广州轨道交通建设监理有限公司 广州 510010
摘要：顺应新兴技术发展趋势，首创BIM系统在轨道交通既有结构保护中全生命周期的应用，希望籍此机会能解决地铁设施保护实际工作中的困难，保护运营安全，并为日后地铁集团公司进行内部管理提及政府等相关行政主管部门加强建设管理提供研究依据。
关键词：轨道交通、地铁保护、地质建模、航拍、三维扫描、BIM
1前言
广州地铁集团根据政府授权，承担着全市地铁保护的责任，我司作为广州地铁设施保护一线工作的主体实施单位，在如此大规模的建设形势下，地铁设施保护责任重大，工作压力倍增，而且近几年威胁地铁结构安全的事件时有发生，如何更为有效地管理及预控地保事件的发生，寻找科学、安全、高效的管理模式和方法是目前急需解决的问题，也是提高城市轨道交通设施保护的监管能力和水平，实现“规范化、标准化、精细化、信息化”的必然趋势和要求。
2国内地铁既有结构保护的业务现状与需求综述
目前，在地铁设施保护外部项目审查过程中，外部项目与地铁结构平面位置关系可通过总平面图相互叠加确定，但由于空间关系不明确，垂直深度及角度则要通过推算，无法达到直观、快捷预判，且还要结合地铁结构健康状况、水文地质条件、地形地貌、周边管线等相关信息进行分析，从而判断外部项目建设对地铁结构的影响。由广州地铁集团有限公司主编、我司参编的广东省标准《城市轨道交通既有结构保护技术规范（征求意见稿）》第8.1.4节中提到，“外部作业影响等级为特级的项目可考虑建立其与城市轨道交通结构的建筑信息共享数字化模型（BIM），集成项目设计、实施全过程和使用等阶段城市轨道交通结构保护的数据、建立城市轨道交通结构保护的动态管理平台。”
综上所述，地下工程相对于常规的地面建筑工程具有复杂性、多样性、隐蔽性及不确定性的特点，技术分析及判断很难做到准确、快速，这些问题一直以来是地保项目审查中的关键与难点。因此，必须要有一套方法能帮助技术人员准确、快速地进行复核、判断，提高工作效率。我们急需建立一个结合地铁空间位置、结构、变形，水文地质、地形地貌、外部管线等信息的数据库，将上述方面建立成数字化模型，实现各个信息环节数字化，使能快速、准确判断外部项目与地铁结构的空间关系和周边地质情况，能够自动综合各种监测数据录入、叠加及分析的系统，实时掌握现场相关信息收录、储存、传输、导出等，快速反应，控制相互的安全距离，为精确办案、提高工作效率提供有力支持，确保地铁结构及运营的安全，在此，我们将采用BIM技术并结合激光三维扫描、三维地质建模、航拍等技术解决困扰地保项目中的相关问题。建筑信息模型（Building Information Model，BIM）是对建筑全生命期各种工程信息的数字化表达[1]，旨在实现建筑业各阶段之间、各参与方之间的高效信息共享[2]，为面向建筑全生命期的性能分析和集成管理提供数据支持。三维地质建模已在区域地质调查、矿产资源勘查、数字矿山、城市地质、水文地质、工程地质、环境地质等诸多领域得到初步应用。三维激光扫描技术又称为实景复制技术。通过对地铁轨行区的三维激光扫描，可以获取轨行区表面直观、真实、准确的三维数据，通过数据分析可以真实的反应出轨行区的现有状况，对保护地铁的现有结构和BIM系统运维期的管理有一定的作用。
3项目概况
3.1项目背景
既有运营线路内选取一站一区间，所选试验段区间正线隧道全长1371.2m，起始里程YDK1+497.1，终点里程YDK2+868.3，出入段线全长520m。
4 研究与应用成果
4.1系统整体架构设计
4.1.1 CS架构设计
由于BIM模型需要以三维图形作为最基本的表现，对客户端的图形表现有较强的需求，且三维模型数据量极其巨大，模型变换和渲染所需要的计算量也很大，无法全部放在服务器端处理。此外，在统计分析等需要图表进行显示方面，CS结构的客户端表现能力更加符合BIM浏览与模型管理的要求。
4.1.2 物理结构设计
由于本项目涉及管理过程的各相关单位，因而系统物理结构设计需同时支持通过互联网或内网的访问，所以将数据存储的物理结构设计为二级存储模式。
4.2 隧道建模
