國(guó)家高山滑雪中心工程BIM與GIS融合應(yīng)用

李北超 金大春 侯廣斌 潘江津 王生文 孟 陽(yáng)

(北京城建集團(tuán)有限責(zé)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(yùn)動(dòng)會(huì),建設(shè)符合國(guó)際雪聯(lián)和國(guó)際奧委會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家高山滑雪中心成為冬奧工程的重中之重,因國(guó)內(nèi)缺少設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn),國(guó)外也沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和施工標(biāo)準(zhǔn),建設(shè)難度極大,備受關(guān)注[1-2]。如何節(jié)約成本,優(yōu)質(zhì)、高效地建設(shè)本工程,是建設(shè)者遇到的極大挑戰(zhàn)。

1 延慶2022冬奧會(huì)國(guó)家高山滑雪中心工程概況

國(guó)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(diǎn)海拔2 198 m,山體落差超過(guò)900 m,坡度最大達(dá)到60%。起點(diǎn)位于山頂最高處,終點(diǎn)在海拔約1 300 m處,是目前國(guó)內(nèi)落差最大的雪道。運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行一次完整比賽將要體驗(yàn)近900 m的高空落差,這是冬奧會(huì)系列工程中難度系數(shù)最高的工程之一。北京城建集團(tuán)施工總承包的北京2022年冬奧會(huì)國(guó)家高山滑雪中心一標(biāo)段工程已完成竣工驗(yàn)收。該工程總建筑面積約47 097 m2,主要包括兩條競(jìng)賽滑雪賽道和多個(gè)建筑單體(山頂平臺(tái)、集散廣場(chǎng)、中間平臺(tái)、競(jìng)技結(jié)束區(qū))、索道以及附屬設(shè)施；看臺(tái)可同時(shí)容納約8 000人觀看比賽；賽項(xiàng)涉及男女超級(jí)大回轉(zhuǎn)、滑雪速降等滑雪項(xiàng)目。項(xiàng)目概況示意見圖1。

圖1 延慶冬奧會(huì)國(guó)家高山滑雪中心項(xiàng)目示意圖

2 工程特點(diǎn)、難點(diǎn)

高山滑雪中心位于延慶區(qū)小海坨山南麓,松山森林公園內(nèi),植被茂密；全年多風(fēng),夏秋季節(jié)常有雷陣雨,偶有暴雨；施工區(qū)氣候多變,冬季干燥、寒冷,本施工區(qū)域冬天全天氣溫都會(huì)處于零度以下,山頂氣溫有時(shí)會(huì)降至-30℃以下[3]。進(jìn)入施工區(qū)僅有一條臨時(shí)道路且狹窄、泥濘,經(jīng)常堵車數(shù)小時(shí),運(yùn)輸極其困難,同時(shí)工期緊張,受地形起伏影響,作業(yè)面無(wú)法大面積展開,手機(jī)信號(hào)極差,對(duì)講機(jī)也受山體影響,通信距離較短,人員之間經(jīng)常遇到無(wú)法聯(lián)系的情況。

其中,競(jìng)速雪道由上下兩段(C1+B1)雪道組成,主要承擔(dān)滑降與超級(jí)大回轉(zhuǎn)的比賽。雪道位于用地的中軸對(duì)角線上,起點(diǎn)高程2 179 m,終點(diǎn)高程1 285 m,垂直落差894 m,平均寬度40 m,坡面長(zhǎng)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(jìng)速雪道緩沖區(qū)長(zhǎng)度140 m,最寬處130 m,坡度5%,場(chǎng)地面積約1.26×104m2,需滿足賽事各項(xiàng)綜合需求。競(jìng)速雪道是施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

面對(duì)以上困難,此工程就不同于常規(guī)的公共建筑工程,優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要,尤其是雪道、建筑位置設(shè)計(jì)直接影響到土方填挖方量的多少,大量土方運(yùn)輸明顯無(wú)法實(shí)現(xiàn),因此,通過(guò)地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)+建筑信息建模(building information modeling,BIM)的方式對(duì)雪道、山體建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行大量的優(yōu)化,盡可能使各區(qū)域自身達(dá)到土方平衡。

3 BIM與GIS融合技術(shù)

3.1 技術(shù)路線選取

如何充分利用GIS和BIM技術(shù),解決本工程遇到的技術(shù)難題,是本文著力解決的問(wèn)題。通過(guò)無(wú)人機(jī)測(cè)繪獲得的地形成果屬于GIS數(shù)據(jù),而山地建筑、雪道的設(shè)計(jì)模型成果屬于BIM數(shù)據(jù),如何將兩者結(jié)合在一起,并用于解決工程的實(shí)際困難呢？為此,必須找到它們的共同點(diǎn),即互相可識(shí)別的相同的數(shù)據(jù)格式。

