基于BIM的机场隧道施工偏差拟合与路线校正方法研究

摘要：地下工程竣工验收是保障施工质量与工程交付精度的关键环节，尤其在涉及多系统协同的机场隧道项目中，施工偏差与路线误差对后续结构衔接影响显著。本文以新加坡樟宜机场隧道工程为例，提出一种基于BIM模型与算法优化的竣工验收方法。通过整合实测数据，结合Rhino与Grasshopper软件构建几何拟合模型，利用遗传算法与模拟退火算法对路线偏移参数进行优化，实现BIM模型与现场施工实际的高精度匹配。研究成果表明，BIM模型结合算法优化技术，有效支持竣工验收数据的可视化与路线动态调整，提升路线规划的连贯性，为类似地下工程的质量控制与移交管理提供参考。

关键词：地下工程竣工验收，BIM模型，路线调整，施工偏差，遗传算法

1 前言

本研究是新加坡樟宜机场项目中一条长325米的封闭式多功能隧道，位于机场滑行道下方。由于该隧道作为T5航站楼建设项目的先导隧道，其设计与施工必须与机场总体规划及隧道线性布设高度协同，顺利的移交可为后续轨道与线路的衔接设计提供可靠依据。

在竣工验收阶段，项目采取分阶段验收模式，通过对室内隧道每5米的断面进行测量，以及对室外地表关键点进行精确定位，由专业团队采集数据并实时更新至BIM模型，从而确保竣工模型与实际施工状态高度一致。这一验收流程不仅强化了质量控制机制，也为模型交付和后续工程的顺利衔接提供了可靠的数据基础。

本文以机场隧道项目为研究对象，围绕地下工程竣工验收过程中的坐标偏差与路线定位问题，系统探讨BIM模型在施工数据整合、坐标转换误差控制及路线匹配优化中的应用方法，旨在为类似复杂工程项目的移交管理与路线衔接设计提供可借鉴的技术路径。

2 项目背景简介

本研究中的隧道是新加坡樟宜机场核心交通系统的重要组成部分，集成了四大功能系统：自动旅客运输系统（APMS）、行李处理系统（BHS）、未来地下基础设施（FUI）以及公共服务隧道（CST）。由于涉及多个系统的协同，该隧道的设计不仅需满足结构安全要求，还必须兼顾地铁轨道的线性布设需求。隧道混凝土结构若存在微小偏差，可能在几百米之外引发轨道连接失调，进而影响整个交通系统的连通性。

2.1 坐标系统与转换误差挑战

项目采用机场专用坐标系（Airport Grid）进行隧道线性设计，但施工测量则使用源自WGS84的SVY21坐标系。转换过程中不难发现，坐标系变换引起的误差，相关研究如Hakan S. Kutoglu就关于坐标误差对变换参数的影响提出了通过研究参数与地理坐标分量之间的关系来确定其影响程度，研究发现高度分量是坐标中受影响最严重的成分，影响七个转换参数中的五个[1]；而Yunfan Gu等人在研究中提到，评估仪器的坐标测量精度而不引入外部误差（例如坐标系变换引起的误差）是一项重要任务[2]。Adam Gąska等人也致力于研究测量中精确度评估的简便方法[3]，由此可知，坐标转换过程中存在误差是测量领域中的一项重要研究课题。该项目在测量过程中不可避免地涉及坐标系转换，前文已对此进行了详细说明，而对这些变换后的测量误差的考虑已成为重要关注点。本案例是由设计单位使用机场坐标系进行设计后，施工方采用SVY21坐标系进行施工测量策划。在本身存在转换误差的基础上，进一步增加了施工误差的可能性。

2.2 施工质量控制与验收方法

土木工程管理中的质量控制，强调制定良好的验收计划对确保施工材料质量的重要性，《施工检查手册：全面质量管理》探讨了施工质量管理和检验方法，包括验收程序和标准[4]。新加坡于1989年引入建筑质量评估系统（CONQUAS®），作为评估建筑工程建筑质量的国家标准，使质量评估能在合理成本和时间内系统化实施。

通常采用施工过程分阶段验收方式，取代整体工程完工后的繁琐核查程序。这种方式有助于预防施工质量偏差，提升整体建造水平，落实工程质量控制，确保工程品质。如Jung， Sangki等人在分析工程质量检测结果促进工程质量管理改进计划的文献中指出，通过建筑质量管理可防止质量控制失当和施工缺陷，减少重复性和连续性问题，对现场质量控制工作提出更系统化、更高标准的要求[5]。LiJuan Chen等人提出了基于BIM的施工质量管理模式及应用，确保从设计到施工的信息一致性，基于BIM的质量模型整合产品、组织和流程（POP）模型，通过案例研究证明应用BIM进行施工质量管理具有可行性和实施价值[6]。

为应对高精度验收要求，项目采用Rhino + Grasshopper工具，利用竣工测量点数据生成大型矩形几何体，用作模型重新定位参考，从而高效实现与现场实际位置的拟合匹配。

3 BIM模型协助竣工验收的应用与挑战

根据前述说明，本文需基于竣工后的验收测量点位，逐步将模型重新定位至竣工位置。在设计阶段，设计顾问团队采用线性定位进行模型定位，而本项目的竣工验收分为室内验收测量与室外验收测量两部分。

