BIM在上海地區(qū)巖土工程勘察中的應(yīng)用

馬鈺棟，唐君輝

(上海申元巖土工程有限公司，上海 200011)

1 引 言

在新一輪科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革中，信息化與建筑業(yè)的融合發(fā)展已成為建筑業(yè)發(fā)展的方向，并將對建筑業(yè)發(fā)展帶來戰(zhàn)略性和全局性的影響[1]。目前，BIM技術(shù)的應(yīng)用仍主要局限于建筑設(shè)計(jì)，機(jī)電，暖通，項(xiàng)目管理等領(lǐng)域，巖土工程勘察是城市建設(shè)工程的重要組成部分，是工程建設(shè)中一個(gè)重要的工作環(huán)節(jié)[2，3]，但是在巖土工程勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，BIM技術(shù)的應(yīng)用較少。在巖土工程勘察方面，最主流的方式仍是利用傳統(tǒng)的勘察方式，通過野外鉆探和土工試驗(yàn)獲得勘察成果，并主要用二維圖紙展示出來。由于BIM數(shù)據(jù)的豐富性，BIM數(shù)據(jù)無法完全通過閱讀圖紙來獲得，那么在BIM技術(shù)完全成熟的未來，勘察專業(yè)與其他專業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合時(shí)，必然也會(huì)用到BIM來完成數(shù)據(jù)的對接。同時(shí)，BIM替代CAD已是大勢所趨，將BIM運(yùn)用到巖土工程勘察中，不僅能提升表達(dá)信息的效率，還能提升巖土工程勘察的精準(zhǔn)性[4，5]。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2015年發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，于2016年發(fā)布了《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，文件對于工程勘察信息化發(fā)展提出了明確的要求和指導(dǎo)意見，要求工程師在工程項(xiàng)目勘察中推進(jìn)基于BIM技術(shù)的數(shù)值模擬、空間分析和可視化表達(dá)，研究構(gòu)建支持異構(gòu)數(shù)據(jù)和多種采集方式的工程勘察信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)工程勘察信息的有效傳遞和共享。因此，如何將BIM用于巖土工程勘察，實(shí)現(xiàn)巖土工程地質(zhì)勘察成果的三維可視化及地下空間工程信息的整合與多方面應(yīng)用，值得進(jìn)一步的研究。

2 建模流程

2.1 建模軟件的選擇

本文模型基于Revit軟件建立，Revit系列軟件為BIM構(gòu)建，也是建筑、結(jié)構(gòu)、暖通等專業(yè)的工程師制作BIM模型最常用的軟件。Revit模型中的點(diǎn)、線、面、體都是圍繞一個(gè)參考點(diǎn)或是參考面來進(jìn)行各種變化，但是Revit軟件本身提供的建模方式比較嚴(yán)謹(jǐn)，且提供的方法較少，所以僅僅基于Revit軟件，想要解決符合真實(shí)地層的復(fù)雜曲面的造型問題，不僅需要花費(fèi)大量時(shí)間通過程序進(jìn)行逐步造型，有時(shí)還需要導(dǎo)入其他軟件的實(shí)體模型作為參考來創(chuàng)建復(fù)雜形體[6]。所以本文選擇對Revit軟件的子程序Dynamo進(jìn)行二次開發(fā)，使用Dynamo程序進(jìn)行參數(shù)化的模型，通過模型內(nèi)部參數(shù)來控制曲面的生成，也讓使用者便于修改，管理，讀取其參數(shù)。

2.2 建模步驟

本文建模主要分三個(gè)步驟，首先處理勘察數(shù)據(jù)，然后將整理好的勘察數(shù)據(jù)導(dǎo)入到自編程序，最后對建立好的模型進(jìn)行后處理，即可得到符合真實(shí)地層埋藏情況的三維地質(zhì)體模型。本文三維地質(zhì)體建模技術(shù)流程如圖1所示：

圖1 三維地質(zhì)體建模技術(shù)流程圖

2.3 處理勘察數(shù)據(jù)

巖土體界面的數(shù)學(xué)模擬是基于BIM的巖土工程勘察建模的基礎(chǔ)[7]。由于在實(shí)際勘察工程中，外業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，采集的數(shù)據(jù)是離散的，且鉆孔間存在一定的距離，在某些勘察工程中，鉆孔的孔距較大。在將勘察成果進(jìn)行可視化表達(dá)，建立三維地質(zhì)體模型時(shí)，則需要在勘探點(diǎn)間進(jìn)行趨勢判斷，采用離散數(shù)據(jù)擬合與插值的方法建立三維地質(zhì)體模型。

本文選擇使用克里金方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合與插值?？死锝鸱椒?Kriging)是一項(xiàng)實(shí)用空間估計(jì)技術(shù)，該方法著重于權(quán)值系數(shù)的確定，從而使內(nèi)插函數(shù)處于最佳狀態(tài)，即對給定點(diǎn)上的變量值提供最優(yōu)的線性無偏估計(jì)[8]。