通過(guò)分析選用GIS平臺(tái)可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式,主要有shp、obj、3ds、skp、osgb等；冬奧會(huì)的雪道和附屬建筑主要以BIM模型呈現(xiàn),以建筑信息建模軟件(Revit)為設(shè)計(jì)平臺(tái),其可導(dǎo)出的數(shù)據(jù)格式主要有fbx、dwg、dxf、dgn等格式。通過(guò)測(cè)試,即使GIS平臺(tái)與BIM平臺(tái)都有相同的數(shù)據(jù)格式,將BIM模型導(dǎo)入GIS平臺(tái)后,模型的某些數(shù)據(jù)也會(huì)丟失,如材質(zhì)和紋理[4]。GIS平臺(tái)要有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,自動(dòng)化、智能化程度高。因此,選擇的技術(shù)方案如下:

方案1,要求GIS轉(zhuǎn)為Revit軟件可識(shí)別和應(yīng)用的數(shù)據(jù)格式,其中,AutoCAD的dwg格式可載入,并可形成BIM的場(chǎng)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(zhuǎn)換成GIS平臺(tái)可接受的數(shù)據(jù)格式。通過(guò)研究GIS可接受的模型類型,其中obj、3ds、skp是可導(dǎo)入的BIM模型。再分析Revit導(dǎo)出的模型類型(含材質(zhì)屬性),并沒有GIS可接受的類型。經(jīng)過(guò)比選和分析多個(gè)軟件,采用3dmax軟件作為中間轉(zhuǎn)換平臺(tái),將Revit模型轉(zhuǎn)換成obj、3ds兩種模型之一[5]。轉(zhuǎn)換流程見圖3。

圖3 方案2流程

3.2 轉(zhuǎn)換過(guò)程

(1)采用Revit讀取BIM模型,導(dǎo)出格式為fbx格式模型。

(2)采用3dmax軟件導(dǎo)入fbx格式模型,檢查材質(zhì)是否齊全,再導(dǎo)出obj格式模型或3ds格式模型。

(3)打開GIS平臺(tái),導(dǎo)入OSGB場(chǎng)地三維傾斜攝影模型。

(4)在GIS平臺(tái)導(dǎo)入obj模型或3ds模型,并定位到準(zhǔn)確位置。

(5)利用GIS平臺(tái)的強(qiáng)大分析功能,進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、分析,獲取工程所需的數(shù)據(jù)。

4 BIM與GIS數(shù)據(jù)融合應(yīng)用

首先利用無(wú)人機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地貌進(jìn)行航測(cè),經(jīng)Pix4Dmapper軟件處理后生成點(diǎn)云數(shù)據(jù),三維場(chǎng)地模型[3],通過(guò)Civil 3D將點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成原地貌曲面,進(jìn)而通過(guò)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(guò)Revit軟件將高山滑雪各區(qū)域主建筑物、附屬設(shè)施、雪道等進(jìn)行設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化,生成各單體BIM基礎(chǔ)模型[6]，見圖5。

圖5 山頂索道站房BIM模型

BIM與GIS數(shù)據(jù)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(chǎng)地

圖7 將雪道模型融合于GIS平臺(tái)中

4.1 BIM與GIS融合應(yīng)用于雪道優(yōu)化

高山滑雪雪道的設(shè)計(jì)要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形和地質(zhì)情況,減少施工難度,從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā),遵循可持續(xù)發(fā)展的原則,盡量減少土方量及支擋防護(hù)。高山滑雪中心雪道深化設(shè)計(jì)則是在此原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,解決雪道與各建筑物的連接關(guān)系,雪道與實(shí)際地形關(guān)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(diǎn)坡度等參數(shù)。利用橫斷面工具設(shè)計(jì)雪道寬度,同時(shí)利用GIS地理信息模型通過(guò)量距、高度測(cè)量、面積測(cè)量、土方(體積)測(cè)量、提取高程點(diǎn)等方法,并進(jìn)行通視分析,可視域分析,結(jié)合放坡工具,優(yōu)化雪道填方與原地貌的吻合程度,對(duì)土方的合理利用進(jìn)行有效規(guī)劃,最終方案使雪道土方達(dá)到自身平衡,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工[7]。

