BIM在建筑工程巖土勘察三維虛擬現(xiàn)實(shí)可視化中的運(yùn)用分析

梁勇

身份證號(hào)：1201051985＊＊＊＊5436 天津 300384

引言

1988年，Yvantis首次提出用分形方法模擬地質(zhì)界面，隨后Fisher和mallet采用NURBS和離散光滑插值法建立三維實(shí)體模型；1999年，dekepm借助三維貝塞爾曲面實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的可視化，此后，許多學(xué)者對(duì)其表達(dá)方式進(jìn)行了研究并對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)地層的顯示和褶皺巖體的模擬，取得了許多成果。

盡管BIM以其優(yōu)越性而著稱，但它在建筑、結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而在巖土工程勘察中，仍采用老舊的勘察方法，就是使用鉆探獲得有關(guān)地質(zhì)的數(shù)據(jù)。然而，從BIM獲得的測(cè)量結(jié)果主要是二維圖紙[1]。在這樣的基礎(chǔ)上，怎么把BIM集成到其中，保障從二維的圖紙到三維虛擬模型的轉(zhuǎn)換，已經(jīng)是工作人員急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，有必要探討基于建筑工程巖土工程勘察的BIM和三維虛擬建模技術(shù)。

1 三維地質(zhì)建模和BlM的關(guān)系

結(jié)合巖土工程知識(shí)，可以建立巖土工程的三維模型。從廣義上講，三維地質(zhì)建模包括巖土工程勘察成果的三維可視化[2]。將巖土工程勘察資料、地球物理資料、化探資料、水溫探測(cè)資料、地震資料、剖面圖、等高線圖、地質(zhì)圖、地形圖等有效資料，直接形成數(shù)字三維地質(zhì)模型，它能直觀地顯示地質(zhì)構(gòu)造的內(nèi)部屬性，全面顯示地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)部的各種變化及數(shù)據(jù)規(guī)律。數(shù)字仿真和基本空間分析能夠協(xié)助使用者判斷信息并規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。巖土工程中三維地質(zhì)建模得到了廣泛的應(yīng)用，通過(guò)在巖土工程中建立三維地質(zhì)模型，為工程勘察提供了極佳的基礎(chǔ)條件，讓地質(zhì)規(guī)劃設(shè)計(jì)人員和巖土工程師能夠真實(shí)地、準(zhǔn)確地、直觀地觀察施工區(qū)域的地質(zhì)情況，保證工程設(shè)計(jì)和施工的科學(xué)、合理、準(zhǔn)確，減少工程建設(shè)分擔(dān)[3]。BIM在巖土工程勘察中，通過(guò)構(gòu)建三維可視化模型，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)等專業(yè)知識(shí)，開展巖土工程各個(gè)階段的工作。從廣義上講，三維地質(zhì)建模包括巖土工程勘察成果的三維可視化。將巖土工程勘察資料、地球物理資料、化探資料、水溫探測(cè)資料、地震資料、地質(zhì)圖、地形圖、等高線圖、剖面圖等原始資料，一次形成數(shù)字三維地質(zhì)模型，它能直觀地顯示地質(zhì)構(gòu)造的內(nèi)部屬性，充分顯示地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)部的各種數(shù)據(jù)和變化規(guī)律。BIM形成的數(shù)字模型可以將真實(shí)的地理環(huán)境轉(zhuǎn)化為虛擬的圖像。數(shù)字仿真和基本空間分析可以幫助用戶推斷信息并規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

2 巖土工程勘察概述

從勘察內(nèi)容來(lái)說(shuō)，具體如下：①地質(zhì)特征。地形地貌的形成，同巖石特性和土壤內(nèi)部構(gòu)造等因素有關(guān)。通過(guò)地形地貌的調(diào)查，掌握表面環(huán)境，并且深入分析巖石和土壤等，了解類型和成因等，為工程設(shè)計(jì)提供參考。對(duì)于巖石風(fēng)化程度，依據(jù)表1判斷。②地下水調(diào)查。開展調(diào)查時(shí)，要掌握地下水類型與具體分布等情況。同時(shí)要進(jìn)行氣候特征以及降水的調(diào)查，力求掌握最全面的資料。除此之外，開展水質(zhì)分析，判斷是否會(huì)給巖石與土壤等造成腐蝕。③建筑承載力調(diào)查。通過(guò)巖石和土壤取樣的方式，開展試驗(yàn)研究。依據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果，分析地基承載力，實(shí)現(xiàn)對(duì)地基變形的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，為工程建筑施工，提供高質(zhì)量的巖土參數(shù)。

