BIM 技術(shù)在土質(zhì)滑坡三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用研究

王春燕 鄧永煌 吳亞良

（1、三峽大學(xué)科技學(xué)院，湖北 宜昌 443002 2、宜昌市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，湖北 宜昌 443000 3、三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002）

建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）技術(shù)是通過(guò)數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)工程進(jìn)行數(shù)字化、信息化的整合，形成三維形態(tài)數(shù)據(jù)信息的大型建筑特性數(shù)據(jù)庫(kù)，是以研究對(duì)象的各項(xiàng)信息為基礎(chǔ)、構(gòu)建三維可視化的系統(tǒng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)以信息載體為基礎(chǔ)、實(shí)現(xiàn)多專業(yè)、多工種的相互配合，有著強(qiáng)大的三維可視化和信息處理能力、強(qiáng)大的渲染能力和信息集成能力，可以與眾多數(shù)據(jù)軟件交互信息。

三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡因受地形地貌、地質(zhì)條件、水庫(kù)水位升降、降雨、人類(lèi)活動(dòng)等多種因素的影響，不斷發(fā)生變形甚至失穩(wěn)破壞，極大地威脅著三峽工程與庫(kù)區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。以如何實(shí)現(xiàn)三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡體地質(zhì)模型的三維建模及可視化為研究點(diǎn)，以協(xié)調(diào)均衡發(fā)展理論為支撐，以“共抓大保護(hù)、不搞大開(kāi)發(fā)為導(dǎo)向推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展”精神為指引，著重對(duì)長(zhǎng)江全流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)為重難點(diǎn)問(wèn)題和關(guān)鍵性瓶頸制約展開(kāi)精準(zhǔn)對(duì)標(biāo)、重點(diǎn)突破。

1 概述

目前，BIM 技術(shù)在三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡三維地質(zhì)建模工程領(lǐng)域應(yīng)用較少，主要原因是土質(zhì)滑坡地質(zhì)體的不規(guī)則和不確定性，地質(zhì)體形態(tài)實(shí)際是不確定的，空間不規(guī)則數(shù)據(jù)的處理以及行業(yè)本身的特點(diǎn)使得BIM地質(zhì)建模的難度較大。

現(xiàn)下，BIM 技術(shù)在土質(zhì)滑坡體三維地質(zhì)建模領(lǐng)域存在的主要問(wèn)題有：a.針對(duì)地質(zhì)領(lǐng)域，無(wú)專業(yè)的三維地質(zhì)建模軟件，常規(guī)的BIM 建模軟件也較難獨(dú)立完成精確的模型搭建，導(dǎo)致目前的土質(zhì)滑坡建模都是當(dāng)作一個(gè)均值體來(lái)做的，而實(shí)際中土體是參數(shù)不一樣的非均值體，對(duì)土質(zhì)滑坡體地質(zhì)體建模和可視化分析的針對(duì)性不強(qiáng)；b. 土質(zhì)滑坡體狀況復(fù)雜，土質(zhì)滑坡體三維地質(zhì)模型與數(shù)值分析軟件的耦合、三維構(gòu)筑物與三維地層的耦合等常存在數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換困難、信息不兼容等障礙。

針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡的三維地質(zhì)建模，目前大多以鉆孔信息為主、融合地形信息和剖面信息進(jìn)行建模，但由于地質(zhì)體空間分布的復(fù)雜性、原始地質(zhì)信息獲取的艱難性以及地質(zhì)體屬性的不確定性，導(dǎo)致現(xiàn)有三維地質(zhì)建模難以真實(shí)反映災(zāi)害體特征，尤其是對(duì)侵入體、透鏡體等復(fù)雜對(duì)象的刻畫(huà)精度不高；同時(shí)目前的三維模型也無(wú)法實(shí)現(xiàn)各專業(yè)間信息的無(wú)損傳遞和信息共享，這也極大地影響了災(zāi)害模型的后期深入應(yīng)用。

