國家高山滑雪中心工程BIM與GIS融合應用

李北超 金大春 侯廣斌 潘江津 王生文 孟 陽

(北京城建集團有限責任公司,北京 100088)

0 引言

2022年北京舉辦第24屆冬季奧林匹克運動會,建設符合國際雪聯和國際奧委會標準的國家高山滑雪中心成為冬奧工程的重中之重,因國內缺少設計和施工經驗,國外也沒有相應的設計規范和施工標準,建設難度極大,備受關注[1-2]。如何節約成本,優質、高效地建設本工程,是建設者遇到的極大挑戰。

1 延慶2022冬奧會國家高山滑雪中心工程概況

國家高山滑雪中心工程,地處北京延慶小海坨山南麓,山頭最高點海拔2 198 m,山體落差超過900 m,坡度最大達到60%。起點位于山頂最高處,終點在海拔約1 300 m處,是目前國內落差最大的雪道。運動員進行一次完整比賽將要體驗近900 m的高空落差,這是冬奧會系列工程中難度系數最高的工程之一。北京城建集團施工總承包的北京2022年冬奧會國家高山滑雪中心一標段工程已完成竣工驗收。該工程總建筑面積約47 097 m2,主要包括兩條競賽滑雪賽道和多個建筑單體(山頂平臺、集散廣場、中間平臺、競技結束區)、索道以及附屬設施；看臺可同時容納約8 000人觀看比賽；賽項涉及男女超級大回轉、滑雪速降等滑雪項目。項目概況示意見圖1。

圖1 延慶冬奧會國家高山滑雪中心項目示意圖

2 工程特點、難點

高山滑雪中心位于延慶區小海坨山南麓,松山森林公園內,植被茂密；全年多風,夏秋季節常有雷陣雨,偶有暴雨；施工區氣候多變,冬季干燥、寒冷,本施工區域冬天全天氣溫都會處于零度以下,山頂氣溫有時會降至-30℃以下[3]。進入施工區僅有一條臨時道路且狹窄、泥濘,經常堵車數小時,運輸極其困難,同時工期緊張,受地形起伏影響,作業面無法大面積展開,手機信號極差,對講機也受山體影響,通信距離較短,人員之間經常遇到無法聯系的情況。

其中,競速雪道由上下兩段(C1+B1)雪道組成,主要承擔滑降與超級大回轉的比賽。雪道位于用地的中軸對角線上,起點高程2 179 m,終點高程1 285 m,垂直落差894 m,平均寬度40 m,坡面長度3 045 m,平均坡度為30%,其中最大坡度68%,最小坡度7.2%(圖2)。競速雪道緩沖區長度140 m,最寬處130 m,坡度5%,場地面積約1.26×104m2,需滿足賽事各項綜合需求。競速雪道是施工中的重點和難點之一。

面對以上困難,此工程就不同于常規的公共建筑工程,優化設計就顯得尤為重要,尤其是雪道、建筑位置設計直接影響到土方填挖方量的多少,大量土方運輸明顯無法實現,因此,通過地理信息系統(geographic information system,GIS)+建筑信息建模(building information modeling,BIM)的方式對雪道、山體建筑設計進行大量的優化,盡可能使各區域自身達到土方平衡。

3 BIM與GIS融合技術

3.1 技術路線選取

如何充分利用GIS和BIM技術,解決本工程遇到的技術難題,是本文著力解決的問題。通過無人機測繪獲得的地形成果屬于GIS數據,而山地建筑、雪道的設計模型成果屬于BIM數據,如何將兩者結合在一起,并用于解決工程的實際困難呢？為此,必須找到它們的共同點,即互相可識別的相同的數據格式。

通過分析選用GIS平臺可識別的數據格式,主要有shp、obj、3ds、skp、osgb等；冬奧會的雪道和附屬建筑主要以BIM模型呈現,以建筑信息建模軟件(Revit)為設計平臺,其可導出的數據格式主要有fbx、dwg、dxf、dgn等格式。通過測試,即使GIS平臺與BIM平臺都有相同的數據格式,將BIM模型導入GIS平臺后,模型的某些數據也會丟失,如材質和紋理[4]。GIS平臺要有強大的數據處理能力,自動化、智能化程度高。因此,選擇的技術方案如下:

方案1,要求GIS轉為Revit軟件可識別和應用的數據格式,其中,AutoCAD的dwg格式可載入,并可形成BIM的場地模型，流程見圖2。

圖2 方案1流程

方案2,則要求將BIM模型轉換成GIS平臺可接受的數據格式。通過研究GIS可接受的模型類型,其中obj、3ds、skp是可導入的BIM模型。再分析Revit導出的模型類型(含材質屬性),并沒有GIS可接受的類型。經過比選和分析多個軟件,采用3dmax軟件作為中間轉換平臺,將Revit模型轉換成obj、3ds兩種模型之一[5]。轉換流程見圖3。