业主对模型的验收要求是需同时满足室内与室外数据，且误差值不得超过100mm，方可达到移交条件并进入移交程序。

验收项目包括：

钻孔桩（Bored Pile）：坐标数据、桩长及桩号

室外结构：结构外形、顶层坐标、地上结构

室内结构：墙体及底板位置与厚度、施工缝（CJ）位置、排水沟盖板、楼梯、扶手

项目参数：如柱、梁、板及墙体的长宽高，楼梯尺寸，扶手尺寸等

资产数据：IFC实体（IFC entity）、分类（Classification）、物件名称、序列号、浇筑日期、维护起始时间、保修期限、保修费用等。

3.1 内部验收

因隧道结构完整性与尺寸需满足未来地铁车厢（MRT）行驶及电力设施配置的空间要求（如图3.1.1所示），内部验收需每隔5m进行一次空间测量。

3.2 外部验收

外部验收以隧道两端露出地面的端墙端点为代表，最终验收图纸如图3.2.1所示。

除坐标转换问题外，施工定位偏差也可能导致竣工位置与施工图纸产生超过100 mm的误差。综合前述各类误差的累积影响，需通过模型重新定位，以满足移交要求。

4 解决方案：算法与模型拟合方法

4.1 Rhino + Grasshopper 应用方案

传统竣工图纸无法准确体现三维空间偏差，而BIM模型则通过可视化呈现方式显著提升了验收的效率与准确性。为应对高精度验收要求，项目采用Rhino + Grasshopper工具，结合竣工测量点数据将模型重新定位，从而高效实现与现场实际位置的拟合匹配。

4.2 遗传算法优化方法

在定位模型的过程中，研究采用Galapagos插件实现基于遗传算法的全局优化，如图4.2.1所示。目标函数定义为模型角点与现场控制点的欧氏距离总和，优化变量为二维平移量（ΔX、ΔY）与旋转角度（θ）。算法目标是在控制单点误差≤100mm、总误差≤400mm的条件下，寻找最优定位参数。

4.3 优化流程与参数设定

算法实施流程如下：

1.数据导入：加载CSV格式的实测控制点及DWG格式的模型轮廓；

2.参数初始化：设定ΔX、ΔY取值范围为±500mm，θ取值范围为±5°；

3.遗传算法优化：

o种群规模：100

o交叉率：70%

o变异率：5%

o最大迭代次数：1000

4.模拟退火算法验证：以遗传算法优化结果为起点，应用模拟退火进一步减少误差，避免局部最优陷阱。

5.参数结果获取：将最终参数传递至BIM模型，实现隧道空间位置修正。

该参数化流程的优势为可在多维参数空间中快速逼近全局最优解，同时Grasshopper还可输出偏差热力图，增强决策直观性。但同时存在局限性，如对硬件性能要求较高，参数设置敏感等，需结合经验判断。

5 结论与实际应用扩展

5.1 研究结论

本研究聚焦于机场地下隧道工程中竣工验收的高精度需求，结合BIM模型与Grasshopper平台，通过遗传算法与模拟退火算法对竣工模型进行精准拟合，即可实现施工实际与模型线性的一致性，有效降低人力与时间成本，并顺利满足偏差控制标准，完成验收交付。

此外，该方法所实现的误差回报机制增强了模型的可信度，为后续轨道系统与隧道结构的衔接提供了可追溯的数据依据。

5.2 BIM模型在后续工程中的实际应用

在模型交付阶段，设计单位提出疑问，认为相邻标段的墙体与本段未完全对齐。施工方依据已获业主批准的测量数据说明，该段模型严格按照100mm外部误差与50mm舱段内误差标准建模，并完整记录了误差来源。二维图纸难以准确识别路线偏移，而三维BIM模型在此方面展现出不可替代的优势，为设计复核与结构对接提供了决策依据。

此案例表明，竣工阶段的BIM模型不仅仅作为交付成果存在，更将在后续设计调整、结构连动和风险识别中持续发挥重要作用。未来，该方法可广泛应用于其他高精度要求的地下工程，助力项目全过程数字化质量管控。

参考文献

[1]Hakan S. Kutoglu， Cetin Mekik， and Hakan Akcin， Effects of Errors in Coordinates on Transformation Parameters， Journal of Surveying Engineering， Volume 129， Issue 3， Jul 15， 2003.

[2]Yunfan Gu，  Jing Wu， Chenyu Liu， Error analysis and accuracy evaluation method for coordinate measurement in transformed coordinate system.， Measurement， Volume 242， Part A， January 2025， 115860.

[3]Adam Gąska， Piotr Gąska， Wiktor Harmatys， Maciej Gruza， Jerzy Sładek， Simple method for articulated arm coordinate measuring machines task-specific accuracy assessment.， Measurement： Sensors， Volume 18， December 2021， 100158.

[4]James J. J. O'Brien， Construction Inspection Handbook： Total Quality Management， softcover reprint of the original 4th ed. 1997 Edition. Springer， October 9， 2012.

[5]Jung， Sangki， Park， Jungeun， Cha， Yongwoon， Han， Sangwon， Hyun， Changtaek， Improvement of Construction Quality Management through Analyzing Construction Work's Quality Inspection Results， Korean Journal of Construction Engineering and Management， Volume 17 Issue 1， Pages.110-118， 2016.

[6]LiJuan Chen， Hanbin Luo， A BIM-based construction quality management model and its applications， Automation in Construction， Volume 46， October 2014， Pages 64-73.