基于BIM技术的的航道水下地形空间监测方案

2021年4月1日
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建筑信息模型(building information modeling,BIM)是以建筑项目的所有相关数据信息为基础,生产并集成三维数字化模型,通过数字信息数据进行仿真,以实现建构筑物实体及功能特性的数字化三维表达,并可基于BIM管理平台实现前期项目策划、实施及后期运营等所有阶段的有效把控,进而达到项目全寿命周期精准管理的目的,实现项目管理增值的最大化。

水下地形的不稳定性始终存在,大多数情况下是持续变化的,水下地形的发育特性和地质构造随时间的变迁而持续演变。由于所处的地质构造和区域位置的差异,航道的水下地形演变呈现出不同的演变规律,可以基于周期性的监测数据分析,进而汇总出航道水下地形的演变特征。如将BIM技术应用于水下地形空间监测,能够使周边环境、水下地形集成在一起,准确表达出工程项目的几何、物理和功能等属性信息,再通过三维建模、渲染等后期操作,更加形象直观地展示区域水下地形自然起伏状况、地形演变特征、水域周边环境要素等信息,提供了一种全新的测量成果展现途径。

基于BIM技术的的航道水下地形空间监测方案

1、BIM的技术特征及应用

1.1技术特征

BIM技术是生成可视化的数字三维建模技术,与CAD不同的是,BIM不仅仅是一款软件,更是一种信息化管理手段,可实现建筑业精细化、管理信息化等。通过数字信息数据进行仿真模拟建构筑物所具备的真实信息属性,并通过三维建构筑物模型,实现特定功能操作,有利于项目的可视化、智能化、精细化建造管理。BIM技术在模型信息层面的特征可简要总结如下。

1)关联性:BIM模型中的对象可以互相识别,信息模型是以结构构件存在的约束关系为原则建立的,其包含了相互关联的可识别对象,系统可分析统计模型信息,并基于统计结果生成特定格式的成果资料。假如改变信息模型中的一个对象,为保障信息模型的完整性,与之关联的所有对象均会随之自动更新。

2)集成性:区别于CAD的二维平面图纸,BIM模型是集成多种信息的项目数据模型,在数据库中以数字形式进行存储,可方便后期共享和更新,实现项目数据模型的可视化,实现各专业基于同一项目数据模型的前期设计及后期效果展示,对于促进完善工程项目全寿命周期管理具有重要的应用价值。

3)一致性:不同阶段的模型信息均是一致的,模型信息的一致性贯穿建构筑物全寿命周期的各个阶段,相同信息无需多次输入,而且模型信息在各个阶段可以进行修改、扩展等编辑,实现信息模型的自动更新演变,可避免信息不一致的问题。

4)协调性:协调性是建筑工程中的重要内容,无论业主还是施工单位及设计单位,均在从事着协调及相关配合工作。BIM的协调性服务可帮助处理因实施过程中遇到的问题,如对各专业的碰撞问题进行协调,生成并提供协调数据,辅助工作人员实现精准管控。

1.2技术应用

目前BIM技术主要有以下7大应用:

1)工程量计算:BIM技术应用可大幅提高预算速度和精度,可以快速地进行招投标、确认分包工程量、审核进度款项等,又可为精准运维管理提供基础数据的支持,进行全寿命成本控制。

2)协同管理:BIM可构建项目信息枢纽,被授权人员可实时获取最新准确数据信息,改变以往点对点的沟通方式,实现一对多项目数据中心,从而降低相互间的沟通误解,改善协同效率。

3)碰撞检查:BIM技术可以自动生成剖面图、平面图以及预留孔洞图等,也可以进行模型碰撞检查,精准指导施工。

4)深化设计:辅助施工班组优化,完整展现施工组织方案。

5)虚拟可视化:BIM技术可呈现虚拟漫游、施工动画,并进行施工方案N-D模拟、可视化交底,及时发现并解决问题。

6)企业级项目基础数据库:BIM技术应用可按进度、区域等多维度统计,实现人、材、机资源计划快速制定和短周期多算对比;面对实施方案的变更,资源计划也可及时的进行相应调整;也可以统筹管理企业级多项目资源,并支持限额领料等。

7)工程档案管理:BIM模型信息可生成工程档案资料库,如与现场影像数据相结合,可用于后期竣工交付等工作,从而使得保修服务更加迅速、降低成本,为物业运行维护带来更高的价值。

