BIM+GIS技術(shù)在鐵路山嶺隧道中的應(yīng)用

譚新

摘 要：為實(shí)現(xiàn)隧道施工裝備在施工過程中的數(shù)字化和信息化管理，以鄭萬鐵路高家坪隧道工程為例，利用BIM+GIS技術(shù)，搭建了鐵路隧道施工裝備模型和施工場景模型。依托鐵建重工自主研發(fā)的智能互聯(lián)裝備大數(shù)據(jù)協(xié)同管理平臺，探索出了一種適用于山嶺隧道工程多源模型在平臺端的融合搭載技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了基于BIM+GIS模型在平臺端的信息化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：BIM+GIS；鐵路山嶺隧道；隧道施工裝備；信息化應(yīng)用

中圖分類號：U452.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）02-0116-03

0 引言

傳統(tǒng)的BIM平臺（主要是Autodesk軟件平臺和Bently軟件平臺）能夠有效解決規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等技術(shù)難題，但難以適應(yīng)信息化管理的發(fā)展需求。通過將BIM+GIS技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，不僅能充分發(fā)揮BIM技術(shù)強(qiáng)大的可視化功能，還能利用大數(shù)據(jù)平臺可以對施工過程的進(jìn)度、質(zhì)量、成本、安全等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集反饋，大大提升信息化管理水平。

目前，隧道工程在BIM技術(shù)應(yīng)用方面，徐博[1]基于Autodesk軟件平臺探索鐵路隧道在設(shè)計(jì)階段的BIM技術(shù)應(yīng)用；賈斯博等[2]基于Autodesk軟件平臺，實(shí)現(xiàn)了地鐵隧道GIS與BIM模型的融合。在基于BIM+GIS技術(shù)對在平臺端的應(yīng)用進(jìn)行研究方面，王超等[3]基于隧道BIM自動化建模技術(shù)并結(jié)合GIS加物聯(lián)網(wǎng)手段，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目在隧道施工綜合管理平臺上的應(yīng)用；戴林發(fā)寶等[4]針對不同設(shè)計(jì)階段，基于BIM+GIS模型實(shí)現(xiàn)了在管理平臺端進(jìn)行應(yīng)用。

然而，對于隧道裝備制造型企業(yè)來講，以上研究主要是針對隧道施工場景的應(yīng)用，如何實(shí)現(xiàn)隧道裝備在施工過程中的信息化應(yīng)用才是重點(diǎn)。本文以高家坪隧道工程為例，探索隧道施工裝備在施工過程中基于BIM+GIS技術(shù)在平臺端的信息化應(yīng)用。

1工程概況

高家坪隧道位于湖北省襄陽市南漳縣，屬于鄭萬高鐵線的重要組成部分。隧道為山嶺隧道，起訖里程為DK449+037～DK454+535，全長5 498 m，是一座單洞雙線隧道。工程區(qū)域地質(zhì)條件差，施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高，隧道涉及的地層主要為志留系頁巖，巖性較軟，圍巖自穩(wěn)型較差，且該區(qū)段范圍內(nèi)的二疊系長興組碳質(zhì)夾煤線層含有瓦斯等有害氣體。

針對工程區(qū)域的地質(zhì)條件，本工程采用鉆爆全斷面施工方法，隧道為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式，隧道施工裝備為企業(yè)自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)的鉆爆法成套化智能裝備產(chǎn)品。

2 三維模型搭建

為了真實(shí)動態(tài)映射隧道施工裝備的作業(yè)過程，需分別搭建高保真隧道施工裝備模型和作業(yè)場景模型。下面將分別針對兩類模型建模方法進(jìn)行介紹。

2.1 隧道施工裝備模型

智能型三臂鑿巖臺車（ZYS113）具有智能精確定位、高效鉆孔、超前地質(zhì)分析、高度信息化等優(yōu)點(diǎn)，是高家坪隧道的主要施工智能裝備之一。以該智能型三臂鑿巖臺車為例，對隧道施工裝備模型處理方法進(jìn)行介紹。