因而，BIM技術(shù)是三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡三維地質(zhì)建模領(lǐng)域值得借鑒和應(yīng)用的。建立以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡三維模型，可以有效展示災(zāi)害體三維地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)，將災(zāi)害體三維空間信息和治理工程進(jìn)行集成，可以有效改善勘查、設(shè)計(jì)成果的可視化表達(dá)，更加高效地支持治理工程施工。總之，基于BIM對(duì)庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡進(jìn)行三維地質(zhì)建模，可以全方位支持地庫(kù)區(qū)滑坡災(zāi)害勘查、設(shè)計(jì)、效果展示、決策、施工、管理運(yùn)營(yíng)等。

因此，采用地質(zhì)三維建模技術(shù)對(duì)災(zāi)害體進(jìn)行三維建模，若能開(kāi)展模擬預(yù)測(cè)并以此為基礎(chǔ)研究滑坡體的穩(wěn)定性，對(duì)于提升三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治能力與水平有著極為重要的意義。

2 BIM Revit 土質(zhì)滑坡三維地質(zhì)建模過(guò)程

本文選取Autodesk 平臺(tái)下的BIM 核心建模軟件Revit，確定基本建?？蚣芤罁?jù)研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線：

2.1 土質(zhì)滑坡三維地質(zhì)數(shù)據(jù)信息分析與融合

以三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡地質(zhì)體各種原始數(shù)據(jù)包，含鉆孔信息、地質(zhì)剖面、地震數(shù)據(jù)、等深圖、地質(zhì)圖、地形圖、物探數(shù)據(jù)、化探數(shù)據(jù)、工程勘察數(shù)據(jù)、水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)，基于數(shù)值模擬和空間分析，創(chuàng)建可以反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)關(guān)系及地層變化規(guī)律的數(shù)字化模型。

2.2 三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡BIM Revit 建模路線

分析土質(zhì)滑坡體三維地質(zhì)建模技術(shù)，研究BIM建模技術(shù)與三維地質(zhì)建模理論的集成方法，提出土質(zhì)滑坡體地質(zhì)建模的技術(shù)路線、確定土質(zhì)滑坡體BIM地質(zhì)建模的基本流程，完成三維地質(zhì)工程對(duì)象模型構(gòu)建、將滑坡體對(duì)象三維可視化、實(shí)現(xiàn)土質(zhì)滑坡不規(guī)則地質(zhì)體的數(shù)字化。

BIM Revit 的建?？蚣芎吐肪€，融合了BIM對(duì)參數(shù)、材質(zhì)信息存儲(chǔ)及可傳遞的優(yōu)勢(shì)，也可彌補(bǔ)地質(zhì)建模中參數(shù)及材質(zhì)賦值復(fù)雜、數(shù)據(jù)量容納能力弱、所建立的并非真正實(shí)體地層的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡地層相關(guān)技術(shù)參數(shù)、材質(zhì)信息的賦值存儲(chǔ)與可傳遞。

BIM Revit 建?？蚣芎吐肪€，數(shù)據(jù)處理高效、數(shù)據(jù)容量大，三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡整體挖填方工程量可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，既擁有強(qiáng)大的曲面編輯、道路、放坡等功能，也可適用于大場(chǎng)景的地質(zhì)模型創(chuàng)建，支持復(fù)雜的地層地形情況，模型成果可用于三維展示。

