基于移动激光扫描的盾构隧道参数化建模.pdf

收稿日期:2022-11-28;修回日期:2023-03-24第一作者简介:何江(1998),男,重庆人,同济大学测绘与地理信息学院测绘科学与技术专业在读硕士,研究方向为移动激光扫描、点云数据处理与应用。E-mail:2231990 。引用格式:何江,姚连璧,丁孝兵,等.基于移动激光扫描的盾构隧道参数化建模J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):216.HE Jiang,YAO Lianbi,DING Xiaobing,et al.Parametric modeling of shield tunnel based on mobile laser scanningJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):216.基于移动激光扫描的盾构隧道参数化建模何 江1,姚连璧1,丁孝兵2,杨 坤2(1.同济大学测绘与地理信息学院,上海 200092;2.佛山市测绘地理信息研究院,广东 佛山 528000)摘要:地铁线路数字化运维转型期间,部分老旧线路缺少数字三维模型、病害档案及设施设备台账等基础资料。针对以上现状与地铁隧道数字化智能运维管理需求,提出一种基于移动激光扫描数据的隧道参数化建模方法。1)基于隧道移动激光扫描数据识别并分割各类设施设备,提取建模所需构件参数;2)基于 Revit API 和 Dynamo 插件,编写一套隧道批量建模程序,实现参数自动对接、模型创建、属性添加与材质赋予等功能;3)建立隧道 OBJ 模型实现模型贴图,利用 Enscape 软件加载 Revit 模型制作漫游视频。该方法经佛山市地铁 2 号线竣工验收试用验证,可高效精准地实现盾构隧道模型创建。关键词:移动激光扫描;数字化盾构隧道;参数化建模;Dynamo;Revit 二次开发DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.025中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0216-06P Pa ar ra am me et tr ri ic c MMo od de el li in ng g o of f S Sh hi ie el ld d T Tu un nn ne el l B Ba as se ed d o on n MMo ob bi il le e L La as se er r S Sc ca an nn ni in ng gHE Jiang1,YAO Lianbi1,DING Xiaobing2,YANG Kun2(1.College of Surveying and Geo-Informatics,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Foshan Surveying Mapping and Geoinformation Research Institute,Foshan 528000,Guangdong,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:During the digital transformation of metro lines in operation and maintenance,some old lines lack basic data such as digital 3D tunnel models,disease files,facility and equipment accounts.Aiming at this situation and the demand for digital intelligent operation and maintenance management of subway tunnels,a method of tunnel parametric modeling is proposed based on mobile laser scanning data.(1)Various facilities and equipment are identified and segmented based on tunnel mobile laser scanning data,and the component parameters needed for modeling are extracted;(2)based on Revit API and Dynamo plug-in,a set of programs for tunnel modeling in bulk is written to realize the functions of parameter import automatically,model creation,attribute addition,and material assignment;(3)the tunnel OBJ model is established to realize the model mapping,and the Revit