基于CAD/BIM+GIS技术的江阴靖江长江隧道设计

戴林发宝，薛光桥，李海亮

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

0 引言

过去10年，隧道BIM技术取得长足发展，隧道各大工法涌现出大量BIM应用实例。BIM技术关注点从早期的建模、可视化应用转变为协同设计和全生命周期管理，BIM技术发展到一个全新阶段。然而，当前BIM技术发展遇到新瓶颈，主要表现在：虽然BIM具有完善的内部信息、精密的构件关系、注重细节技术，但缺乏大场景展示、地理空间分析等宏观功能。GIS技术作为地理大场景管理分析技术可弥补BIM技术的不足。因此BIM+GIS集成及应用是BIM技术下一步发展的必然趋势。

近年来，越来越多的学者对BIM+GIS集成方法进行了广泛研究。Karan等［1］为解决建筑信息模型和地理信息系统之间的信息共享，研究使用Web技术确保现有的BIM和GIS模型之间的相互操作；Yamamura等［2］提出一种基于GIS+BIM的城市能源规划体统；Borrmann等［3］提出将多尺度表示与BIM模型相结合的概念，重点研究盾构隧道的几何语义建模，讨论IFC的潜在扩展，以纳入盾构隧道的多尺度表示；汤圣君［4］提出IFC到CityGML的几何及语义映射规则；赵霞等［5］提出欧特克Revit模型到CityGML模型的转换方法；吕慧玲等［6］提出一种从BIM模型到多层次细节GIS模型的完整转换方法；范登科［7］提出以数据格式转换为核心的BIM模型跨GIS模型集成方法；倪苇［8］提出基于CityMaker平台的BIM、GIS模型集成方法；陈光等［9］提出基于CityGML的道路模型和GIS数据的集成方法；蔡文文等［10］提出SuperMap软件集成IFC模型的技术。以上研究为BIM+GIS技术工程应用打下坚实的基础。

BIM+GIS技术工程应用目前主要集中在建造阶段，在勘察设计阶段的应用研究较少。赵飞［11］将BIM+GIS技术引入高速公路地质勘察；柳婷［12］通过建立实景三维模型，应用BIM+GIS技术辅助轨道交通规划设计；王强［13］将BIM+GIS技术应用于桥梁的初步设计，以江阴靖江长江隧道工程为例，探讨CAD/BIM+GIS技术在隧道工程设计中的应用。

1 工程概况

江阴靖江长江隧道工程北起靖江公新公路，沿城西大道向南，采用盾构隧道形式穿越长江至江南岸江阴市，下穿滨江路后沿西外环路布设，止于芙蓉大道。工程路线全长约12.4 km，其中隧道段长约6.4 km，设置S356互通、滨江路地下互通和芙蓉大道互通共3座互通立交，并在公新公路和人民路设置2座出入口匝道。主线收费站设置在江北靖江侧公新公路与S356公路之间。工程采用高速公路标准兼具城市快速路功能，设计时速80 km，双向6车道。

江阴第二过江通道工程长江隧道由长约725 m的江北明挖隧道，长约4.9 km、直径15.5 m的盾构隧道及长约800 m江南明挖隧道组成，明挖隧道包含江北和江南各1座长25 m的盾构工作井。

工程场区由多层场地土构成，覆盖层主要为软塑-硬塑粉质黏土、淤泥质粉质黏土、松散-密实粉土、粉细砂、密实含砾中粗砂等，不良地质主要为饱和砂土液化和浅层气，场区特殊性岩土主要为填土、软土、钙质胶结物、风化岩。江阴靖江长江隧道工程方案见图1。

图1 江阴靖江长江隧道工程方案

2 CAD+GIS技术在规划、工可阶段应用

在规划、工可阶段，设计内容主要依据设计条件，建立设计目标与设计环境的基本关系，提出线路总规划、各段落结构方式的初步解决方法等，为后续若干阶段的工作提供依据及指导性文件。

本阶段GIS模型主要采用卫星影像、航空摄影测量生产的地形图和数字正射影像建立。

通过将GIS模型数据导入至设计选线软件中，直观展示线路方案与工程环境及相关控制因素之间的关系。

基于GIS模型的选线设计，使设计可以直观、充分地考虑线位与规划的适应性、对涉水设施的影响、接线条件及对环境的影响等。当有多个比选方案时，可以将多个方案同时集成至GIS模型中展示，直观展示各论证方案的优缺点。江阴靖江长江隧道工程设计过程中将2个方案导入至GIS平台进行展示比选，CAD+GIS技术在规划和可研阶段选线中的应用见图2。

3 BIM+GIS技术在初步设计、施工图阶段应用

到初步设计、施工图阶段，工作进入细化设计阶段，可行性研究的设计内容不会有太大改动。这一阶段将建立精细化BIM模型和三维GIS模型，并将二者融合应用于设计。

图2 CAD+GIS技术在规划和可研阶段选线中的应用

3.1 GIS模型建立

GIS模型可准确反映工程周边的三维地表环境，建立GIS模型的主要方法有摄影、激光雷达、倾斜摄影测量等，其中倾斜摄影测量以精度高、模型逼真直观等优势，成为目前的主流方法。