圖3 方案2流程

3.2 轉換過程

(1)采用Revit讀取BIM模型,導出格式為fbx格式模型。

(2)采用3dmax軟件導入fbx格式模型,檢查材質是否齊全,再導出obj格式模型或3ds格式模型。

(3)打開GIS平臺,導入OSGB場地三維傾斜攝影模型。

(4)在GIS平臺導入obj模型或3ds模型,并定位到準確位置。

(5)利用GIS平臺的強大分析功能,進行計算、統計、分析,獲取工程所需的數據。

4 BIM與GIS數據融合應用

首先利用無人機對現場地貌進行航測,經Pix4Dmapper軟件處理后生成點云數據,三維場地模型[3],通過Civil 3D將點云數據生成原地貌曲面,進而通過Revit軟件生成原地貌BIM模型，見圖4。

圖4 原地貌OSGB模型圖

通過Revit軟件將高山滑雪各區域主建筑物、附屬設施、雪道等進行設計圖紙轉化,生成各單體BIM基礎模型[6]，見圖5。

圖5 山頂索道站房BIM模型

BIM與GIS數據融合,將各模型整合到一起,見圖6、圖7。

圖6 將等高線融合于BIM場地

圖7 將雪道模型融合于GIS平臺中

4.1 BIM與GIS融合應用于雪道優化

高山滑雪雪道的設計要結合現場地形和地質情況,減少施工難度,從環境保護的角度出發,遵循可持續發展的原則,盡量減少土方量及支擋防護。高山滑雪中心雪道深化設計則是在此原則的基礎上進行優化,解決雪道與各建筑物的連接關系,雪道與實際地形關系。

利用縱斷面工具生成雪道縱斷面,保證雪道的整體落差、最大坡度、最小坡度、起跳點坡度等參數。利用橫斷面工具設計雪道寬度,同時利用GIS地理信息模型通過量距、高度測量、面積測量、土方(體積)測量、提取高程點等方法,并進行通視分析,可視域分析,結合放坡工具,優化雪道填方與原地貌的吻合程度,對土方的合理利用進行有效規劃,最終方案使雪道土方達到自身平衡,指導現場施工[7]。

通過GIS和BIM模型的融合,進行雪道方案的最優深化,例如，雪道里程樁號C1_K1+060～C1_K2+040段較原設計高程整體提高3 m后,根據縱向斷面圖、橫向斷面圖計算出此段挖土方量比優化前減少了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雪道和競技結束區及其他區域的土石方回填,完全實現雪道山體填方、挖方量平衡,確保工程順利展開,見圖8。

圖8 部分里程雪道設計優化

4.2 BIM與GIS融合應用于山頂建筑位置優化

在Revit中,利用點云數據生成原地貌曲面,對場地地形曲面進行精確建模,然后導入山頂站房BIM模型,整合于場地BIM地形模型。將建筑模型在地形模型中平移、升降,不斷調試,反復計算土方平衡點,最終將建筑整體抬高約6 m,在索道中心線上向山頂方向后退約7 m,使填、挖方達到平衡,形成最終深化方案指導施工。見圖9、圖10。

圖9 山頂建筑優化前

圖10 山頂建筑優化后

4.3 基于BIM+GIS的復雜山地的雪道和邊坡防護與監測

由于雪道較陡,項目土方工程量較大,護坡施工較多,而且山地環境降雨較多,易發生滑坡等安全事故。為保證施工過程中的安全,項目基于現有BIM+GIS技術結合全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)監測技術,組成一套邊坡安全監測系統[8],對施工范圍內重點高邊坡在GIS場景下精確定位,同時利用GNSS監測站進行實時監測[9],這樣,對重點部位的變形情況可實時掌握,一旦預警,可及時采取措施和組織人員撤離；根據坡度測量數據,對雪道采取了橫向防滑移擋墻、排水措施,邊坡采取鐵絲網防護和GNSS監測,并植草固化雪道[10]。見圖11。

圖11 雪道綜合防護系統

4.4 匯水分析

本工程充分利用GIS空間數據模型+Civil3D軟件,分析匯水面積,匯水流徑,確定匯水集中區域,災害易發區域,精確計算雨水流經流向,指導現場排水設施和防洪設施的布置[11]。以GIS空間數據模型+氣象信息,模擬最不利環境下的洪水分析,科學規劃合理布置逃生通道、避難點、逃生路線。在施工現場各區域,粘貼醒目的二維碼應急避險逃生位置導引,在現場對應位置生成當前位置逃生路線圖,導引現場人員前往最近的避難點[12]。并且,通過班前教育等形式向施工人員普及防汛逃生知識[13-15]。

5 結束語

BIM和GIS是相輔相成的,工程中利用宏觀的GIS地形模型與微觀BIM建筑信息模型進行了數據融合,BIM彌補了GIS中的精細化建筑信息數據,實現了信息共享,更好地協調空間關系,增強了信息分析處理的能力。BIM與GIS融合應用極大地豐富了設計和施工的方法,利用GIS系統的空間分析模塊進行設計和施工方案模擬和評估,可以對設計和施工進行合理的優化[11]。國家高山滑雪中心應用該方法,優化了工程設計和施工方案,達到了土方平衡和資源節約的目的,山地環境和植被得到很好的保護,對降低工程建設成本、加快施工進度起到很好的作用。

BIM與GIS融合應用前景廣泛,今后在城市規劃、智慧城市建設、環境模擬、災害預警、國土安全、車輛人員和移動導航等方面還應有更大的發展和應用空間。