model is loaded with the Enscape to create roaming videos.This method has been verified by the trial of the completion acceptance of Foshan metro line 2,which can realize the creation of shield tunnel model efficiently and accuratly.K Ke ey yw wo or rd ds s:mobile laser scanning;digital shield tunnel;parametric modeling;Dynamo;Revit secondary development0 引言轨道交通行业正朝着数字化、自动化、信息化和智能化方向发展1,但部分老旧地铁线路缺少数字三维模型、病害档案及设施设备台账等基础资料,隧道精准检测与建模对于地铁线路数字化运维转型具有现实意义。传统隧道工程测量主要采用全站仪、断面仪及收敛仪等设备相结合的方式进行,存在工作量大、效率低等缺点。相较于传统方法,移动激光扫描技术具有高效、便捷与信息丰富等优势。在移动激光扫描技术研究与系统集成方面,国内外已做过相关研究,成功地将移动激光扫描技术应用于地铁隧道信息采集,并构建数据处理与管理平台,可实现隧道精准监测与检测结果的管理分析。通过后期数据处理还可进行隧道任意增刊 1何 江,等:基于移动激光扫描的盾构隧道参数化建模位置的断面提取与建模,进而实现感兴趣区域的特征分析。地铁隧道通常具有体量大、构件繁多及结构复杂等特点,因此较为合理的建模方式是参数化建模2。截至目前,国内外在隧道参数化建模领域已做出相关研究与应用。林金华等3基于 Revit+Dynamo 实现了盾构隧道模型的参数化创建,展示了可视化编程在三维建模中的巨大优势;林俊4对参数化建模难点进行分析并将所建模型应用于实际工程项目的规划设计与指导施工;缪盾5通过自定义参数列表,实现了隧道及外部地质环境的自动化、一体化建模,为隧道正向设计提供了一种新样板;张红薇6提出在 Revit 中创建盾构管片的重要参数与方法,减少了设计阶段由于管片尺寸变更引起的重复性劳动。目前,隧道参数化建模研究主要是基于设计图纸进行,随运营年限增大,隧道现场与设计模型存在一定差异,为精准实现既有隧道模型重建,本文提出一种Scan to BIM 的隧道参数化建模方法,即基于移动激光扫描技术,以实测数据为基础实现隧道参数化建模,从而助力地铁线路数字化运维转型。1 建模参数与族文件本文实验数据来源于佛山市地铁 2 号线的移动激光扫描数据,首先使用 Tlsd 软件7,采用加权优化的PointNet 网络模型进行点云分割,结合边缘检测算法以及人工调绘的方式进行各类设施设备的精细分类与实例分割;然后计算并提取建模所需的几何参数,基于 Dynamo 与 Revit API 进行 Revit 二次开发以实现参数化建模。建模技术路线如图 1 所示。图 1 建模技术路线Fig.1 Roadmap of modeling1.1 参数自定义与提取本文建模参照 GB/T 414472022城市地下空间三维建模技术规范8,根据隧道中心线、截面形状与参数,以及附属物的类型、姿态、位置、尺寸等信息构建三维模型。佛山市地铁 2 号线衬砌环为标准 6 管片拼接,分别为 1 块楔形块、2 块邻接块和 3 块标准块。为表现错缝形式与错台等信息,以管片为单位对隧道衬砌环结构进行建模,隧道管片建模的关键参数如下。1)隧道中轴线上的点的三维坐标。本文实验所用隧道中轴线数据源自竣工测量,根据杜黎明等9提出的方法可基于点云数据直接提取隧道中轴线(见图2)。如图 2 中的 P1、P2 分别为相邻两衬砌环对应的中轴线上的点,将获得的所有中轴线上的点拟合成曲线,即可根据曲线上各点处切线方向确定隧道的行进方向,而点本身所具有的三维坐标信息则可用于各环定位。图 2 隧道中轴线上的点Fig.2 Points on central axis of tunnel2)收敛直径。收敛直径是衡量隧道收敛变形的重要指标,本文建模时同时使用管片设计直径与实测收敛直径,实测收敛直径采用周米玉等10提出的盾构隧道收敛直径提取方法进行提取,结合设计直径可计算出管片变形量作为模型属性,该属性可用于后期基于不同病害程度对模型分级着色。3)环宽与管片厚度。本文建模时根据相邻两环中轴线上的点的间距计算得到实际环宽。由于移动激光扫描系统采集的数据为隧道内壁表面点云,难以获取管片实际厚度,建模时采用管片设计厚度值作为参数输入。4)各管片定位角度(见图 3)。为准确表现管片拼装与隧道的错缝形式,利用 Tlsd 移动激光扫描系统内业处理软件7,通过影像自动识别与人机交互相结合的方式解算各管片接缝处的方位角,进而计算出环内各管片对应的角度信息。图3 中的角、分别为某环内楔形块与邻接接块对应的角度。其他隧道构件设施建模参数的获取方法与管片类似,通过批量自动识别与快速人机交互相结合的方式确定其在隧道内的相对位置,再结合其尺寸参数实现712隧道建设(中英文)第 43 卷精准建模。本文对隧道主要构件设施建模关键参数定义如表 1 所示。