基于BIM的机场隧道施工偏差拟合与路线校正方法研究

引言

本文将新加坡樟宜机场项目中一条长 325 米的封闭式的多功能隧道为研究对象，在竣工验收阶段，本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。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。

一、新加坡樟宜机场隧道项目背景

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，拥有自动旅客运输系统（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）四大功能。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。

二、新加坡樟宜机场隧道的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。在转换过程中发现，坐标系的变换会引起误差，例如 Hakan S.Kutoglu 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 等人研究发现评估仪器的坐标测量精度而不引入外部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。新加坡樟宜机场隧道的施工方采用 SVY21坐标系进行施工测量策划，在本身存在转换误差的情况下，进一步增加了施工误差的难度。

三、新加坡樟宜机场隧道的施工质量控制与验收方法

在土木工程管理的《施工检查手册：全面质量管理》中明确规定了对项目的质量控制要求，并且探讨了施工质量管理和检验方法包括验收程序和标准强调整体项目施工要制定良好的验收计划，从而确保施工材料质量的重要性 [4]。新加坡于 1989 年将建筑质量评估系统（CONQUAS®）作为评估建筑工程建筑质量的国家标准，施工过程分阶段的验收方式开始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]。新加坡樟宜机场隧道项目为应对高精度的验收要求，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。

四、BIM 模型协助新加坡樟宜机场隧道竣工验收的应用与挑战

新加坡樟宜机场隧道项目的设计团队采用线性定位进行模型定位，本项目的竣工验收测量分为室内与室外两部分。甲方要求模型的验收需同时满足室内与室外数据，且误差值不得超过100mm，只有达到移交条件才能进入移交程序。机场隧道验收包括：钻孔桩（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、施工缝位置、排水沟盖板、楼梯、扶手），构件尺寸参数（柱、梁、板及墙体的长宽高，楼梯尺寸，扶手尺寸等）以及资产数据的全方位检测（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）。

（一）内部验收

因隧道结构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 1 所示），所以内部验收需每隔5m 进行一次空间测量。

（二）外部验收

外部验收以隧道两端露出地面的端墙端点为参照，最终验收图纸（如图2 所示）。

除坐标转换问题外，施工定位偏差也可能导致实际施工与施工图纸产生超过 100mm 的误差，所以需重新定位模型以满足移交要求。

在隧道空间位置修正的算法实施流程中，系统首先导入 CSV 格式的实测控制点数据和DWG 格式的设计模型轮廓数据作为基础输入，通过数据预处理确保坐标系统一性和数据完整性。在参数初始化阶段，系统设定平移参数 ΔX 和 ΔY 的搜索范围为 ±500mm ，旋转角度 θ 的调整幅度为 ±5^∘ ，为后续优化计算划定合理的解空间。遗传算法作为核心优化模块随即启动，采用规模为 100 的初始种群，通过 70% 的交叉率和 5% 的变异率进行迭代进化，在最多 1000 代的搜索过程中不断筛选最优解。这种基于生物进化原理的随机搜索策略，能够在多维参数空间中有效探索全局最优区域，但为避免陷入局部最优陷阱，系统进一步引入模拟退火算法进行精细调优。模拟退火以遗传算法的优化结果为初始点，通过温度参数控制的概率性接受机制，在解空间中进行更细致的局部搜索，确保获得稳定可靠的优化结果。最终输出的最优参数集通过 API 接口实时传递至 BIM 平台，驱动三维模型的空间位置修正，实现设计模型与实际施工状态的高精度匹配。整个流程依托 Grasshopper 参数化平台实现可视化编程，其独特的优势在于能够将抽象的数学优化过程转化为直观的偏差热力图，通过色彩梯度清晰展示不同区域的误差分布，极大提升了工程决策的效率和准确性。总体而言，这种融合遗传算法和模拟退火的混合优化策略，为隧道工程施工偏差修正提供了一种兼具计算效率和求解精度的创新解决方案。

由于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，从而实现与现场实际位置的拟合匹配。

1. 遗传算法优化方法

在定位模型过程中，研究采用 Galapagos 插件实现基于遗传算法的全局优化（如图 3 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（ $＼textbf { ＼theta } ） _ { ＼circ }$ 。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。

2. 优化流程与参数设定

五、解决方案：算法与模型拟合方法

六、BIM 模型在后续工程中的具体应用

（一）Rhino + Grasshopper 应用方案

在 BIM 的模型交付阶段，新加坡樟宜机场隧道工程的设计单位提出了质疑，认为相邻标段的墙体与本段并未完全对齐。施工方利用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，并完整记录了项目施工的误差来源。通过将BIM 模型应用到新加坡樟宜机场隧道工程可以看出，二维图纸难以准确识别路线偏移，而恰恰三维BIM 模型在此方面展现出不可替代的优势，它可以真实的预测出施工项目的偏差，为日后项目设计的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。

结语

本研究结合 BIM 模型与 Grasshopper 平台，并聚焦于机场地下隧道工程中竣工验收的高精度需求，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。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。

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.