2.1.1模型輕量化處理

智能型三臂鑿巖臺車模型是以企業(yè)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的1：1三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，為了使臺車模型在平臺端的加載運(yùn)行流暢，在不影響整機(jī)外觀和運(yùn)動仿真的情況下，對模型進(jìn)行輕量化處理，如減去臺車的驅(qū)動機(jī)構(gòu)、液壓缸、緊固螺栓、螺母、定位銷等零部件。

2.1.2模型的拆分

按照臺車的運(yùn)動功能進(jìn)行分類，整機(jī)模型可拆分為5大部件。單個(gè)部件又可按照關(guān)節(jié)間運(yùn)動學(xué)關(guān)系進(jìn)行拆分成基礎(chǔ)構(gòu)件，并對其進(jìn)行命名，如表1所示。

2.1.3模型重組與DH建模

基礎(chǔ)構(gòu)件按照運(yùn)動關(guān)節(jié)的裝配關(guān)系進(jìn)行重組，得到“零位”狀態(tài)下整機(jī)裝配體。通過機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的DH建模方法，建立基礎(chǔ)構(gòu)件的坐標(biāo)系，得到臺車每個(gè)基礎(chǔ)構(gòu)件的6個(gè)坐標(biāo)參數(shù)，分別為位置參數(shù)（x，y，z）和旋轉(zhuǎn)參數(shù)（R，P，Y）。將帶有坐標(biāo)系的基礎(chǔ)構(gòu)件進(jìn)行材質(zhì)渲染和格式轉(zhuǎn)換，得到平臺端能夠加載的臺車基礎(chǔ)構(gòu)件模型。

2.2 隧道場景模型

隧道裝備施工場景模型分為地形模型、地質(zhì)模型和隧道模型。下面將分別對場景模型搭建方法進(jìn)行介紹。

2.2.1地形模型

地形模型可以真實(shí)地反映出工程區(qū)域的地形地貌。通過獲取高家坪隧道附近的地形高程數(shù)據(jù)和地形影像，利用Civil3D將地形高程數(shù)據(jù)生成地形曲面模型，利用Infraworks，設(shè)置好定位坐標(biāo)系，導(dǎo)入地形曲面模型和地形影像，生成帶地形影像的地形模型，然后導(dǎo)出到Navisworks進(jìn)行輕量化處理，通過格式轉(zhuǎn)換插件，得到平臺端能夠加載的地形模型。

2.2.2地質(zhì)模型

依據(jù)高家坪隧道的線路數(shù)據(jù)、勘察的地質(zhì)剖面圖紙、地形曲面、隧道橫斷面設(shè)計(jì)圖紙資料，采用三維地質(zhì)軟件，分別生成巖性地質(zhì)模型和圍巖分級兩種隧道開挖地質(zhì)三維模型，通過格式轉(zhuǎn)換插件，得到平臺端能夠加載的地質(zhì)模型。

2.2.3隧道BIM模型

依據(jù)高家坪隧道復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)圖紙，采用Revit平臺，按照隧道施工工序，建立不同隧道圍巖等級的隧道族庫模型，包括自適應(yīng)隧道結(jié)構(gòu)族、錨桿族、拱架族、附屬設(shè)備族等，并給族模型添加屬性信息，優(yōu)選包括起始里程、終止里程、襯砌類型、圍巖等級等信息。

采用Dynamo+Revit，沿著線路生成隧道設(shè)計(jì)BIM模型，通過格式轉(zhuǎn)換插件，得到平臺端能夠加載的隧道BIM模型。

3平臺端信息化應(yīng)用

隧道施工裝備模型和作業(yè)場景模型搭建完成后，采用企業(yè)自主研發(fā)的智能互聯(lián)裝備大數(shù)據(jù)協(xié)同管理平臺進(jìn)行集成應(yīng)用。