图 3 隧道管片定位角度示意图Fig.3 Schematic diagram of tunnel segment positioning angle表 1 主要构件设施建模关键参数Table 1 Key parameters of main tunnel components and facilities for modeling构件名称族类型关键参数隧道管片自适应族中轴线上点的三维坐标收敛直径环宽管片厚度各管片定位角度道床自适应族道床定位角度排水沟宽度排水沟深度排水沟至隧道壁的距离轨枕常规模型族轨枕尺寸轨枕间距轨枕参照点坐标轨枕方向向量钢轨自适应族钢轨尺寸钢轨参照点坐标线缆桥架常规模型族线缆桥架尺寸所在环的中心点坐标所在环的收敛直径线缆桥架定位角度区间隧道的类型疏散平台自适应族疏散平台尺寸疏散平台定位角度区间隧道的类型1.2 族文件基于 Revit 提供的常规模型族样板和自适应族样板创建常见隧道构件与附属设施设备的族文件,如自适应管片族、自适应道床族、轨枕扣件族、自适应钢轨族、线缆桥架族、导向标志族、阀门族以及接触网支架族等。自适应管片族(见图 4)共包含 12 个自适应点,即后续需依据 12 个自适应点坐标实现该族放样。自适应族放样时须严格保证点序号顺序一致,否则将导致模型创建失败或生成异构模型。基于自适应族,结合计算得到的自适应点坐标,即可创建出各类模型实例(见图 5)。如图 5 所示,从左至右依次为基于自适应管片族创建的楔形块、邻接块和标准块管片模型实例。图 4 自适应管片族Fig.4 Family of adaptive segment(a)楔形块(b)邻缝块(c)标准块图 5 管片模型实例Fig.5 Examples segment models2 Dynamo 与 Revit 二次开发使用 Dynamo 与 Revit 进行交互,可以实现两者的信息关联与数据驱动。Dynamo 可以读取 Revit 项目样板中的信息;Dynamo 创建的模型也可同步导入 Revit项目,且模型的位置与尺寸可通过 Dynamo 输入参数进行驱动11-12。首先,基于扫描数据计算并提取建模所需参数,将其保存为指定格式的 Excel 文件或 Json 文件,使用Dynamo 节点或自编译程序读取文件以实现参数自动化对接;然后,基于 Dynamo 与 Revit API 进行 Revit 二次开发,开发一个隧道附属设施建模 Revit 插件,编写一套隧道构件参数化建模 Dynamo 脚本。图 6 为建模插件程序界面,该插件区分点状模型与线状模型进行建模,可完成隧道灯、接触网、阀门、百米标、公里标、配电箱、消防管道、线缆及通讯基站等附属设施一键建模。Dynamo 建模脚本如图 7 所示,该建模脚本可实现族文件一键导入,参数数据检查与错误溯源,隧道管片、道床、轨道、线缆桥架及疏散平台等构件批量建模等功能。3 建模成果与应用3.1 模型成果图 8 为某盾构隧道模型局部透视图。该模型基于移动激光扫描实测数据建立,精准实现隧道模型重建,可应用于隧道数字化运维管理。3.2 模型属性完成族文件参数关联13后,编写 Dynamo 脚本实812增刊 1何 江,等:基于移动激光扫描的盾构隧道参数化建模现模型实例属性一键添加。表 2 为某隧道管片模型属性表。模型属性成功添加后,可快速查询隧道收敛、错台、病害,以及其他构件的类型、空间坐标等参数。模型属性信息可动态更新,确保了模型的实用性和时效性。图 6 建模插件程序界面Fig.6 Interce of modelig plug-in图 7 Dynamo 建模脚本Fig.7 Dynamo script of tunnel modeling图 8 某盾构隧道模型透视图Fig.8 Perspective view of a shield tunnel model表 2 隧道管片模型属性表Table 2 Attribute of tunnel segment model属性名称属性值设计直径/m5.400 0实测直径/m5.406 2收敛变形/cm0.620 0管片厚度/m0.300错台量/mm2.400环宽/m1.500体积/m31.445环号/环1 588环中里程/m37 327.25N 坐标/m2 543 931.094E 坐标/m713 161.039Z 坐标/m-18.6433.3 模型材质选择合适材质,可增强模型的可视化效果,如图 9所示。模型材质需在 Revit 中真实视觉样式下查看,但材质仍与实际现场存在差异,可视化效果取决于所赋予的材质信息。图 9 模型材质效果图Fig.9 Effect drawing of model material912隧道建设(中英文)第 43 卷3.4 结构变形可视化在实际工程应用中,隧道结构收敛变形是评估隧道健康状况的重要指标之一。本文采用基于移动激光扫描数据的盾构隧道收敛直径提取方法10计算得到盾构隧道收敛直径,结合设计直径计算出变形量,并基于变形程度对模型进行分级着色,用户在浏览模型时可快速直观地发现存在病害的隧道管片,结合模型属性信息,可实现病害的快速溯源,从而便于后续进行复核检修等工作。模型病害可视化如图 10 所示,该区间内某环管片模型颜色显示异常,查看其属性可知,该环管片收敛变形较大,可追溯到该病害所在环号为1 577 环,环中里程为 37 343.75 m。图 10 模型病害可视化Fig.10 Visualization of model disease3.5 纹理贴图基于 OBJ 文件与点云强度影像可实现模型贴图,其基本思路为:1)生成贴图文件。