BIM技術(shù)在山地城市巖土工程勘察中的應(yīng)用研究

徐 剛， 魏 來， 楊 洵， 劉 智， 任亞楠

(1.重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 401121；2.重慶南江工程勘察設(shè)計集團有限公司，重慶 401121)

0 引 言

近年來隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)在中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用飛速發(fā)展，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益及社會效益。國家住建部在《2016-2020 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中明確提出要加快 BIM技術(shù)在勘察設(shè)計類企業(yè)中的應(yīng)用，提高信息化水平和生產(chǎn)效率[1]。

雖然目前BIM技術(shù)在中國已經(jīng)取得了豐碩成果，但國內(nèi)大部分關(guān)于 BIM技術(shù)的研究和應(yīng)用都是集中在上部建筑結(jié)構(gòu)及設(shè)施，而對地下地質(zhì)部分的研究則相對較少[2]。相對于設(shè)計、施工等專業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用的飛速發(fā)展，巖土工程勘察專業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用卻進(jìn)展緩慢。究其原因，一方面是地質(zhì)建模的復(fù)雜性決定的，地質(zhì)建模需要大量運用插值算法、虛擬鉆孔等方法，而現(xiàn)實工作中只能以有限的工作量去盡量還原真實的地質(zhì)環(huán)境，并且地層尖滅、斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造在BIM軟件中還都沒有很好的實現(xiàn)方式[3]，另一方面也缺少成熟適用的三維地質(zhì)建模軟件，現(xiàn)有的BIM軟件與巖土勘察工作相脫節(jié)，難以推廣應(yīng)用。

構(gòu)建三維地質(zhì)模型是表達(dá)地質(zhì)信息的有效方法[4]，也是在巖土工程勘察中應(yīng)用BIM技術(shù)的關(guān)鍵。目前常用的專業(yè)三維地質(zhì)建模軟件包括GOCAD、Earth Vision、Petrel、Dimine、Datamine等[5-9]，多為國外產(chǎn)品，在油氣、礦產(chǎn)、水利等行業(yè)使用較多,其建模程序復(fù)雜、約束條件要求嚴(yán)格[10]，推廣使用成本較高。國內(nèi)軟件開發(fā)起步較晚，但近年來也形成了一股熱潮，開發(fā)出了如理正地質(zhì)GIS 、MapGIS、GeoView等[11-13]一些三維地質(zhì)建模軟件，雖然在建模及模型可視化方面取得了一些進(jìn)展，但模型應(yīng)用及軟件商業(yè)化方面仍未完善，且在實現(xiàn)三維構(gòu)筑物與三維地層的耦合上存有缺陷[14]，與實際巖土工程勘察工作脫節(jié)。

除此之外，由Autodesk (Revit、Civil 3D等)、Bentley(Architecture、Structural等)、Nemetschek Graphisoft (ArchiCAD等)以及Gery Technology Dassault (CATIA等)四家公司推出的BIM核心建模軟件平臺已逐漸成為主流[3,11]，同平臺各軟件間的兼容性較好，配合使用可以滿足一系列工程BIM技術(shù)應(yīng)用，但此類平臺軟件缺乏專業(yè)的三維地質(zhì)建模軟件，需要進(jìn)行二次開發(fā)來滿足相關(guān)工作。國內(nèi)已有單位或個人基于上述平臺軟件進(jìn)行二次開發(fā)，如中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院基于Bentley平臺軟件開發(fā)出三維地質(zhì)勘察設(shè)計系統(tǒng)Geostation軟件；中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司基于Autodesk平臺軟件開發(fā)出地質(zhì)內(nèi)外業(yè)一體化平臺；中國水電顧問集團貴陽勘測設(shè)計院利用CATIA軟件進(jìn)行三維精確建模和參數(shù)化設(shè)計，并對軟件進(jìn)行二次開發(fā)，都取得了一些應(yīng)用成果[3,15-17]。但由于不是專業(yè)的三維地質(zhì)建模軟件，此類軟件對于深厚第四系地質(zhì)區(qū)，建模效果較好；而對于覆蓋層較薄，存在大量褶皺構(gòu)造、地層尖滅的山地丘陵城市，則還沒有很好的建模手段。

