基于激光點(diǎn)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

【摘要】：本文鄭萬某高鐵隧道以為工程背景，針對隧道監(jiān)測信息的傳遞與可視化問題，以激光點(diǎn)云技術(shù)作為模型數(shù)據(jù)獲取通道，強(qiáng)化BIM技術(shù)建模應(yīng)用與數(shù)據(jù)管理集成功能，從工程實(shí)踐中達(dá)到隧道圍巖信息、襯砌開裂與滲水的立體展示效果，直觀輔助精細(xì)化施工，規(guī)避大修施工風(fēng)險(xiǎn)。

【關(guān)鍵詞】：BIM 點(diǎn)云技術(shù) 監(jiān)控量測 可視化展示 數(shù)據(jù)管理集成

一、引言

激光點(diǎn)云技術(shù)最初在機(jī)械、制造行業(yè)運(yùn)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(shí)結(jié)合等技術(shù)結(jié)合【1】。

隧道工程中地質(zhì)復(fù)雜和信息的傳遞缺乏帶來了施工中很難預(yù)測的風(fēng)險(xiǎn)，對施工過程中大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與可視化運(yùn)用，加快信息的實(shí)時(shí)共享，是信息化監(jiān)測發(fā)展的趨勢。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)局限于二維的圖紙，在實(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(yùn)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(shí)仰拱法及多次地質(zhì)預(yù)報(bào)及加固支護(hù)措施，但是仍發(fā)生多次拱頂下沉預(yù)警及地表沉陷，施工進(jìn)度也極度緩慢，為提供隧道實(shí)時(shí)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(yùn)用BIM與點(diǎn)云技術(shù)加快隧道監(jiān)控量測信息化發(fā)展。

三、基于點(diǎn)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(jìn)行站點(diǎn)布設(shè)、靶標(biāo)布設(shè)、掃描之后，對獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后，通過設(shè)計(jì)施工資料、監(jiān)測數(shù)據(jù)信息創(chuàng)建的點(diǎn)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(shí)際隧道模型融入，對現(xiàn)場的施工指導(dǎo)、資料管理、可視化展示帶來了便利。

（一）基于點(diǎn)云隧道BIM模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)圖紙各種斷面類型，創(chuàng)建各種隧道模型部件，達(dá)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(jìn)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10km×4km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(xì)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(yùn)算剖切體得到地質(zhì)體。創(chuàng)建三臺階臨時(shí)仰拱法施工模型，賦予施工模擬時(shí)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(jì)模型與實(shí)際模型的誤差經(jīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)對比找到后整合得到更真實(shí)高精度隧道模型。

（二）基于點(diǎn)云隧道監(jiān)測BIM模型建立

1.必測項(xiàng)目內(nèi)容信息導(dǎo)入BIM模型。把拱頂下沉點(diǎn)、周邊收斂點(diǎn)、地表沉降點(diǎn)的族模型導(dǎo)入建立好的點(diǎn)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(shí)間、掌子面開挖進(jìn)度與測點(diǎn)布設(shè)情況、基于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、有無預(yù)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(jì)與施工的反饋信息。

2.選測項(xiàng)目內(nèi)容信息導(dǎo)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(biāo)導(dǎo)入監(jiān)測模型中，附上缺項(xiàng)整治專項(xiàng)信息，進(jìn)行問題的跟蹤導(dǎo)向。

3.地質(zhì)素描及數(shù)碼成像、裂縫信息導(dǎo)入BIM模型。根據(jù)點(diǎn)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(biāo)簽，主要信息有：掌子面尺寸、涌水狀態(tài)、節(jié)理信息、巖石風(fēng)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(dá)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(diǎn)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(gè)很好的參考和研究基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信息的高效流轉(zhuǎn)與利用，強(qiáng)化了BIM技術(shù)的作用，最大化模型的價(jià)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(jìn)智能化、科技化的隧道監(jiān)控量測向前邁進(jìn)。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(shí)的紐帶【4】。

【參考文獻(xiàn)】：

【1】滕飛.基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)BIM模型研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2016.

【2】劉思佳，馬杭州，李文韜，王文，馬強(qiáng)強(qiáng).基于BIM技術(shù)的隧道施工監(jiān)控量測模型研究[J].公路交通技術(shù)，2018，34（S1）：58-61.

【3】郭世敏，朱大明，王凱.無人機(jī)航測項(xiàng)目實(shí)施中像控點(diǎn)布設(shè)方法探討[J].價(jià)值工程，2016，35（21）：136-139.

【4】祁春輝.淺談三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2017（12）：176-177.

基金項(xiàng)目：本論文獲重慶交通大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助- -《基于激光點(diǎn)云技術(shù)的隧道監(jiān)控量測BIM應(yīng)用研究》 ? 項(xiàng)目編號：CYS18213

作者簡介：李夢城（1993—），男，漢族，四川省開江縣人，在讀碩士，單位：重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，研究方向：隧道建設(shè)的BIM技術(shù)應(yīng)用。