樁基工程BIM智能化建模及數(shù)據(jù)提取方法

向衛(wèi)國 王富章 趙魯東 劉承慧 許哲

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；3.山東同圓數(shù)字科技有限公司，濟南 250101；4.深圳市前海數(shù)字城市科技有限公司，廣東深圳 518000）

工程項目中由于樁基數(shù)量多使得模型體量大，建模周期長。此外樁基設計合理性的驗證與地質(zhì)情況密不可分［1］，需要制作精細的地質(zhì)模型。通過智能化的手段提升樁基模型和地質(zhì)模型的建模效率及精度，并實現(xiàn)模型的整合，是將BIM技術(shù)應用于樁基工程設計驗證的重要條件。

常見的樁基模型創(chuàng)建方法：①在BIM軟件中手動建模，此方法建模效率低，易出錯。②通過對BIM軟件的二次插件開發(fā)進行翻模，此方法理論上可以解決建模效率問題［2］，但實際使用中由于對圖紙質(zhì)量的要求大，往往造成翻模成功率低或翻出的模型不準確。翻模成功率約70%，翻模不成功的地方仍需手動調(diào)整，整體模型需人工仔細核對。

地質(zhì)模型一般是在GIS類軟件如理正、睿城傳奇、ArcGIS、Supermap等中制作。此類軟件對地質(zhì)模型的建模精度高，但軟件本身操作難度大，不利于平時使用［3］。通過Revit軟件二次開發(fā)可以實現(xiàn)地質(zhì)模型搭建［2］，但Revit不具備地質(zhì)層曲面處理等功能，搭建的地質(zhì)模型不精確。

GIS類軟件具備模型整合及數(shù)據(jù)處理功能，通過GIS軟件整合地質(zhì)及樁基模型可以實現(xiàn)樁基深入各地質(zhì)層長度的提取，及土方分層開挖工程量的提?。?］。但其與BIM類軟件分屬不同的軟件體系，整合后的樁基模型會丟失大量的屬性信息，導致無法很好地開展后續(xù)BIM技術(shù)應用。

鑒于以上問題，丞需探索一套既能實現(xiàn)樁基工程快速建模，又能實現(xiàn)地質(zhì)與樁基模型的整合及數(shù)據(jù)提取，用于輔助樁基設計的方法。Dynamo是Autodesk公司幫助用戶實現(xiàn)互操作性的工作流程文檔管理，自動模型創(chuàng)建、協(xié)調(diào)、模擬和分析開發(fā)的可視化編程軟件，其在公路立交BIM快速建模方向已有應用先例［5］。此軟件對開發(fā)人員的技術(shù)要求低，建筑工程從業(yè)人員可根據(jù)自身需求進行定制級開發(fā)［6］，從理論上講可以實現(xiàn)智能化樁基建模、模型整合及數(shù)據(jù)的自動提取。

1 研究方法

采用BIM軟件與可視化編程軟件Dynamo相結(jié)合的方式，探索樁基工程參數(shù)化快速建模方法，并探索基于BIM模型的樁長數(shù)據(jù)及分層土方量快速提取的方法［7-9］。旨在解決樁基工程建模難、效率低、模型整合難、數(shù)據(jù)提取難的問題，使BIM技術(shù)更好服務于樁基工程建設。研究思路如下：

1）樁基模型智能創(chuàng)建。通過參數(shù)化構(gòu)件庫建設及Dynamo可視化編程技術(shù)實現(xiàn)樁基模型的智能快速創(chuàng)建及快速調(diào)整，解決樁基模型工作量大、創(chuàng)建難、效率低的問題。

2）地質(zhì)模型智能創(chuàng)建。通過Geotechnical Module插件與Civil 3D軟件的結(jié)合應用，實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)智能處理及地質(zhì)模型快速創(chuàng)建，解決地質(zhì)模型創(chuàng)建難、效率低的問題。

3）模型整合。通過Dynamo編程實現(xiàn)地質(zhì)模型與樁基模型的整合，確保模型信息傳遞的完整性。

4）數(shù)據(jù)提取。通過Dynamo編程實現(xiàn)樁長數(shù)據(jù)的快速提取，通過Revit明細表功能快速統(tǒng)計土方分層開挖工程量，服務于樁基工程建設。

樁基工程參數(shù)化建模流程見圖1。

圖1 參數(shù)化建模流程

2 關(guān)鍵技術(shù)

BIM軟件與可視化編程軟件Dynamo相結(jié)合的建模及模型整合方法存在以下難點：

1）Dynamo識別的是數(shù)據(jù)，不是圖紙。Dynamo識別的是CSV，Excel格式的表格文件或其他方式的數(shù)值，而樁基項目提供的是一般CAD格式的圖紙，如何將CAD中的有效信息轉(zhuǎn)化成為Dynamo可識別的數(shù)據(jù)是開展建模工作的前提。