2、技术路线

利用Civil 3D进行各个时期航道水下地形测量数据的集成,生成各个时期航道水下地形曲面,并对各个时期地形曲面进行比较分析,进而达到对航道水下地形空间监测的目的,旨在探索一种全新的航道水下地形演变的技术手段。

 

航道水下地形曲面重点基于各个时期实测的水深高程数据进行建立,成果模型的建立需利用Civil 3D的曲面创建功能,将航道工程多源测量数据(单波束测深点数据、多波束测深点云数据、GNSSRTK实测点数据和二维地形图DWG数据)导入Civil 3D中建立地形曲面(图1)。

基于BIM技术的的航道水下地形空间监测方案

图1 航道多源测量数据集成技术路线

依据各个时期构建的航道水下地形曲面模型,基于BIM技术从测量角度研究航道的演变规律和测量周期规划,其成果具体反映在各个时期的航道水下三维地形图上。再利用Civil 3D的数据分析功能进行航道演变规律的空间分析应用,直观展示水下地形演变情况。技术流程见图2。

基于BIM技术的的航道水下地形空间监测方案

图2 航道水下地形空间监测技术流程

3、工程案例分析

3.1工程概况

黑沙洲航道整治二期工程位于安徽省境内,距芜湖市约50km,铜陵市约62km。水道全长14km,上起板子矶,下至高安圩,平面形态为典型鹅头型分汊河道。江中的河道又被划分为南、中、北3个水道,其中南水道是长江下游重点碍航浅水道之一,为现行主航道。

本文基于该工程水下地形测量数据,综合采用多种测量技术手段进行地理信息数据获取,以满足设计、BIM工作的需求,并通过内业处理实现多源测量数据集成,完成航道水下地形曲面模型生成工作。

3.2采集原始测量数据

本航道项目原始测量点数据主要分为陆域部分和水域部分:陆域测量点数据成果主要指GNSSRTK实测点数据文件;水域测量点数据成果包括单波束测深点数据文件和多波束测深点云数据文件。而对于地形较为复杂及需要表现航道局部地区细节特征的重点区域(图3),因GNSSRTK采集的高程点数据过于离散,很难真实展现地形地貌状况,所以考虑将二维地形图DWG格式文件中的等高线、特征点、特征线等高程要素信息进行集成,以精化地形曲面数据,使其生成真实反映航道水下地形起伏特征的地形曲面模型。

基于BIM技术的的航道水下地形空间监测方案

图3 航道重点施测区域影像

3.3创建地形曲面

在Civil 3D中,数字地面模型被称为“曲面”,分为两大类:一种是真正意义上的“曲面”;一种是“体积曲面”。三角网曲面是缺省的曲面类型,它使用不规则三角网(TIN)较为精确的模拟真实地形,曲面的数据均以三角网模式来存储和操作。

使用原始的测量点数据(单波束水深点、多波束点云等)创建航道水下地形曲面是最直接、最准确的技术途径。测量点数据可能表示为图形中的Civil 3D点,也可能记录在外部文本文件中。在使用Civil 3D时,如果能获取测量点数据,可直接基于测量点数据创建地形曲面(图4),此举可避免因通过其他软件进行处理而引入的其他误差。

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图4 航道重点施测区地形曲面

3.4不同时期地形曲面对比

为了更加直观地反映航道水下地形变化,可以用Civil 3D建立各个时期航道水下地形曲面(图5),之后通过软件自带的创建体积曲面功能,对已创建的各个时期航道水下地形曲面模型进行对比计算,并对其进行高程分析(图6)、渲染等可视化编辑操作,使其直观显示航道各个时期地形演变情况。如基于Civil 3D实现各个时期航道水下地形曲面地形实体的构建,又可完成不同时期航道水下地形土方量的统计,从而在可视化、工程量等多角度达到对航道水下地形空间监测的目的。

基于BIM技术的的航道水下地形空间监测方案

图5 不同期航道水下地形曲面

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图6 基于Civil 3D 的各个时期航道地形曲面对比

4、结语

1)应用BIM技术可真实显现各个时期航道水下地形地貌,直观便捷地展现航道水下地形空间演变与时间因素的关系,为研究航道水下地形随时间的变化规律和制定合理的航道水深监测周期提供一种新的技术途径。

2)基于BIM的航道水下地形空间监测方法,为BIM技术应用于航道建设提供参考。

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