本文選用Autodesk平臺BIM軟件Civil 3D 2019版進(jìn)行三維地質(zhì)建模。AutoCAD軟件在二維巖土工程勘察時代應(yīng)用廣泛，使用費用低廉，Civil 3D軟件集成了AutoCAD軟件幾乎所有功能，操作習(xí)慣相近，軟件學(xué)習(xí)成本低，與相關(guān)專業(yè)銜接順暢(項目巖土設(shè)計擬采用Revit軟件完成)，模型適用性強。本文以典型山地丘陵城市——重慶的某巖土工程勘察項目為例，使用Civil 3D軟件完成三維地質(zhì)建模，敘述建?；玖鞒桃约捌渲嘘P(guān)鍵技術(shù)，并探討了三維地質(zhì)模型的幾種應(yīng)用，可為研究BIM技術(shù)在山地城市巖土工程勘察中的應(yīng)用提供參考。

1 項目簡介

項目為重慶某小區(qū)巖土工程地質(zhì)勘察項目，位于重慶市巴南區(qū)，擬建建筑為一棟33F塔樓及-2F地下車庫，車庫基坑深9.2 m，用地面積7 818 m2，工程勘察等級為甲級。場地位于川東平行褶皺嶺谷區(qū)，原始地貌為淺丘剝蝕地帶，后經(jīng)城市建設(shè)開挖平場，場地地形整體平緩，坡角為1～8°，局部斜坡地段較陡，坡角可達(dá)35～60°。整平區(qū)域由第四系人工素填土覆蓋，局部斜坡地段可見基巖出露，第四系覆蓋土層與下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組的泥巖、砂巖呈不整合接觸，巖層產(chǎn)狀292°∠53°。第四系覆蓋層厚度為0.3～18.6 m，基巖面起伏不平，傾角為1～45°；根據(jù)山地城市勘察規(guī)范及重慶地區(qū)經(jīng)驗，將場地基巖劃分為強風(fēng)化帶和中等風(fēng)化帶，強風(fēng)化帶起伏與基巖面基本一致，強風(fēng)化帶底面隨基巖面起伏而變化。本場地為典型的山地城市工程場地，覆蓋層整體較薄，基巖為沉積巖地層，巖層產(chǎn)狀陡傾，內(nèi)含透鏡體，東側(cè)存在基坑順向坡，且基坑邊坡影響相鄰建筑，具體如圖1、圖2所示。

圖1 勘察平面簡圖

圖2 勘察區(qū)典型地質(zhì)剖面

本項目在勘察方案布置時考慮BIM建模的需要，進(jìn)行方案優(yōu)化，并根據(jù)任務(wù)要求開展相關(guān)工作，較好地支撐了勘察工作，并對BIM技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用潛力進(jìn)行了摸索，整個過程歷時2個月。

2 三維地質(zhì)建模

2.1 技術(shù)路線

為了使三維地質(zhì)模型能更好地反映重慶山地城市的地質(zhì)特點，達(dá)到高精度建模要求，本項目的建模過程可以總結(jié)為以下步驟：數(shù)據(jù)采集→建模準(zhǔn)備→構(gòu)建地形曲面→添加虛擬鉆孔→構(gòu)建地質(zhì)曲面→構(gòu)建三維地質(zhì)實體模型→模型渲染展示。

2.2 數(shù)據(jù)采集

建模數(shù)據(jù)采集主要包括現(xiàn)場測量、測繪、勘探、試驗等數(shù)據(jù)，并將勘探及試驗數(shù)據(jù)同步上傳至我單位自主研發(fā)的勘察軟件QuickGEE數(shù)據(jù)庫平臺，該數(shù)據(jù)庫軟件可以將勘探等數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil 3D中建模使用。采集數(shù)據(jù)時如發(fā)現(xiàn)異常，及時復(fù)核勘探點坐標(biāo)高程及施工情況，做到數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場勘察的交互和校核，可以使勘察工作更為準(zhǔn)確，也為后續(xù)建模工作打下基礎(chǔ)。