3 BIM 技術(shù)在三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡建模中的應(yīng)用

3.1 工程概況

湖北省三峽庫(kù)區(qū)某滑坡為某縣地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防點(diǎn)，該滑坡自納入某縣群測(cè)群防點(diǎn)以來(lái)，較長(zhǎng)一段時(shí)間未發(fā)生明顯變形，直至近期，滑坡受連續(xù)降雨影響，開(kāi)始出現(xiàn)變形破壞，導(dǎo)致滑坡體上的部分住戶的房屋及附屬房夜間倒塌，房屋嚴(yán)重受損，已成危房，無(wú)法居住等。自此，該滑坡的變形呈現(xiàn)不斷加大的趨勢(shì)，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到滑坡體上及其周邊常住居民的生命財(cái)產(chǎn)安全和滑坡中前部村級(jí)公路的正常通行，在降雨的條件下，該滑坡隨時(shí)可能再次發(fā)生失穩(wěn)破壞，一旦再次失穩(wěn)破壞，將會(huì)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能導(dǎo)致人員傷亡等。該滑坡形態(tài)為長(zhǎng)舌狀，后緣高程在878m 左右，前緣剪出口位于斜坡前緣季節(jié)性沖溝處，高程在840m 左右，左側(cè)（東側(cè)）以山脊為界，右側(cè)（西側(cè)）以自然季節(jié)性沖溝為界?；碌膶挾葹?0m 左右，縱向長(zhǎng)160m 左右，其面積約為9766m2，厚度10m 左右，體積9.8×104m3，主滑方向186°?；聟^(qū)地表水系主要為滑坡右邊界的季節(jié)性沖溝，流量約1L/s，水質(zhì)清澈透明，流量受降雨影響較大，為滑坡區(qū)外圍地表水的排泄通道。地下水主要為松散介質(zhì)孔隙水和基巖裂隙水。松散介質(zhì)孔隙水主要賦存于邊坡上覆的松散土體中，主要接受大氣降雨補(bǔ)給，并沿著地表沖溝流入坡下沖溝，或向下入滲到巖層層面或裂隙中，勘查區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在滑坡左邊界有一處泉水出露點(diǎn)（Q2），泉水清澈透明，流量1L/s。在滑坡右邊界發(fā)現(xiàn)有基巖裂隙水出露（Q1），流量2ml/s，水質(zhì)清澈透明，主要接受大氣降雨和松散介質(zhì)孔隙水補(bǔ)給。

3.2 BIM Revit 土質(zhì)滑坡三維地質(zhì)建模步驟

3.2.1 場(chǎng)地設(shè)置

3.2.1.1 顯示等高線并定義間隔，如圖1 所示。

圖1

3.2.1.2 將自定義等高線添加到平面，如圖2 所示。

圖2

3.2.1.3 指定剖面圖形，如圖3 所示。

圖3

3.2.1.4 制定屬性數(shù)據(jù)設(shè)置。

3.2.2 場(chǎng)地建模

3.2.2.1 創(chuàng)建地形表面，如圖4 所示。

圖4

3.2.2.2 通過(guò)放置點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建地形表面，如圖5 所示。

圖5

3.2.2.3 使用導(dǎo)入的三維等高線數(shù)據(jù)，如圖6 所示。

圖6

3.2.2.4 使用點(diǎn)文件，如圖7 所示。

圖7

3.2.2.5 簡(jiǎn)化地形表面。

3.2.3 建模成果

根據(jù)以上建模步驟完成湖北省三峽庫(kù)區(qū)某土質(zhì)滑坡的BIM Revit 三維建模，如圖8 所示。

圖8

3.3 BIM Revit 土質(zhì)滑坡三維地質(zhì)建模應(yīng)用

3.3.1 建模分析

通過(guò)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該滑坡體上總共發(fā)育有三十多條可見(jiàn)的地表裂縫，裂縫類(lèi)型多為張拉裂縫和剪切縫，長(zhǎng)度一般在5～30m 之間，寬度一般在5～30cm 之間。經(jīng)過(guò)多次到災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)調(diào)查，并詢問(wèn)當(dāng)?shù)卮迕裨摶碌淖冃伟l(fā)展過(guò)程，得知該滑坡從發(fā)生變形破壞截至到現(xiàn)在一直處于蠕動(dòng)變形狀態(tài)，通過(guò)對(duì)比前后到災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)觀察裂縫的發(fā)展情況，可以明顯的觀察出拉張裂縫有加劇變寬的跡象。說(shuō)明滑坡從出現(xiàn)首次變形開(kāi)始，一直處于不甚穩(wěn)定的狀態(tài)。如果發(fā)生降雨的條件，如果不對(duì)滑坡采取相應(yīng)的工程支護(hù)措施，極有可能導(dǎo)致滑坡再次發(fā)生失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重影響災(zāi)區(qū)人民的正常生活，危及坡體上及周?chē)Ｗ〈迕竦纳?cái)產(chǎn)安全。該滑坡總共發(fā)育有多條可見(jiàn)地表裂縫，滑坡產(chǎn)生變形的部位主要集中在滑坡的后緣和左右邊界，主要以緩慢的蠕動(dòng)變形為主，具體表現(xiàn)為拉張裂縫、地面沉降等，遵循地質(zhì)災(zāi)害防治的基本原則，在對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘查的基礎(chǔ)上，應(yīng)用BIM Revit 建模技術(shù)，通過(guò)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)建模和可視化，對(duì)湖北省三峽庫(kù)區(qū)某滑坡治理的必要性及防治工程的安全有效性、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性、美觀適用性進(jìn)行科學(xué)的論證起到輔助作用，進(jìn)而助力提出具有針對(duì)性、系統(tǒng)性的優(yōu)化的綜合治理方案。