在以傳統(tǒng)勘察手段進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，工程師經(jīng)過對外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合歷史文獻(xiàn)中記錄的土層信息和地質(zhì)學(xué)知識，對土層進(jìn)行分層，將每個(gè)鉆孔中的土層數(shù)據(jù)連成剖面，再通過多個(gè)剖面來反映土層的具體分布。這一系列中最為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，就是每個(gè)鉆孔中的土層分層的深度。

本文將勘察成果中鉆孔中土層分層的深度作為原始數(shù)據(jù)，使用克里金方法進(jìn)行插值計(jì)算，得到鉆孔之間預(yù)測點(diǎn)的土層分層深度的預(yù)測數(shù)據(jù)，這就相當(dāng)于真實(shí)鉆孔之間加入了許多虛擬鉆孔。將這些真實(shí)鉆孔和虛擬鉆孔的坐標(biāo)、分層信息和非幾何信息(比貫入阻力、含水量、重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等)以一定順序?qū)懭隕xcel表格，即完成對勘察數(shù)據(jù)的處理。

2.4 建模程序

本文利用自編Dynamo程序建立三維地質(zhì)體模型，先建立土層幾何形體，再將非幾何信息導(dǎo)入到相應(yīng)的形體之中。傳統(tǒng)的三維地質(zhì)體模型中，存在一種基于體表示的數(shù)據(jù)模型，如3D柵格、三棱柱(TP)，廣義三棱柱(GTP)等，這類數(shù)據(jù)模型便于掛接地質(zhì)體屬性和便于儲(chǔ)存，但是需要耗費(fèi)大量的存儲(chǔ)空間，對計(jì)算機(jī)性能要求很高[9～11]。本文模型中土體非幾何信息，通過Dynamo程序處理后直接存儲(chǔ)于土體族的項(xiàng)目參數(shù)之中，不會(huì)存在耗費(fèi)大量存儲(chǔ)空間的問題。

在程序控制生成土體幾何形體的過程中，本文建模順序基于“點(diǎn)-面-體”基本思想[12]，將鉆孔中單孔分層信息為數(shù)據(jù)源，通過Kriging插值法生成插值數(shù)據(jù)，由插值數(shù)據(jù)生成參數(shù)化的地層曲面，再由地層曲面生成參數(shù)化的地質(zhì)實(shí)體，將地質(zhì)實(shí)體導(dǎo)入Revit生成地質(zhì)體族實(shí)例，最終形成三維地質(zhì)體模型，模型中土體所有參數(shù)都由程序控制。Dynamo程序生成地質(zhì)實(shí)體的具體分為如下幾步：

(1)將原始勘探孔單孔分層視為空間中的點(diǎn)，點(diǎn)的x，y屬性為其平面坐標(biāo)，z屬性為其高程。然后對點(diǎn)進(jìn)行插值，得到插值點(diǎn)數(shù)據(jù)。

(2)將鉆孔數(shù)據(jù)和插值數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將其錄入Excel中，再利用將該表格導(dǎo)入Dynamo程序中，程序讀取各點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成點(diǎn)云。

(3)通過Dynamo程序，由點(diǎn)云生成各層的地形曲面，再從各地形曲面提取曲面，每個(gè)曲面由若干三角網(wǎng)擬合而成。相鄰各曲面創(chuàng)建實(shí)體，再將這些實(shí)體導(dǎo)入Revit中，生成地質(zhì)體族，對各地質(zhì)體族命名，族名即為其土層層號。

(4)通過Dynamo程序，獲取地質(zhì)體族，再根據(jù)層號索引，對各地質(zhì)體族導(dǎo)入其物理力學(xué)性質(zhì)。

(5)通過Dynamo程序，利用各勘探孔數(shù)據(jù)，生成勘探孔族，并對每個(gè)勘探孔族按其孔號一一命名。最后導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)，在Revit中生成首層地形曲面，即完成三維地質(zhì)體模型的建立。

本文結(jié)合某巖土工程勘察實(shí)例，將該工程勘察數(shù)據(jù)導(dǎo)入Dynamo自編程序建立了三維地質(zhì)體模型，以此例對程序建模過程進(jìn)行說明。該模型根據(jù)勘察數(shù)據(jù)生成的點(diǎn)、根據(jù)點(diǎn)生成的地形曲面、最后形成三維地質(zhì)體模型如圖2～圖4所示：

圖2 根據(jù)勘察數(shù)據(jù)生成的點(diǎn)

圖3 根據(jù)點(diǎn)生成的地形曲面

圖4 三維地質(zhì)體模型

點(diǎn)擊選中三維地質(zhì)體模型中的具體土體圖元，在屬性欄即可看到該土層的名稱和非幾何信息(比貫入阻力、含水量、重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角)，通過偏移量可計(jì)算其具體埋深。