2.3 建模準(zhǔn)備

建模準(zhǔn)備工作主要包括建模平面范圍確定、建模平面范圍內(nèi)高程數(shù)據(jù)處理、平面地質(zhì)界線的確定。

為了模型美觀以及便于展示場地三維地質(zhì)特點，確定模型范圍為矩形，建模范圍包括勘探點數(shù)據(jù)以及場地基坑威脅的相鄰建筑，具體如圖1所示，并將此建模范圍作為后續(xù)建模中的曲面邊界。

對建設(shè)方提供的dwg格式二維地形圖進(jìn)行整理：首先對建模范圍內(nèi)地形圖中如房屋邊線、各種管線等無用圖元進(jìn)行剔除；由于建設(shè)方所提供的二維地形圖高程點數(shù)據(jù)未進(jìn)行Z賦值，繼而對圖中高程數(shù)據(jù)進(jìn)行高程Z賦值，此步驟可通過Civil 3D軟件中的修改-曲面功能快速實現(xiàn)；最后,由于局部建模范圍高程點數(shù)據(jù)較稀疏，應(yīng)通過現(xiàn)場測量進(jìn)行加密處理，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建高精度地形曲面。

通過野外地質(zhì)調(diào)繪，確定基巖出露范圍，在平面圖中繪制平面地質(zhì)界線-巖土分界線，此線在之后步驟中可用以確定巖土分界面曲面尖滅位置。

2.4 構(gòu)建地形曲面

Civil 3D軟件具有強大的曲面創(chuàng)建功能，適合地質(zhì)建模的特點和需要。構(gòu)建地形三角網(wǎng)曲面是Civil 3D建模中的關(guān)鍵步驟，后續(xù)構(gòu)建地質(zhì)曲面皆需以地形曲面為基準(zhǔn)。通過已準(zhǔn)備好的地形高程點數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)等圖形對象，或等高線數(shù)據(jù)、特征線數(shù)據(jù)，單獨使用或聯(lián)合使用以創(chuàng)建、定義曲面，或直接采用DEM、點云、GIS數(shù)據(jù)創(chuàng)建曲面。

通過前文處理好的地形圖高程點數(shù)據(jù)，利用Civil 3D軟件創(chuàng)建、定義地形曲面，再利用曲面特性對高程出差點進(jìn)行篩除，建立好的地形曲面如圖3所示。

圖3 地形曲面

2.5 添加虛擬鉆孔

將鉆孔分層數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil 3D軟件，為下步構(gòu)建地質(zhì)曲面做基礎(chǔ)。項目鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Civil 3D軟件后生成的三維展示如圖4所示。

圖4 鉆孔數(shù)據(jù)三維展示

對于建模范圍內(nèi)局部鉆孔數(shù)據(jù)稀疏處，國內(nèi)主要有用克里金插值法[3,18,19]或增設(shè)虛擬鉆孔[17,20]來加密建模數(shù)據(jù)。本項目存在相鄰影響建筑區(qū)域，且局部存在基巖陡壁、深坑位置無法實施鉆探，可采用鉆探資料結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、測繪，以及參考相鄰工程地質(zhì)資料，對建模范圍內(nèi)鉆孔稀疏處及巖土分界線處添加虛擬鉆孔,如圖5所示，揭示場地地質(zhì)細(xì)部特點，提高模型精度。

圖5 添加部分虛擬鉆孔

2.6 構(gòu)建地質(zhì)曲面

以地形曲面為基準(zhǔn)，結(jié)合鉆孔分層數(shù)據(jù)、野外地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)，構(gòu)建項目高精度三維地質(zhì)曲面模型。

如前文所述，地層尖滅、斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造在現(xiàn)今BIM軟件中，都沒有很好的實現(xiàn)方式。而重慶位于川東平行褶皺嶺谷區(qū)，基巖褶皺構(gòu)造發(fā)育，且存在較多地層尖滅、透鏡體，為典型的山地城市地質(zhì)特征。如何將其在三維地質(zhì)模型中構(gòu)建出來，是高精度建模的重要環(huán)節(jié)，也是建模難點。

本模型利用Civil 3D軟件曲面隱藏功能來實現(xiàn)。首先利用鉆孔土層分層數(shù)據(jù)創(chuàng)建初步的巖土分界面曲面，繼而通過圖5中所示巖土分界線，以此線作為巖土分界面曲面與地形曲面等值線，并作為曲面隱藏邊界。最后對初步創(chuàng)立的巖土分界面曲面，選擇曲面→邊界→隱藏，完成操作后曲面如圖6所示，此曲面結(jié)合地形曲面，可準(zhǔn)確反映巖土分界面于基巖出露處地層尖滅。

