高程中誤差9 cm。

（4）三維建模。將空三結(jié)果導(dǎo)入至ContextCapture軟件進(jìn)行三維GIS模型建立，三維GIS模型精度優(yōu)于10 cm。傾斜攝影模型見(jiàn)圖6。

圖6 傾斜攝影模型

3.2 BIM模型建立

根據(jù)工程范圍和專業(yè)分工，劃分設(shè)計(jì)任務(wù)。建立BIM模型、制定交付標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容包括軟件資源配置標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)流程規(guī)范、專業(yè)建模及分析標(biāo)準(zhǔn)、BIM整合標(biāo)準(zhǔn)、BIM協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)、交付內(nèi)容、交付深度、交付格式等。工程范圍見(jiàn)表1。

表1 工程范圍

建立精細(xì)化盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)模型，包括管片襯砌、凹凸榫、密封溝槽、螺栓孔、手孔、注漿孔、定位孔等細(xì)部構(gòu)件，將管片楔形量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的格式，提供給管片廠進(jìn)行生產(chǎn)制作。同時(shí)根據(jù)管片結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果及管片配筋形式，制作管片鋼筋模型，根據(jù)管片鋼筋三維擺放情況，輔助管片鋼筋設(shè)計(jì)。精細(xì)化管片模型見(jiàn)圖7。

圖7 精細(xì)化管片模型

明挖隧道分為靖江側(cè)和江陰側(cè)，由主體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型2個(gè)部分組成。明挖主體結(jié)構(gòu)模型分為敞開(kāi)段、暗埋段、工作井后續(xù)段、工作井以及匝道段，模型根據(jù)變形縫進(jìn)行了分節(jié)。江北明挖隧道主體結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖8。

圖8 江北明挖隧道主體結(jié)構(gòu)模型

明挖段圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式種類多樣，主線與匝道基坑深度變化較大，豎向設(shè)置多道支撐，且位置隨坑底變化。江南明挖隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖9。

圖9 江南明挖隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型

江陰靖江長(zhǎng)江隧道接線橋梁工程包括接線橋、靖江西互通主線橋、靖江西互通匝道橋等橋梁工程。靖江西互通S356主線橋梁見(jiàn)圖10。

圖10 靖江西互通S356主線橋梁

采用自定義部件編輯器，依據(jù)地形曲面自適應(yīng)建立接線路基模型。北接線路基路面模型見(jiàn)圖11。

圖11 北接線路基路面模型

3.3 BIM+GIS模型建立

三維GIS模型和精細(xì)化BIM模型建立完成后，采用中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的BIM+GIS模型三維數(shù)據(jù)綜合管理平臺(tái)進(jìn)行集成應(yīng)用。通過(guò)集成BIM、GIS模型，實(shí)現(xiàn)BIM模型與地理信息數(shù)據(jù)集成管理與展示。可以利用GIS平臺(tái)豐富的分析功能，實(shí)現(xiàn)工程的定位和空間、淹沒(méi)、日照、火災(zāi)分析以及通視分析等。BIM+GIS模型在平臺(tái)的集成效果見(jiàn)圖12。

三維傾斜攝影模型與BIM模型結(jié)合，可以增強(qiáng)可視化效果，更重要的是輔助工程勘察設(shè)計(jì)，沿線查看環(huán)境敏感點(diǎn)、輔助分析地質(zhì)災(zāi)害、輔助拆遷分析等（見(jiàn)圖13）。

通過(guò)BIM+GIS集成平臺(tái)，還可以加載地質(zhì)鉆孔模型，協(xié)助鉆孔優(yōu)化布置（見(jiàn)圖14）。加載地質(zhì)模型后，通過(guò)剖切地質(zhì)體或查詢地質(zhì)體的屬性，協(xié)助盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)，地質(zhì)體及其屬性見(jiàn)圖15。

圖13 輔助拆遷分析

圖14 鉆孔優(yōu)化布置

圖15 地質(zhì)體及其屬性

4 結(jié)束語(yǔ)

以江陰靖江長(zhǎng)江隧道工程為例，探討B(tài)IM+GIS技術(shù)在隧道工程設(shè)計(jì)各階段中的應(yīng)用。在規(guī)劃、工可階段，CAD+GIS技術(shù)主要應(yīng)用于規(guī)劃選線；在初步設(shè)計(jì)和施工圖階段，制定傾斜攝影建模標(biāo)準(zhǔn)和BIM建模標(biāo)準(zhǔn)，并據(jù)此建立了高精度的三維GIS、BIM模型，最后通過(guò)開(kāi)發(fā)BIM+GIS集成平臺(tái)，研究GIS、BIM模型的集成應(yīng)用。BIM+GIS技術(shù)可為工程精細(xì)設(shè)計(jì)、決策等提供真實(shí)、準(zhǔn)確的依據(jù)。

江陰靖江長(zhǎng)江隧道工程目前處于施工圖設(shè)計(jì)階段，BIM+GIS集成平臺(tái)還在不斷集成道路紅線數(shù)據(jù)、POI數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)等，最終形成一個(gè)完備的江陰靖江長(zhǎng)江隧道工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。下一步擬將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至施工管理平臺(tái)，協(xié)助施工企業(yè)進(jìn)行工程安全、質(zhì)量、進(jìn)度管理。