3 應(yīng)用案例

本文結(jié)合巖土工程勘察實(shí)例建立了上海地區(qū)某工程的三維地質(zhì)體模型。該工程位于上海市嘉定區(qū)，場地地基土在勘察深度范圍內(nèi)均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成，具有成層分布的特點(diǎn)。該場地的土層可分為6層，共11個(gè)亞層，為Q4和Q3沉積物。在該場地北側(cè)分布有堆土，場地南側(cè)存在一片厚填土區(qū)域，場地東側(cè)存在一片地下障礙物。且受到古河道切割的影響，在該場地地下 27 m～35 m處交錯(cuò)分布有三種土層，分別為第⑤3層灰色粉質(zhì)黏土、第⑤4層灰綠色粉質(zhì)黏土、第⑥層暗綠～草黃色粉質(zhì)黏土。其中，第⑤3層局部缺失，第⑤4層在場地北側(cè)分布，第⑥層在場地南側(cè)分布。

本文建模方法中，首先對原始勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，遍歷各勘探點(diǎn)坐標(biāo)，得到最小坐標(biāo)點(diǎn)Pmin(Xmin，Ymin)和最大坐標(biāo)點(diǎn)Pmax(Xmax，Ymax)，通過這個(gè)兩點(diǎn)作為矩形對角，生成矩形，對矩形進(jìn)行均分，所生成網(wǎng)格的交點(diǎn)便為插值點(diǎn)，由然后進(jìn)行Kringing插值，得到各插值點(diǎn)的高程。插值點(diǎn)示意圖如圖5所示：

圖5 插值點(diǎn)示意圖

插值完成后，該工程的鉆孔及由插值點(diǎn)構(gòu)成的虛擬鉆孔的坐標(biāo)、孔深、孔口高程、各土層層底深度數(shù)據(jù)如表1所示：

勘探孔數(shù)據(jù) 表1

將插值數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將整理好的勘察數(shù)據(jù)導(dǎo)入Dynamo自編程序中，由此數(shù)據(jù)生成點(diǎn)云，再由點(diǎn)云生成地層曲面，各地層曲面如圖6所示。再由地層曲面兩兩進(jìn)行放樣，便生成了Dynamo空間的地質(zhì)體，將地質(zhì)體導(dǎo)入Revit中，生成地質(zhì)體族的實(shí)例，最后再由Dynamo程序批量生成勘探孔族并將土的物理力學(xué)性質(zhì)導(dǎo)入地質(zhì)體族，如此便建立了該工程符合真實(shí)地層的三維地質(zhì)體模型，該模型如圖7所示。

圖6 地層曲面

圖7 三維地質(zhì)體模型

成果使用單位在使用該模型時(shí)，可任意拉剖面以便查看模型內(nèi)部土層走向?？辈靾?bào)告中剖面圖和模型剖面如圖8、圖9所示。由剖面圖對比可知，三維地質(zhì)體模型的剖面所反映的各土層的分布及走向與勘察報(bào)告中的剖面圖一致；各土層層面由插值點(diǎn)生成，其擬合的層面的高程與勘探點(diǎn)揭露的土層的高程相吻合，如選中⑤3層所代表的地質(zhì)體族實(shí)例，該地質(zhì)體表面在勘探孔C2處的高程與勘察報(bào)告中C2孔所揭露的⑤3層的層面高程一致。由此可知，該模型能較好地模擬勘察報(bào)告中的地層分布。

圖8 勘察報(bào)告中的剖面圖

圖9 模型剖面

除此之外，通過觀察模型，能直接看到其模型層面較高的區(qū)域，這片區(qū)域反映了該場地的堆土區(qū)。選中模型中的厚填土圖元，能看到其在場地具體的分布，在屬性欄可讀取其體積，以便設(shè)計(jì)單位在考慮換填方案時(shí)估計(jì)填土的土方量。本工程若使用樁基礎(chǔ)，且樁端入土深度在 27 m～35 m之間，那么設(shè)計(jì)單位將樁直接置于三維地質(zhì)體模型之中，就能判斷每根樁樁底具體置于哪一層土中，選中該土層，能在屬性欄中直接讀出其物理力學(xué)性質(zhì)，便于設(shè)計(jì)單位進(jìn)行承載力的計(jì)算。

4 結(jié) 論

巖土工程勘察數(shù)據(jù)是建筑BIM模型的重要組成部分，將巖土工程勘察數(shù)據(jù)信息整合進(jìn)BIM模型具有現(xiàn)實(shí)的工程需要和廣闊的應(yīng)用前景[13]。目前BIM在勘察領(lǐng)域中的應(yīng)用較少，市場上存在建模軟件可以建立符合真實(shí)地層的三維地質(zhì)體模型，但這種模型不能導(dǎo)出來供設(shè)計(jì)單位直接使用。本文根據(jù)勘察工作的特點(diǎn)，整理一套基于Revit建立三維地質(zhì)體模型的方法：首先選擇了適合對勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的插值方法，然后編寫了可以在Revit中生成三維地質(zhì)體模型的Dynamo程序。利用該方法，本文根據(jù)上海地區(qū)的巖土工程勘察實(shí)例，建立了三維地質(zhì)體模型，該模型中地層走向與已出具的勘察報(bào)告中的對土層的描述基本吻合，并將原來二維圖紙中的勘察數(shù)據(jù)直觀地展現(xiàn)在模型之中。本文提供的建模方法，建立了能直接供設(shè)計(jì)單位使用的三維地質(zhì)體模型，該方法對于今后BIM在勘察領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了新的思路和建模理論的參考。