2）如何通過Dynamo工作流實現(xiàn)智能化樁基建模。Dynamo軟件本身不具備建模功能，需要通過編碼形成命令塊，再通過多個命令組合成工作流來實現(xiàn)智能化建模。

3）地質(zhì)模型與樁基模型分別在不同的軟件中建模，如何實現(xiàn)模型的無損整合。地質(zhì)模型在Civil軟件中建模、樁基模型通過Dynamo在Revit軟件中建模，如何將不同軟件的模型無損整合，是實現(xiàn)后續(xù)數(shù)據(jù)提取及其他BIM技術(shù)應用的關(guān)鍵問題。

3 研究內(nèi)容

3.1 樁基智能建模

本文探索通過創(chuàng)建樁基Excel表格及Revit參數(shù)化樁基族，并結(jié)合Dynamo工作流的方式實現(xiàn)樁基工程的智能化快速建模。主要流程見圖2。

該方法實現(xiàn)了通過自動提取CAD中的樁基平面位置坐標及樁基尺寸信息，并自動將這些信息整理在Excel表格中。相比于純?nèi)斯そy(tǒng)計，確保了數(shù)據(jù)信息的準確性，且速度比人工提取提高了5倍。

為了實現(xiàn)樁基尺寸的快速調(diào)整，在Revit中對樁基族添加了直徑、樁長等參數(shù)。另外該方法實現(xiàn)了將參數(shù)化樁基族調(diào)整與智能化樁基布置進行關(guān)聯(lián)，相比于一般的Dynamo建模方式，參數(shù)關(guān)聯(lián)后建模效率提升更為明顯；該方法通過Dynamo編制List和Geometry的程序流（圖3），將樁基表格中數(shù)據(jù)分別賦予對應的族參數(shù)中，再將樁基族按照坐標和高程放置在Revit項目中，實現(xiàn)了大面積樁基模型的智能化快速布置。

圖2 樁基工程的智能化快速建模流程

圖3 Dynamo樁基布置工作流

在發(fā)生圖紙變更時，只需更改表格中的數(shù)據(jù)無需重新處理圖紙，重新運行Dynamo程序即可完成模型更新。為了確保模型的精度，在Revit中導入CAD平面圖紙進行平面位置校驗，通過Revit明細表功能導出樁基的直徑、樁長、樁頂標高等數(shù)據(jù)進行樁基參數(shù)的校驗。

3.2 地質(zhì)智能建模

地質(zhì)智能建模采用GM（Geotechnical Module）插件實現(xiàn)地質(zhì)曲面模型搭建，配合Civil 3D曲面處理功能實現(xiàn)地質(zhì)實體模型的創(chuàng)建。地質(zhì)智能建模流程如圖4所示。

圖4 地質(zhì)智能建模流程

依靠Civil 3D的原生功能對曲面進行平滑處理，即采用“自然臨近內(nèi)插法”在三角形“邊中點”插入一個點數(shù)據(jù)，軟件通過重新計算得到一個更平滑的三角形曲面［10］。通過多次采用“內(nèi)插法”之后，就會得到一個和實際接近的地質(zhì)層三角網(wǎng)曲面。以某項目雜填土地質(zhì)曲面頂為例，經(jīng)過3次平滑處理，該曲面由最初的253個三角形邊增加到2 197個三角形邊。

地質(zhì)模型的校驗可以通過Dynamo提取鉆孔點處的地質(zhì)層數(shù)據(jù)來與勘察報告中的地勘柱狀圖進行對比，具體方法同數(shù)據(jù)提取部分。經(jīng)過模型校驗，地質(zhì)模型的坐標及深度與地勘報告的誤差在0.4 mm以內(nèi)，模型精度較高也為后續(xù)數(shù)據(jù)提取提供了重要的保障。

3.3 模型整合

考慮到后續(xù)需通過Dynamo進行數(shù)據(jù)提取，本文采用Revit作為模型整合平臺，地質(zhì)模型需通過Dynamo將Civil 3D中導出的地質(zhì)實體轉(zhuǎn)為Revit中的常規(guī)模型族。主要流程見圖5。

圖5 模型整合流程

實體轉(zhuǎn)化工作流見圖6，可調(diào)用Revit中的材質(zhì)庫功能為地質(zhì)模型添加真實的材質(zhì)。轉(zhuǎn)化過的地質(zhì)模型以族的形式存在于項目中，可以重新進入族編輯模式來進行“空心剪切”等操作。

圖6 Dynamo實體轉(zhuǎn)化工作流

選擇Revit作為模型整合平臺，使用剖切框或者剖切面去查看任意地質(zhì)斷面與樁的交互關(guān)系，使得隱蔽的地下構(gòu)造變得更加直觀（圖7），便于現(xiàn)場施工人員更好判斷樁基的位置關(guān)系，避免因為孤石或夾層造成的工程樁成孔錯誤，方便預估工程難度。