通過(guò)GIS和BIM模型的融合,進(jìn)行雪道方案的最優(yōu)深化,例如，雪道里程樁號(hào)C1_K1+060～C1_K2+040段較原設(shè)計(jì)高程整體提高3 m后,根據(jù)縱向斷面圖、橫向斷面圖計(jì)算出此段挖土方量比優(yōu)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(jìng)技結(jié)束區(qū)及其他區(qū)域的土石方回填,完全實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)優(yōu)化

4.2 BIM與GIS融合應(yīng)用于山頂建筑位置優(yōu)化

在Revit中,利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成原地貌曲面,對(duì)場(chǎng)地地形曲面進(jìn)行精確建模,然后導(dǎo)入山頂站房BIM模型,整合于場(chǎng)地BIM地形模型。將建筑模型在地形模型中平移、升降,不斷調(diào)試,反復(fù)計(jì)算土方平衡點(diǎn),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(dá)到平衡,形成最終深化方案指導(dǎo)施工。見圖9、圖10。

圖9 山頂建筑優(yōu)化前

圖10 山頂建筑優(yōu)化后

4.3 基于BIM+GIS的復(fù)雜山地的雪道和邊坡防護(hù)與監(jiān)測(cè)

由于雪道較陡,項(xiàng)目土方工程量較大,護(hù)坡施工較多,而且山地環(huán)境降雨較多,易發(fā)生滑坡等安全事故。為保證施工過(guò)程中的安全,項(xiàng)目基于現(xiàn)有BIM+GIS技術(shù)結(jié)合全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)監(jiān)測(cè)技術(shù),組成一套邊坡安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8],對(duì)施工范圍內(nèi)重點(diǎn)高邊坡在GIS場(chǎng)景下精確定位,同時(shí)利用GNSS監(jiān)測(cè)站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9],這樣,對(duì)重點(diǎn)部位的變形情況可實(shí)時(shí)掌握,一旦預(yù)警,可及時(shí)采取措施和組織人員撤離；根據(jù)坡度測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)雪道采取了橫向防滑移擋墻、排水措施,邊坡采取鐵絲網(wǎng)防護(hù)和GNSS監(jiān)測(cè),并植草固化雪道[10]。見圖11。

圖11 雪道綜合防護(hù)系統(tǒng)

4.4 匯水分析

本工程充分利用GIS空間數(shù)據(jù)模型+Civil3D軟件,分析匯水面積,匯水流徑,確定匯水集中區(qū)域,災(zāi)害易發(fā)區(qū)域,精確計(jì)算雨水流經(jīng)流向,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)排水設(shè)施和防洪設(shè)施的布置[11]。以GIS空間數(shù)據(jù)模型+氣象信息,模擬最不利環(huán)境下的洪水分析,科學(xué)規(guī)劃合理布置逃生通道、避難點(diǎn)、逃生路線。在施工現(xiàn)場(chǎng)各區(qū)域,粘貼醒目的二維碼應(yīng)急避險(xiǎn)逃生位置導(dǎo)引,在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)位置生成當(dāng)前位置逃生路線圖,導(dǎo)引現(xiàn)場(chǎng)人員前往最近的避難點(diǎn)[12]。并且,通過(guò)班前教育等形式向施工人員普及防汛逃生知識(shí)[13-15]。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(jìn)行了數(shù)據(jù)融合,BIM彌補(bǔ)了GIS中的精細(xì)化建筑信息數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了信息共享,更好地協(xié)調(diào)空間關(guān)系,增強(qiáng)了信息分析處理的能力。BIM與GIS融合應(yīng)用極大地豐富了設(shè)計(jì)和施工的方法,利用GIS系統(tǒng)的空間分析模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工方案模擬和評(píng)估,可以對(duì)設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行合理的優(yōu)化[11]。國(guó)家高山滑雪中心應(yīng)用該方法,優(yōu)化了工程設(shè)計(jì)和施工方案,達(dá)到了土方平衡和資源節(jié)約的目的,山地環(huán)境和植被得到很好的保護(hù),對(duì)降低工程建設(shè)成本、加快施工進(jìn)度起到很好的作用。

BIM與GIS融合應(yīng)用前景廣泛,今后在城市規(guī)劃、智慧城市建設(shè)、環(huán)境模擬、災(zāi)害預(yù)警、國(guó)土安全、車輛人員和移動(dòng)導(dǎo)航等方面還應(yīng)有更大的發(fā)展和應(yīng)用空間。