圖6 巖土分界面曲面

對于構(gòu)建陡傾沉積巖層中的地層尖滅、透鏡曲面，本模型除了充分利用鉆孔分層數(shù)據(jù)及野外地質(zhì)測繪資料外，結(jié)合Civil 3D軟件中對任意曲線拉伸、放樣功能，可以生成各種地層尖滅、透鏡曲面，再利用軟件的曲面布爾運算功能，得到較為精確的巖層分界面曲面，如圖7所示。

圖7 巖層分界面曲面

綜合地形曲面、巖土分界面曲面、強風(fēng)化底界面曲面與巖層分界面曲面，得到場地三維曲面模型，如圖8所示。三維曲面模型可使用對象查看器功能進(jìn)行展示，也可用特定格式導(dǎo)出，與其他軟件進(jìn)行交互。

圖8 三維曲面模型

2.7 構(gòu)建三維地質(zhì)實體模型

項目曲面模型構(gòu)建好之后，可在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三維地質(zhì)實體模型。運用Civil 3D軟件功能，選擇修改→曲面→從曲面提取，然后可以在提取實體對話框設(shè)置所需實體提取參數(shù)，可以設(shè)置從已有某曲面到某曲面提取實體，以及從某曲面到某深度或固定高程處提取實體。同時所提取的實體可以通過Civil 3D軟件三維建模模塊中布爾運算功能，根據(jù)場地特點構(gòu)建出較為精確的三維地質(zhì)實體模型，如圖9所示。

圖9 三維地質(zhì)實體模型

2.8 模型渲染展示

三維地質(zhì)實體模型可以在Civil 3D中進(jìn)行簡單的顏色、屬性賦值以及模型材質(zhì)貼圖渲染，然后使用3D ORBIT命令或軟件三維坐標(biāo)系統(tǒng)對模型進(jìn)行基本的三維交互，使用“ObjectViewer”對象查看器功能，也可對三維模型進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、移動等操作，全方位直觀展示模型三維可視化效果。

3 三維地質(zhì)模型分析應(yīng)用

3.1 模型任意剖切

運用Civil 3D縱斷面功能，或借助已有的Civil 3D插件，例如Geotechnical Module[21]等，可對三維曲面模型做任意剖切，生成二維地質(zhì)剖面圖，方便項目開展與交流。但是目前利用軟件剖切三維曲面模型得到二維剖面圖，格式、內(nèi)容上與現(xiàn)階段勘察剖面圖還有較大差距，例如格式上需要增加剖面圖個性化定制模板，內(nèi)容上缺少巖性花紋等地質(zhì)內(nèi)容，需要后期對軟件進(jìn)行二次開發(fā)，才能滿足生產(chǎn)需要。

同時,可以將三維地質(zhì)模型導(dǎo)入到NavisWorks軟件，啟用軟件剖分功能，可以任意角度對三維模型進(jìn)行無極剖分，直觀展示場地地質(zhì)細(xì)節(jié)。

3.2 基坑開挖與土石方算量

運用Civil 3D放坡功能，可以在已有三維地質(zhì)曲面上創(chuàng)建項目基坑開挖曲面(圖10a)，繼而可以生成基坑實體，與原有三維地質(zhì)模型布爾運算，得到場地三維基坑模型(圖10b)，在此基礎(chǔ)上運用軟件自帶放坡體積工具，快速進(jìn)行基坑土石方挖填算量(圖10c)，與二維設(shè)計相比，此操作可直觀展示場地基坑開挖方案，精確指導(dǎo)下一步施工工作。

圖10 三維基坑建模及土石方算量

3.3 模型數(shù)值模擬

將Civil 3D創(chuàng)建好的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)以特定格式導(dǎo)出到專業(yè)的數(shù)值分析軟件中，例如MIDAS、FLAC 3D、ANSYS等，對模型做進(jìn)一步分析模擬，供設(shè)計人員參考或進(jìn)行項目深度展示。