建立倾斜摄影模型流程：航空摄影→像控测量→空中三角测量（简称空三测量）→三维建模（见图3）。

图3 建立倾斜摄影模型流程

（1）航空摄影。为建立江阴靖江长江隧道工程的三维GIS模型，采用飞马V100垂直起降固定翼飞机搭载专业倾斜摄影模块进行倾斜摄影。航空摄影地面分辨率设定为5 cm，覆盖工程左右各500 m，航飞重叠度按航向80%、旁向70%设计。倾斜摄影无人机见图4。

图4 倾斜摄影无人机

（2）像控测量。为了将三维GIS模型准确统一到工程坐标系下，需实施控制测量。像控测量采用GPSRTK技术，按1 km/对的密度施测，像控点选在空旷、特征反差明显的位置，影像清晰可见。RTK测量精度平面优于2 cm，高程优于5 cm。像控测量见图5。

图5 像控测量

（3）空三测量。在航空摄影和像控测量完成后，将原始航片和像控点输入至Photoscan软件，通过光束法平差，计算得到每张像片准确的内外方位元素。检验空三测量精度的方法是检验检查点，在工程现场共测量20个检查点，平面中误差7 cm，高程中误差9 cm。

（4）三维建模。将空三结果导入至ContextCapture软件进行三维GIS模型建立，三维GIS模型精度优于10 cm。倾斜摄影模型见图6。

图6 倾斜摄影模型

3.2 BIM模型建立

根据工程范围和专业分工，划分设计任务。建立BIM模型、制定交付标准，标准内容包括软件资源配置标准、业务流程规范、专业建模及分析标准、BIM整合标准、BIM协同标准、交付内容、交付深度、交付格式等。工程范围见表1。

表1 工程范围

建立精细化盾构管片结构模型，包括管片衬砌、凹凸榫、密封沟槽、螺栓孔、手孔、注浆孔、定位孔等细部构件，将管片楔形量转化为相应的格式，提供给管片厂进行生产制作。同时根据管片结构计算结果及管片配筋形式，制作管片钢筋模型，根据管片钢筋三维摆放情况，辅助管片钢筋设计。精细化管片模型见图7。

图7 精细化管片模型

明挖隧道分为靖江侧和江阴侧，由主体、围护结构模型2个部分组成。明挖主体结构模型分为敞开段、暗埋段、工作井后续段、工作井以及匝道段，模型根据变形缝进行了分节。江北明挖隧道主体结构模型见图8。

图8 江北明挖隧道主体结构模型

明挖段围护结构形式种类多样，主线与匝道基坑深度变化较大，竖向设置多道支撑，且位置随坑底变化。江南明挖隧道围护结构模型见图9。

图9 江南明挖隧道围护结构模型

江阴靖江长江隧道接线桥梁工程包括接线桥、靖江西互通主线桥、靖江西互通匝道桥等桥梁工程。靖江西互通S356主线桥梁见图10。

图10 靖江西互通S356主线桥梁

采用自定义部件编辑器，依据地形曲面自适应建立接线路基模型。北接线路基路面模型见图11。

图11 北接线路基路面模型

3.3 BIM+GIS模型建立

三维GIS模型和精细化BIM模型建立完成后，采用中铁第四勘察设计院集团有限公司自主研发的BIM+GIS模型三维数据综合管理平台进行集成应用。通过集成BIM、GIS模型，实现BIM模型与地理信息数据集成管理与展示。可以利用GIS平台丰富的分析功能，实现工程的定位和空间、淹没、日照、火灾分析以及通视分析等。BIM+GIS模型在平台的集成效果见图12。

三维倾斜摄影模型与BIM模型结合，可以增强可视化效果，更重要的是辅助工程勘察设计，沿线查看环境敏感点、辅助分析地质灾害、辅助拆迁分析等（见图13）。

通过BIM+GIS集成平台，还可以加载地质钻孔模型，协助钻孔优化布置（见图14）。加载地质模型后，通过剖切地质体或查询地质体的属性，协助盾构隧道设计，地质体及其属性见图15。

图13 辅助拆迁分析

图14 钻孔优化布置

图15 地质体及其属性

4 结束语

以江阴靖江长江隧道工程为例，探讨BIM+GIS技术在隧道工程设计各阶段中的应用。在规划、工可阶段，CAD+GIS技术主要应用于规划选线；在初步设计和施工图阶段，制定倾斜摄影建模标准和BIM建模标准，并据此建立了高精度的三维GIS、BIM模型，最后通过开发BIM+GIS集成平台，研究GIS、BIM模型的集成应用。BIM+GIS技术可为工程精细设计、决策等提供真实、准确的依据。

江阴靖江长江隧道工程目前处于施工图设计阶段，BIM+GIS集成平台还在不断集成道路红线数据、POI数据、地下管线数据等，最终形成一个完备的江阴靖江长江隧道工程设计数据库。下一步拟将数据转换至施工管理平台，协助施工企业进行工程安全、质量、进度管理。