3 巖土工程勘察領(lǐng)域應(yīng)用的BlM軟件

從BIM軟件在巖土工程勘察中的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，BIM軟件一般分為以下兩種形式：一種是基于BIM模型的分析軟件，如可視化軟件、結(jié)構(gòu)分析軟件、概算軟件、施工進(jìn)度管理軟件等，處理繪圖軟件、深化設(shè)計(jì)軟件等；二是目前基于BIM核心的建模軟件，如建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件、機(jī)電及系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件等，我國(guó)許多企業(yè)已經(jīng)開始自主開發(fā)和探索三維巖土工程應(yīng)用軟件。但是，需要采用建筑結(jié)構(gòu)交換的專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這使得巖土工程軟件無(wú)法正常工作。為了將BIM技術(shù)應(yīng)用于巖土工程勘察中，應(yīng)結(jié)合相關(guān)的操作技術(shù)，利用BIM軟件實(shí)現(xiàn)三維可視化測(cè)量效果。例如，Revit軟件已廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)中，三維建模技術(shù)的發(fā)展也相對(duì)成熟。它摒棄了基于CAD平臺(tái)的建模程序，利用Revitapi為其提供了強(qiáng)大的編程接口，實(shí)現(xiàn)了某類建筑信息的可視化。此外，用戶還可以根據(jù)自己的需要使用Revit軟件進(jìn)行擴(kuò)展，生成所需的三維建筑模型。

4 應(yīng)用BlM完成巖土勘察三維虛擬建模的過(guò)程

4.1 巖土勘察

巖土工程勘察三維虛擬建模的過(guò)程是：巖土工程勘察三維建模理論研究－分析巖土工程勘察三維建模的各個(gè)階段－采集數(shù)據(jù)點(diǎn)－建立地表地形－導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)－選擇和輸入空間插值點(diǎn)－逐層插值－導(dǎo)入和導(dǎo)出數(shù)據(jù)點(diǎn)－構(gòu)造地質(zhì)曲線曲面－地層尖滅－考慮褶皺、斷層等構(gòu)造－基本顯示地質(zhì)體－完成三維虛擬模型的建立[4]。

4.2 巖土勘察三維虛擬建模技術(shù)的應(yīng)用

（1）空間插值法。在實(shí)際的操作中，不管是鉆孔分布位置或是鉆孔的數(shù)量都不能完全滿足建模要求[5]。因此，在原始測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行插值，可以保證基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)具有相應(yīng)的要求，其中有些數(shù)據(jù)是科學(xué)的、準(zhǔn)確的。

（2）三維地質(zhì)建模。利用高程點(diǎn)和等高線建立簡(jiǎn)單的地表模型是地質(zhì)界面建模的一種常見形式。當(dāng)然，如果建模對(duì)象是一個(gè)復(fù)雜的曲面，使用者需要根據(jù)具體情況重新對(duì)底層進(jìn)行考慮。把三維模型轉(zhuǎn)換為實(shí)體的方法有三種：線框造型、曲面造型和截面造型。

（3）地質(zhì)數(shù)據(jù)組織。數(shù)據(jù)建模最需要應(yīng)用三維地質(zhì)建模的主要有鉆孔數(shù)據(jù)圖及電子地形圖，根據(jù)實(shí)際情況確定插值方法及其應(yīng)用，可以起到補(bǔ)充地層缺失數(shù)據(jù)的作用。Kriging插值法是近年來(lái)常用的插值方法，也是本文采用的插值方法。