本項目采用MIDAS軟件對場地基坑邊坡直立開挖方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析。將三維模型地形曲面、關(guān)鍵地質(zhì)曲面數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MIDAS軟件，在軟件中進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分(圖11a)，經(jīng)過計算得到基坑直立開挖應(yīng)變云圖(圖11b)，由應(yīng)變云圖可見基坑直立開挖時，東側(cè)順向巖質(zhì)邊坡段及南側(cè)巖土混合質(zhì)邊坡段應(yīng)變較大，將會對相鄰建筑產(chǎn)生較大影響。因此場地基坑需要逆作法施工，分階開挖支擋，優(yōu)化支擋方案，順層巖質(zhì)邊坡段存在相鄰建筑，采用樁錨體系支擋，巖土混合質(zhì)邊坡段采用抗滑樁支擋。

圖11 基坑直立開挖數(shù)值模擬

3.4 模型同平臺交互

將創(chuàng)建好的三維模型導(dǎo)入到歐特克平臺同版本的BIM軟件中，例如Revit、NavisWorks、Infraworks、3 ds Max等專業(yè)BIM軟件，同平臺BIM軟件同Civil 3D兼容性好(除曲面導(dǎo)入到Infraworks需要轉(zhuǎn)換為IMX格式外，其余可直接讀取dwg格式文件)，格式轉(zhuǎn)換便捷，能保留模型屬性。平臺軟件可以協(xié)助完成模型渲染、漫游、設(shè)計、輕量化集成、施工模擬等工作，以便更好地實現(xiàn)項目全流程全周期三維模型應(yīng)用。

本項目基坑支護(hù)模型采用Revit軟件完成，將三維基坑模型直接以dwg格式導(dǎo)入Revit軟件輔助完成支護(hù)設(shè)計。然后將三維支護(hù)模型(fbx格式)及三維基坑模型(dwg格式)導(dǎo)入到NavisWorks軟件中，進(jìn)行坐標(biāo)定位及模型縮放、移動調(diào)整，完成三維基坑與支護(hù)設(shè)計模型輕量化集成(圖12)，同時利用NavisWorks軟件完成了三維模型漫游、基坑施工模擬演示，達(dá)到了較好的預(yù)期效果。

圖12 三維基坑支護(hù)設(shè)計集成模型

4 結(jié)束語

本文簡述了BIM技術(shù)在我國巖土工程勘察及三維地質(zhì)建模方面的發(fā)展，介紹了國內(nèi)外較常用的三維地質(zhì)建模軟件及幾種核心建模軟件平臺，分析其優(yōu)劣，在此基礎(chǔ)上選擇Autodesk平臺BIM軟件Civil 3D，對重慶市某巖土工程勘察項目進(jìn)行三維地質(zhì)建模，敘述建?；玖鞒桃约捌渲嘘P(guān)鍵技術(shù)，建立了較為精細(xì)的三維地質(zhì)模型，最后介紹了模型的幾種重要應(yīng)用。

筆者認(rèn)為使用Civil 3D軟件進(jìn)行巖土工程勘察項目的建模工作，以及對模型進(jìn)行進(jìn)一步分析應(yīng)用是可行的，鑒于Autodesk平臺的學(xué)習(xí)成本以及經(jīng)濟成本，Civil 3D軟件應(yīng)用前景較為廣闊。本文能為研究BIM技術(shù)在山地城市巖土工程勘察中的應(yīng)用及相關(guān)研究提供一定參考。

限于時間及人力，本次三維建模工作中也存在一些不足：①對于Civil 3D軟件在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用潛力還未完全發(fā)掘；②數(shù)據(jù)采集上傳工作還是傳統(tǒng)模式，耗時耗力，未能實現(xiàn)智能化采集；③單位自研QuickGEE軟件基于二維AutoCAD平臺開發(fā)，與Civil 3D軟件交互性較差；④三維模型數(shù)據(jù)庫掛接、屬性賦值查詢修改以及二維出圖方面還未達(dá)到預(yù)期效果。下一步還需要針對軟件做大量探索實踐，以及基于軟件平臺的二次開發(fā)工作，充分發(fā)掘Civil 3D軟件三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用潛力，以便更好地服務(wù)于山地丘陵城市的工程勘察工作。