3.4 數(shù)據(jù)提取

1）樁基深入各地質(zhì)層長度數(shù)據(jù)提取

圖7 Revit整合模型

通過Dynamo編制提取樁基深入各地質(zhì)層的長度數(shù)據(jù)的工作流，對樁基設計圖紙進行復驗。主要流程見圖8。

圖8 數(shù)據(jù)提取流程

計算樁基礎埋深就需要得出樁基與每一層地質(zhì)曲面的交點坐標，如圖9所示，實現(xiàn)了兩軟件之間的數(shù)據(jù)互通。再通過Geometry.Intersect節(jié)點獲取樁基與地形曲面之間的交點坐標，提取坐標中的高程Z值并添加樁頂標高和樁底標高，進行錯位相減即可得到樁基在各地質(zhì)層中的長度數(shù)據(jù)。

圖9 Dynamo曲面類型轉(zhuǎn)化及交點計算工作流

最后通過Excel.WriteToFile節(jié)點，將長度等數(shù)據(jù)導出到Excel表格的指定位置中，部分基礎數(shù)據(jù)見表1；在表格中可以清楚確定樁端進入持力層的深度是否滿足設計入巖深度要求，使得設計人員可以制定最經(jīng)濟的樁長方案，減少工程造價；也使得現(xiàn)場施工人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)準確判定每根樁的入巖深度，大大縮短了項目工期。

2）土方分層開挖工程量提取

基坑開挖土石方量的核算往往是工程造價中的爭議焦點，通過Dynamo對模型進行布爾運算，得到各地質(zhì)層的土方開挖量。通過Revit創(chuàng)建與基坑開挖體積一致的整體模型，然后分別在Dynamo中導入地質(zhì)模型及基坑開挖模型，通過Solid.Difference計算二者的布爾差集即可得到開挖后的地質(zhì)模型，最后計算開挖前后的地質(zhì)層體積并導出到表格中，見表2。

表1 樁基深入各地層長度數(shù)據(jù)

表2 土方工程基坑分層開挖工程量 m3

通過這種方法在基坑開挖前就可以大致確定土石方量及土石比，方便現(xiàn)場合理調(diào)配機械設備和安排工期，提高了基坑開挖的施工效率。

4 分析比較

4.1 樁基建模方法比較

本文采用的Dynamo+Revit建模方法與其他建模方法的效果對比見表3?？芍摻７椒o論是建模效率及建模質(zhì)量相較于其他建模方法均有顯著提升。

表3 樁基建模方法效果對比

4.2 地質(zhì)建模方法比較

本文所用到的地質(zhì)建模方法與GIS類軟件建模方法效果對比見表4?？芍?種方法的建模效率及模型質(zhì)量均有保障。但GIS類軟件操作難度相對較大，購買費用高，不利于平時使用。

表4 地質(zhì)建模方法效果對比

4.3 模型整合的數(shù)據(jù)提取效果比較

本文采用的Dynamo+Revit整合方法與GIS平臺整合方法效果對比見表5?？芍?，2種方法模型整合后均能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的提取，但GIS平臺整合后的模型信息丟失多，后續(xù)沿用性不強，且GIS類軟件操作難度相對較大，購買費用高。

表5 模型整合方法效果對比

綜上所述，本文所采用的樁基模型創(chuàng)建方法、建模效率及建模質(zhì)量較其他方法有大幅提升；地質(zhì)模型創(chuàng)建方法的建模精度及建模效率有保障，且模型整合后可實現(xiàn)樁基深入各地質(zhì)層長度數(shù)據(jù)的自動提取，各類信息保存完整。另外，Dynamo工作流可單獨保存，復用于其他項目。本文經(jīng)探索得到了一套從樁基工程模型搭建、模型整合到數(shù)據(jù)提取完整的BIM技術(shù)應用方法。

5 應用

將前述方法應用于一地下車庫樁基工程，取得了良好的應用效果，幫助項目優(yōu)化了樁長3 000 m，節(jié)約造價約23萬元，精確計算了土方工程量，減少了樁基工程施工周期約20 d?？梢娫摲椒僧a(chǎn)生實際價值。

6 結(jié)論

1）通過采用BIM軟件與可視化編程軟件Dynamo相結(jié)合的方式，詳細論述了地質(zhì)模型及樁基模型的參數(shù)化快速精確搭建方法，樁基模型與地質(zhì)模型的整合方法及樁長、土方分層開挖工程量數(shù)據(jù)提取方法。通過實際操作證明了該方法的可實施性。

2）通過與其他應用方法的對比，表明所提出的建模方法可提升10倍的樁基工程建模效率，模型精度亦顯著提升。通過將Dynamo程序組打包的形式，可實現(xiàn)其他項目的復用，解決了樁基工程建模難、數(shù)據(jù)提取難的問題。該方法學習難度低，軟件操作簡單，推廣價值高，能推動BIM技術(shù)更好的服務于工程建設。