隧道贴图文件使用激光扫描灰度正射影像,其平均分辨率可达 5 mm。2)创建隧道面片模型。基于实测数据创建隧道圆柱面,再依据激光扫描角度对其进行切割,得到与贴图文件空间相匹配的隧道面片模型。3)划分三角网格。将贴图文件与隧道面片模型划分为 n 个三角网格,并计算各网格顶点坐标。实验结果表明,以环为单位,n 取值为 200,可保证贴图纹理清晰,如图 11 所示。4)创建 mtl 材质库文件。材质库中需包含各环对应的材质,各材质需链接其对应的贴图文件路径。图 11 隧道模型纹理图Fig.11 Texture map of tunnel model3.6 漫游视频图 12 为基于点云制作的漫游视频;图 13 为使用 Enscape 软件加载所建 Revit 模型生成的漫游动画。图 12 隧道点云漫游视频Fig.12 Roaming video of tunnel point cloud图 13 隧道模型漫游动画Fig.13 Roaming video of tunnel model4 结论与展望本文基于移动激光扫描实测数据,提出了一种Scan to BIM 的隧道参数化建模方法,旨在高效精准地实现既有隧道模型创建,助力地铁线路数字化运维转型。佛山地铁 2 号线约 20 km 盾构隧道的建模成果验证了 本 方 法 的 可 靠 性 与 高 效 性(建 模 效 率 约 为1 km/h)。为提高应用效率,后续可在以下方面做进一步研究:1)隧道模型的精细化程度。除优化建模方法外,还需提高数据源质量,可结合视觉测量、雷达探测等手段与图像识别、机器学习等技术,提高测量精度、优化数据质量。2)模型轻量化工作。三维模型往往占用较大的存储空间,不利于其存储、共享与应用,可结合 Unity、Cesium 等三维可视化引擎进行应用。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 汪小勇.城市数字化转型给轨道交通带来的机遇和挑战J.城市轨道交通研究,2021,24(4):8.WANG Xiaoyong.Opportunities and challenges for rail transit in the process of urban digital transformation J.Urban Mass Transit,2021,24(4):8.2 田斌华.公路隧道 BIM 参数化建模方法与可视化研究022增刊 1何 江,等:基于移动激光扫描的盾构隧道参数化建模D.济南:山东大学,2019.TIAN Binhua.Research on BIM parametric modeling method and visualization of highway 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城市地下空间三维建模技术规范S.北京:中国标准出版社,2022.Technical specification for three-dimensional modeling of urban underground spaceS.Beijing:Standards Press of China,2022.9 杜黎明,钟若飞,孙海丽,等.移动激光扫描技术下的隧道横断面提取及变形分析J.测绘通报,2018(6):61.DU Liming,ZHONG Ruofei,SUN Haili,et al.Tunnel cross section extraction and deformation analysis based on mobile laser scanning technology J.Bulletin of Surveying and Mapping,2018(6):61.10 周米玉,孙海丽,杜黎明,等.移动激光扫描技术的盾构隧道收敛直径提取方法J.测绘科学,2021,46(5):112.ZHOU Miyu,SUN Haili,DU Liming,et al.Automatic extraction method of shield tunnel convergence diameter based on mobile laser scanning technologyJ.Science of Surveying and Mapping,2021,46(5):112.11 张恺韬.基于 BIM 技术的隧道参数化建模与应用研究D.成都:西南交通大学,2018ZHANG Kaitao.Parameterized modeling and application research of tunnel based on BIM technology D.Chengdu:Southwest Jiaotong University,2018.12 吴生海,刘陕南,刘永晓,等.基于 Dynamo 可视化编程建模的 BIM 技术应用与分析J.工业建筑,2018,48(2):35.WU Shenghai,LIU Shannan,LIU Yongxiao,et al.Application and analysis of BIM technology based on 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