4.3 Civil3D軟件的應(yīng)用

Civil3D是一種基于AutoCAD的面向基礎(chǔ)設(shè)計(jì)行業(yè)的BIM建模方案。該軟件通過(guò)與多個(gè)專業(yè)建筑軟件的數(shù)據(jù)交互，完成三維虛擬模型的設(shè)計(jì)。將Civil3D技術(shù)應(yīng)用于延遲測(cè)量過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)剖面、場(chǎng)地采集和地表物體的可視化設(shè)計(jì)。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該軟件還有一些問(wèn)題尚未解決，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是不能獲取斷層、地層反演等地質(zhì)層特殊的信息資料；二是在插值過(guò)程中，不可能隨機(jī)選擇插補(bǔ)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置空間，插補(bǔ)方案有明顯的約束；三是運(yùn)算速度慢，效率難以大幅度提高。

5 巖土工程勘察BlM應(yīng)用及實(shí)踐

為了將BIM技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)等專業(yè)有機(jī)結(jié)合，本文將以revitarchitecture建模軟件為例，探討B(tài)IM的工作時(shí)間。具體操作內(nèi)容如下：第一步是收集巖土工程勘察施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)資料。在建筑建模軟件中，借助蘇街的地質(zhì)資料，利用“內(nèi)建模型”組件繪制“三維網(wǎng)格剖面”，并用不同的顏色逐一標(biāo)注巖土層，實(shí)現(xiàn)鉆孔數(shù)據(jù)的三維可視化和分布巖層的規(guī)律是直接反映的。第二步，利用繪制的“三維網(wǎng)格剖面”建立該巖土工程地質(zhì)模型。為了簡(jiǎn)化三維模型的制作過(guò)程，不需要表達(dá)巖土層內(nèi)透鏡體的地質(zhì)表達(dá)。在建立三維地質(zhì)模型后，利用建模軟件中的剖面切割工具，得到工程地質(zhì)剖面圖。此過(guò)程不同于二維輪廓顯示的信息。由建筑軟件得到的剖面圖代表了一個(gè)長(zhǎng)方體在巖土層上的投影內(nèi)容信息。第三步，根據(jù)巖土工程的具體情況，在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置五個(gè)樁基礎(chǔ)，利用RealGeA軟件對(duì)建筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯示，以達(dá)到可視化效果。如果樁基礎(chǔ)的承重層位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖上，則可以直接實(shí)現(xiàn)樁基礎(chǔ)在承重層上的三維效果圖。第四步利用Revita體系結(jié)構(gòu)軟件可視化三維地質(zhì)模型的開挖過(guò)程。由于建模軟件的局限性，在基坑開挖區(qū)選擇了表層以下的雜填土、粉土、粉質(zhì)黏土等。具體施工要求一定程度上決定了巖土工程，對(duì)巖土剖面進(jìn)行了截圖處理。在使用revitarchitecture軟件進(jìn)行巖土工程勘察時(shí)，由于外物的限制，還有一些問(wèn)題：一是鉆孔數(shù)據(jù)的輸入和巖土模型的建立都需要依靠人工操作。為了保障BIM技術(shù)在巖土工程中的有效應(yīng)用，有必要提高某類施工的效率，保證模型施工的準(zhǔn)確性。第二，BIM三維地質(zhì)建模系統(tǒng)只能處理常規(guī)的巖土層。如果巖土層中存在透鏡體或尖滅體，BIM技術(shù)將不能對(duì)底層巖土進(jìn)行后處理，這將降低測(cè)量結(jié)果的精度。第三，使用Realga結(jié)構(gòu)軟件對(duì)基坑開挖進(jìn)行模擬，只能手動(dòng)操作。第四，巖土工程勘察模型的輸出接口和計(jì)算存在一些不足。鑒于巖土工程中BIM技術(shù)的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)可視化勘察效果，解決軟件使用的局限性，應(yīng)建立與巖土工程勘察區(qū)一致的巖土數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用Revitapi實(shí)現(xiàn)巖土工程二次開發(fā)工程勘察成果，從而解決了巖土工程模型的輸出與構(gòu)造的接口問(wèn)題。除此以外，在利用Revitapi技術(shù)進(jìn)行巖土工程二次開發(fā)時(shí)，需要建立精確的巖土底部模型，并參考三維地質(zhì)模型的相關(guān)研究成果。