隧道建模包括管片、轨道、道床、枕木、百里标、里程标等构件。其中，管片为1.5米为一环，一环有六片；轨道为15米为一段，包括了道床、钢轨、枕木等构件。本项目根据隧道建成的规律，研发了一种隧道自动建模软件。该软件利用轨道中心线数据，根据管片、轨道的排布规律，自动建立隧道模型，再通过人工复测，修正错误的区域，从而保证模型与实际的一致性。
4.3 周边管线建模
周边管线建模是以市管线数据为基础，将二维的管线数据变成三维的管线模型，同时将数据信息传递到模型当中。由于隧道周边的管线错综复杂，手动建模方式非常耗时。因此，项目开发了一个自动隧道管线建模的软件，自动提取CAD图纸信息，并根据图纸内的管线信息生成三维的管线模型，通过该方法来建模，对于几公里长的隧道模型只需十几分钟就能够快速生成，同时将管线信息传递到模型中，极大的提高了建模速度，本项技术对于市政管线的三维信息化可发挥很大的作用。
4.4 地质水文建模
对于地质水文建模，前人已做了相应的研究，对此，本项目研究了一种基于Revit的自动地质建模软件。该方法是将钻孔剖面图和钻孔布置信息提取到excel中，再利用Visual Studio在Revit中进行开发，将三角面剖分算法与三维建模算法相融合，自动根据统计的地层信息生成模型，实现的技术思路如下图所示
通过该方法建模，只需要统计地质层信息。当需要增加钻孔信息时，只要在excel中添加相应的地层信息即可自动生成。由于该方法是代码自动建模，减少了手动建模的错误概率，生成的模型精确度更高。
4.5 激光三维扫描
利用轨行区内已有的控制点布设导线控制网，扫描隧道长1371.2米，加密布设8个控制点，扫描区域整体划分为四个小区域，确保每个区域内有两个控制点。控制点布设完成后，开始进行轨行区扫描作业，扫描使用拓普康GLS2000型三维激光扫描仪，该型扫描仪具有类似全站仪的后视定向功能，在已经布设好的控制点上完成设站后视定向后进行扫描作业，并逐步推进，根据现场情况，需要加密扫描的地方，先使用全站仪支导线加密控制点，再进行扫描作业。这样可以确保整条隧道扫描后的点云精度满足要求。
4.6 航拍
照片建模技术，是指通过相机等设备对物体进行采集照片，经计算机进行图形图像处理以及三维计算，从而全自动生成被拍摄物体的三维模型的技术，属于三维重建技术范畴。
4.6.1 无人机倾斜摄影测量
使用小型无人机进行航拍，保证比较高的重叠率，便于进行正射及倾斜摄影数据处理。处理后的数据成果如下：
主要解决的问题：1）因为建模范围没有现势性较新的数字线划图及建筑高度，导致三维建模没有依据。2）无人机从空中拍摄，视野宽阔，解决及补充地面采集工具无法进入的问题。
4.6.2 现场照片采集及3DMAX二次建模
无人机倾斜投影测量的三维成果尚不能满足数字城市三维建模要求，所以需要在此基础上进行二次建模。
1）现场照片采集。无人机斜投影测量的三维成果的一个重要不足是建筑侧面纹理像素较低，无法渲染出美观的效果，所以针对这种情况，需要现场采集建筑侧面照片，重新处理模型的纹理。
2）3DMAX二次建模。在无人机斜投影测量的三维成果的基础上，使用3DMAX进行二次建模，重新处理纹理。
4.7 模型整合
模型整合阶段，根据图纸的定位信息，将车站模型、隧道模型、隧道周边管线模型、车站地质模型和隧道区间地质模型和进行整合。整合后的模型如下图所示，其中为方便显示整体效果，已将地质模型进行半透明处理，该模型包括了车站信息、隧道信息、管线信息和地质信息，为进一步建立BIM系统提供数据支持。
5 结语
“BIM系统在地铁既有结构保护中的研究与应用”，为地铁外部项目审查提供可视化、信息化的管理方法和手段，为精确办案、提高工作效率提供有力支持，探索新的方法和技术。研究成果为下阶段的地铁既有结构保护基于BIM技术的应用提供有益的探索和实践。
参考文献：
[1] 王志杰，马安震.BIM技术在铁路隧道设计中的应用[J].施工技术，2015（18）：59-63.
[2] 李君君，李俊松，王海彦.基于BIM理念的铁路隧道三维设计技术研究[J].现代隧道技术，2016，53（1）：6-10.
论文作者:张伟忠
论文发表刊物:《基层建设》2016年第34期
论文发表时间:2017/3/22
标签：建模论文; 模型论文; 隧道论文; 管线论文; 地铁论文; 地质论文; 结构论文; 《基层建设》2016年第34期论文;