3.3.2 趨勢(shì)預(yù)測(cè)

滑坡上出現(xiàn)裂縫的變形跡象來(lái)看，拉張裂縫有明顯變寬的跡象，表明滑坡從出現(xiàn)變形截止到到目前，滑坡一直處于蠕動(dòng)的狀態(tài)，隨時(shí)都有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。大氣降雨往往是誘發(fā)滑坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的主要因素，滑坡所在地降雨充沛，且正處于全年降雨高峰期，持續(xù)的降雨會(huì)使滑坡的穩(wěn)定性降低，增大滑坡失穩(wěn)破壞的概率。若不及時(shí)對(duì)滑坡進(jìn)行合理的工程支護(hù)，在降雨的條件下，會(huì)使滑坡的穩(wěn)定程度進(jìn)一步惡化，極易引發(fā)滑坡再次失穩(wěn)破壞。

3.3.3 防治目標(biāo)原則

該滑坡已產(chǎn)生明顯變形，根據(jù)定性與定量評(píng)價(jià)方法，滑坡目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，安全儲(chǔ)備嚴(yán)重不足。因此，對(duì)滑坡進(jìn)行治理是十分必要的。根據(jù)該滑坡變形特征、穩(wěn)定性及勘查區(qū)工程地質(zhì)條件，經(jīng)分析論證，滑坡目前處于蠕動(dòng)變形階段。在天然工況下雖然滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但一旦發(fā)生降雨，對(duì)滑坡的穩(wěn)定性有很大的不利影響。若不及時(shí)對(duì)滑坡做相應(yīng)的工程措施，提高滑坡的安全儲(chǔ)備，則該滑坡隨時(shí)都有可能再次發(fā)生失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重威脅災(zāi)區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。針對(duì)羅家埡滑坡的變形情況及穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)滑坡的治理建議如下：治理工程以保障災(zāi)區(qū)居民及過(guò)往行人的生命財(cái)產(chǎn)安全和公路正常通行等為首要目標(biāo)，防治方案制定的基本原則是：（1）防治須安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、施工簡(jiǎn)易，確保工程質(zhì)量，提高工程效益，達(dá)到減災(zāi)防災(zāi)的目的；（2）防治應(yīng)與環(huán)境保護(hù)、土地利用相結(jié)合，與社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展相適應(yīng)，盡可能優(yōu)化改善周邊的環(huán)境；（3）防治須遵循各類(lèi)工程綜合治理、配合使用的原則，做到突出重點(diǎn)，分項(xiàng)治理；（4）應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)和防治工程的養(yǎng)護(hù)。（5）防治治理方案建議可采用抗滑樁+截排水溝工程，或削坡減載+截排水溝工程。

4 結(jié)論

本文采用BIM Revit 技術(shù)，結(jié)合三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡三維地質(zhì)模型，提取三維模型數(shù)據(jù)、處理繁瑣的數(shù)據(jù)程序、提高建模效率；同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維建筑物（構(gòu)筑物）對(duì)象與三維地層的耦合，加強(qiáng)土質(zhì)滑坡體的表達(dá)能力、將土質(zhì)滑坡體三維可視化。但還存在不足之處：三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡BIM三維建模無(wú)滑坡土體結(jié)構(gòu)及材質(zhì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息、土質(zhì)滑坡體建模中所采用的結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)有較大區(qū)別，導(dǎo)致在建模時(shí)不能建立地層模型；建模方法采用相似構(gòu)件代替，若能有針對(duì)性的建立所需構(gòu)件基礎(chǔ)信息并參數(shù)化、便可應(yīng)用在不同的項(xiàng)目中。建立適合三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)滑坡體的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的基本數(shù)據(jù)信息，為BIM三維建模技術(shù)和土質(zhì)滑坡地質(zhì)體建模成果對(duì)接作鋪墊，提高滑坡體建模的精確性，亦是一個(gè)亟待拓展的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。