基于BIM的巖土工程勘察信息模型快速建模方法

鄭國棟

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

巖土工程勘察是工程建設(shè)全生命期不可或缺的一個(gè)重要階段，其成果是工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工的重要技術(shù)依據(jù)。隨著BIM(Building Information Modeling)技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛、越來越成熟，運(yùn)用三維可視化信息模型集合工程全生命周期不同階段各參與方的數(shù)據(jù)、信息資源，使不同階段各參與方之間的數(shù)據(jù)信息得到共享和協(xié)同工作[1-6]。巖土工程勘察運(yùn)用BIM技術(shù)勢在必然。但由于地質(zhì)成因以及在不良地質(zhì)作用條件下，其所構(gòu)成的建構(gòu)筑物地基的巖土體在三維空間分布形態(tài)上均是無規(guī)則的非幾何體，顯然難以直接采用由不同幾何體組合的建構(gòu)筑物BIM三維建模軟件和方法，這對于進(jìn)一步深入而廣泛推進(jìn)巖土工程勘察BIM技術(shù)的應(yīng)用，無疑是一個(gè)必須面對和亟待解決的一大難題。

基于此，本研究立足實(shí)現(xiàn)基于BIM應(yīng)用條件下巖土工程勘察信息模型快速建模[7-15]和建立巖土工程勘察數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，利用現(xiàn)有可構(gòu)建非幾何體的三維建模軟件，研發(fā)相關(guān)聯(lián)的插件，以快速實(shí)現(xiàn)在BIM應(yīng)用條件下的巖土工程勘察信息模型，促進(jìn)巖土工程勘察在工程建設(shè)全生命期BIM平臺上協(xié)同工作以及數(shù)據(jù)和信息共享。

1 基于BIM條件下的工程勘察信息模型建模條件

目前，國內(nèi)外研發(fā)的三維地質(zhì)建模軟件產(chǎn)品已有數(shù)十款，主要都是為滿足某個(gè)專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的三維可視化建模軟件，尚未有基于BIM應(yīng)用條件下適用于巖土工程勘察領(lǐng)域且被普遍接受和廣泛應(yīng)用的三維信息模型應(yīng)用軟件。由于現(xiàn)有的三維可視化地質(zhì)信息模型應(yīng)用軟件均不是基于BIM理念下開發(fā)的，因此無法實(shí)現(xiàn)多專業(yè)的數(shù)據(jù)信息共享和協(xié)同工作，所建立的三維可視化地質(zhì)信息模型于是都形成了信息孤島。因此，基于BIM條件下的勘察信模型應(yīng)具備以下條件：

(1)勘察數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)庫建立。首先應(yīng)實(shí)現(xiàn)勘察現(xiàn)場測量、勘探、測試、試驗(yàn)等各專業(yè)源數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸和存儲，構(gòu)建滿足BIM應(yīng)用條件的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和交換標(biāo)準(zhǔn)。所有進(jìn)入數(shù)據(jù)庫共享層的模型數(shù)據(jù)均應(yīng)具備三維屬性，并應(yīng)符合數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)要求，這是實(shí)現(xiàn)快速建模的先決條件，才能使所建立的巖土工程勘察信息模型滿足工程全生命期各參與方之間的數(shù)據(jù)無損傳遞、信息共享和協(xié)同工作。

(2)工程地質(zhì)分析推演系統(tǒng)與和快速建模共存。目前所有的三維地質(zhì)體均是根據(jù)有限的勘探數(shù)據(jù)源進(jìn)行劃分和推演。地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)源主要由鉆孔、物探以及地質(zhì)測繪等野外勘察手段獲取的原始數(shù)據(jù)組成。建筑信息模型是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建模，模型的尺寸是已知的。與建筑信息模型不同，工程勘察信息模型需要根據(jù)有限的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析推演，即工程勘察信息模型的建模過程也是對地質(zhì)體空間的推演過程，特別是當(dāng)?shù)刭|(zhì)體復(fù)雜或出現(xiàn)異常的情況下，需要專業(yè)技術(shù)人員從工程地質(zhì)學(xué)的角度進(jìn)行分析并適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行人工干預(yù)。創(chuàng)建工程勘察信息模型應(yīng)能夠高效快捷，如果創(chuàng)建一個(gè)模型歷時(shí)過長，甚至遠(yuǎn)大于繪制傳統(tǒng)二維剖面的耗時(shí)，這顯然違背了創(chuàng)建三維模型的初衷。

(3)數(shù)據(jù)分析處理和協(xié)同工作。巖土工程勘察信息模型除了應(yīng)具備三維可視化功能外，還要充分發(fā)揮其協(xié)調(diào)性，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，為其他專業(yè)提供協(xié)同工作的可能性。在所建立的層級數(shù)據(jù)庫里，可隨時(shí)根據(jù)需求調(diào)用工程勘察數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，在同一平臺下滿足設(shè)計(jì)階段和施工階段項(xiàng)目不同參與方的使用需求。如基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)方案優(yōu)化、巖土工程設(shè)計(jì)、巖土工程監(jiān)測等，達(dá)到協(xié)同工作的目的。將工程勘察數(shù)據(jù)庫、基于BIM條件下的巖土工程勘察信息模型、設(shè)計(jì)分析模塊有機(jī)結(jié)合起來，達(dá)到數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作。