6 三維虛擬建模對(duì)巖土勘測(cè)的措施

6.1 開發(fā)模塊的原則

在使用BIM完成再次開發(fā)的過(guò)程中，要精確按照面向?qū)ο?、?dú)立功能、用戶友好作為前提條件。面向?qū)ο蟮墓δ苁潜Ｕ宪浖母叨燃?；功能?dú)立的功能是提高軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以為代碼展現(xiàn)更廣泛的使用范圍；友好的界面是幫助用戶學(xué)會(huì)三維建模軟件的使用方法時(shí)間不能太長(zhǎng)，以及操作和操作軟件模式更容易被人們接受。

6.2 模塊的功能

（1）生成插值點(diǎn)。大量的實(shí)例表明，巖土工程鉆探調(diào)查的鉆孔點(diǎn)分布是不均勻的，而且較為稀松。因此，必須開發(fā)插值點(diǎn)的功能，為以后的相關(guān)工作提供有力支持。插值點(diǎn)的生成過(guò)程包括兩部分：用戶操作及功能開發(fā)。功能開發(fā)的過(guò)程是：將建模軟件與excel對(duì)接，在事物中增加插值面積和數(shù)量，在事物中增加自動(dòng)平均循環(huán)，提交事物；用戶操作過(guò)程如下：首先將軟件繪圖狀態(tài)確定，然后建模工作完成；選擇插值區(qū)域；確定具體的插值點(diǎn)數(shù)；導(dǎo)出xlsx文件。實(shí)際的操作情況下，使用者應(yīng)注意：確定插值面積和插值點(diǎn)數(shù)是保證后續(xù)工作順利開展的前提。

（2）空間插值?？臻g插值的主要目的是保證生成的地形和地層表面的精度、逼真度和光滑度。它與插值點(diǎn)相同。具體設(shè)計(jì)過(guò)程包括功能開發(fā)和用戶操作。功能開發(fā)過(guò)程為：將建模軟件與excel對(duì)接，設(shè)計(jì)接口程序，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊，設(shè)計(jì)插值函數(shù)，完成結(jié)果生成程序的設(shè)計(jì)。用戶操作過(guò)程如下：完成軟件建模工作－輸入插補(bǔ)命令－根據(jù)實(shí)際需要確定插補(bǔ)方法：出現(xiàn)插補(bǔ)窗口，導(dǎo)入xlsx數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的插補(bǔ)結(jié)果文件。

（3）導(dǎo)出取點(diǎn)。在設(shè)計(jì)導(dǎo)出取點(diǎn)功能時(shí)，還需要考慮兩個(gè)方面，即功能開發(fā)和用戶操作。功能開發(fā)過(guò)程為：建模軟件與excel對(duì)接－確定空間數(shù)據(jù)點(diǎn)屬性－交易處理與選框結(jié)合－提交物品；用戶操作流程為：確定空間數(shù)據(jù)點(diǎn)－輸入導(dǎo)出點(diǎn)命令－選擇逐幀空間數(shù)據(jù)點(diǎn)－導(dǎo)出生成的xlsx文件。

7 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，作為一種全新的勘測(cè)技術(shù)，BIM的應(yīng)用范圍較大，并得到了國(guó)內(nèi)外眾多研究者的認(rèn)可，由此BIM可以運(yùn)用在每一個(gè)不同的建筑區(qū)域，它的發(fā)展和巨大潛力是不可能估量的。近年來(lái)，隨著BIM技術(shù)在建筑行業(yè)中的逐步運(yùn)用，有效增加企業(yè)之間的溝通與交流，對(duì)項(xiàng)目周期進(jìn)行動(dòng)態(tài)化管理，提升建筑工程集成化水平。BIM作為新的測(cè)量技術(shù)，它廣泛的應(yīng)用范圍，得到了很多研究人員的承認(rèn)。它可以高效應(yīng)用于建筑業(yè)的各個(gè)發(fā)展領(lǐng)域，其影響是不可估量的。