3.1 模型輕量化管理與展示

在平臺端，通過集成BIM+GIS模型，模型可以自動定位到工程所處的地理坐標(biāo)位置，可視化展示工程區(qū)域周邊的地形地貌；平臺具有屬性查看功能，選擇單個(gè)構(gòu)件模型，可以實(shí)時(shí)查看構(gòu)件的屬性信息，如構(gòu)件的起止里程、構(gòu)件類型、圍巖等級等信息；平臺還具有漫游功能，可以沿著隧道設(shè)計(jì)線路掌握隧道施工建造的情況，如圖1所示。

3.2 裝備定位與狀態(tài)監(jiān)控

臺車上裝有激光掃描儀、角度傳感器和位移傳感器，能夠分別獲取臺車精確定位數(shù)據(jù)、運(yùn)動關(guān)節(jié)的俯仰角度和伸縮行程，并生成臺車日志數(shù)據(jù)上傳到平臺端。因此，在平臺端按照DH坐標(biāo)系加載臺車基礎(chǔ)構(gòu)件模型并實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)臺車上傳的日志數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)系的齊次變換矩陣換算，就可實(shí)現(xiàn)臺車模型的驅(qū)動。

平臺端的臺車姿態(tài)真實(shí)的反映了臺車在隧道施工過程的位置和運(yùn)動狀態(tài)，從而保證了監(jiān)控的有效性，如圖2所示。

3.3 超前地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)識別

根據(jù)原始地質(zhì)勘察資料，生成的設(shè)計(jì)地質(zhì)模型，包括巖性和圍巖分級隧道開挖地質(zhì)模型，這兩種模型可以在平臺中根據(jù)需求自動切換，默認(rèn)狀態(tài)為圍巖分級隧道開挖地質(zhì)模型。

根據(jù)原始地勘設(shè)計(jì)資料，隧道BIM模型的爆破面將按照里程區(qū)間段添加不同圍巖等級顏色，在有破碎層、瓦斯等有害地質(zhì)層的里程進(jìn)行地質(zhì)病害信息提示，初步對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別，對施工人員和裝備安全起到了預(yù)警作用。當(dāng)隧道掌子面施工獲取得到圍巖等級信息，通過日志數(shù)據(jù)反饋給平臺端，通過比對原始地質(zhì)圍巖等級，若圍巖等級發(fā)生變化，平臺端將動態(tài)改變相應(yīng)里程下的隧道BIM模型爆破面顏色和隧道BIM模型，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型和隧道BIM模型動態(tài)更新。

3.4 隧道施工進(jìn)度管理

平臺端隧道為實(shí)體BIM模型，根據(jù)不同隧道施工裝備上傳至平臺端的定位數(shù)據(jù)，可知當(dāng)前工區(qū)隧道施工進(jìn)度情況，將隧道不同工序下的構(gòu)件族模型與實(shí)際施工里程線路數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，生成沿隧道線路的實(shí)體隧道模型。因此，可以用來動態(tài)反映隧道施工的進(jìn)度情況。

4結(jié)語

目前，BIM+GIS技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)協(xié)同管理平臺在高家坪隧道工程中的應(yīng)用，探索出了一條多源BIM+GIS模型融合搭載的技術(shù)路線，初步實(shí)現(xiàn)了隧道施工裝備在平臺端的可視化、數(shù)字化和信息化管理。下一步擬將結(jié)合傾斜攝影等技術(shù)搭建更加精細(xì)化的隧道施工場景模型，高保真還原施工作業(yè)現(xiàn)場。同時(shí)，在平臺端通過隧道施工裝備數(shù)字模型來驅(qū)動施工現(xiàn)場臺車，實(shí)現(xiàn)施工裝備的數(shù)字孿生等，以提升企業(yè)的隧道施工裝備產(chǎn)品在施工過程的信息化管理水平。

參考文獻(xiàn)

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[3] 王超，周磊生，徐潤，等.BIM施工綜合管理平臺在隧道工程中的應(yīng)用研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020， 39（9）：74-79.

[4] 戴林發(fā)寶，薛光橋，李海亮.基于CAD/BIM+GIS技術(shù)的江陰靖江長江隧道設(shè)計(jì)[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2020（4）：140-145.