(4)標(biāo)準(zhǔn)化出圖。BIM目前的應(yīng)用正向設(shè)計(jì)，由于軟件操作復(fù)雜、硬件設(shè)備要求高、工效慢等原因，這也正是目前工程設(shè)計(jì)還離不開傳統(tǒng)二維CAD制圖方式的主要原因，更多是由于業(yè)主或其他項(xiàng)目參與方的需求，不得不采用逆向BIM設(shè)計(jì)即翻模方式，無形之間增加了設(shè)計(jì)人員不少的工作量，也失去了BIM指導(dǎo)設(shè)計(jì)目的。真正基于BIM條件下的工程勘察應(yīng)該擺脫這種困境，應(yīng)采取正向設(shè)計(jì)方式建立基于BIM條件下的工程勘察信息模型，然后通過三維信息模型任意剖切導(dǎo)入CAD軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化出圖。傳統(tǒng)采用CAD軟件繪制工程地質(zhì)剖面圖，地層分析主要采用內(nèi)連外推的方式進(jìn)行簡單處理，僅根據(jù)剖面內(nèi)的鉆孔信息推演出來的地質(zhì)體在空間上解釋往往是多解性，同時(shí)給設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)造成一定的困擾。而通過工程勘察信息模型推導(dǎo)的地質(zhì)體在空間上具有唯一解釋，因此由三維信息模型任意剖切導(dǎo)入CAD軟件自動生成的二維剖面圖，具有唯一性，設(shè)計(jì)人員可以充分利用三維可視化巖土工程勘察信息模型進(jìn)行精細(xì)量化設(shè)計(jì)。

2 三維快速建模方法

2.1 建模思路

三維快速建模流程如圖1所示，大體可以分為以下6個(gè)步驟：

圖1 快速建模流程圖

①地形測繪、周邊已有建筑和構(gòu)筑物的收集，創(chuàng)建地表模型。

②將原始勘探資料(鉆探、物探、地質(zhì)測繪等野外勘察手段)錄入到標(biāo)準(zhǔn)化的層級數(shù)據(jù)庫內(nèi)。

③根據(jù)層級數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建勘探點(diǎn)模型，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制剖面，生成初始化剖面資料。

④對地層進(jìn)行界面的分析，通過數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)和勘探點(diǎn)模型在空間展示的情況，利用空間插值和基于地質(zhì)成因機(jī)理進(jìn)行地層曲面修正相結(jié)合的方式，將地質(zhì)界面在三維空間的延展和收斂，該部分在三維建模中是核心技術(shù)部分。

⑤劃分地層界面和特殊地質(zhì)體分布情況，分別生成相應(yīng)的地質(zhì)曲面與地質(zhì)體，結(jié)合地表模型，生成巖土工程勘察信息模型。

⑥根據(jù)勘察標(biāo)準(zhǔn)出圖的要求對三維地質(zhì)體進(jìn)行剖切，獲取剖面資料并標(biāo)準(zhǔn)化出圖，還可根據(jù)設(shè)計(jì)需求生成等深線圖。

2.2 勘探點(diǎn)模型

調(diào)用層級數(shù)據(jù)中庫存儲的勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，在模型三維軟件中生成鉆孔模型，如圖2所示，同時(shí)將勘探平面位置圖從CAD導(dǎo)入到模型中，通過不同角度核對模型數(shù)據(jù)的合理性，并為下一步地質(zhì)體三維建模提供依據(jù)。

圖2 鉆孔模型及勘探點(diǎn)平面位置圖

2.3 空間插值方法

巖土體界面的數(shù)學(xué)模擬是建立三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)。構(gòu)建建設(shè)場地巖土體三維巖土工程信息模型時(shí)，不宜直接采用Dulauny三角剖分法構(gòu)造空間不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)來構(gòu)建地質(zhì)界面。由于在滿足現(xiàn)行國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上工程勘察勘探點(diǎn)間距往往相距較遠(yuǎn)，所獲取的地層原始數(shù)據(jù)信息尚不能滿足構(gòu)建信息模型所需精度要求，需要從地質(zhì)學(xué)的觀點(diǎn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)出發(fā)對相鄰勘探點(diǎn)間的地層界面的變化趨勢進(jìn)行判斷；另一方面，如果插值曲面不光滑，則，無法求出地層界面上某點(diǎn)坐標(biāo)軸的坡向、坡度和曲率。故應(yīng)采用離散數(shù)據(jù)擬合與空間插值方法建立三維巖土工程勘察信息模型。

2.3.1反距離加權(quán)插值法

反距離加權(quán)[16-20](inverse distance weighted, IDW)是一種確定性方法，用于已知散點(diǎn)集的多變量插值。其基本原理是已知鉆孔數(shù)據(jù)點(diǎn)的三維空間信息，即坐標(biāo)和高程值，勘察區(qū)域內(nèi)所有鉆孔數(shù)據(jù)均對插值點(diǎn)的數(shù)據(jù)值有影響，距離未知點(diǎn)近的點(diǎn)的影響力(權(quán)重)大于距離遠(yuǎn)的點(diǎn)。若待插值點(diǎn)X的周圍有N個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)點(diǎn)，則X點(diǎn)的高程值為：

(1)

2.3.2克里金插值法

克里金法[16-21](kriging method)是依據(jù)協(xié)方差函數(shù)對隨機(jī)過程/隨機(jī)場進(jìn)行空間建模和預(yù)測(插值)的回歸算法?？死锝鸱ㄊ且肓税ǜ怕誓Ｐ驮趦?nèi)的統(tǒng)計(jì)模型，從已知數(shù)據(jù)的相關(guān)性和變異性出發(fā)，對有限區(qū)域內(nèi)的位置點(diǎn)取值進(jìn)行無偏、最優(yōu)估計(jì)的插值方法。在已知的有限區(qū)域范圍內(nèi)對待插值點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)：

(2)

式中：z(S0)為待插值點(diǎn)數(shù)值；λi為第i個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)的權(quán)重；z(Si)為第i個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)值；N為鉆孔的總數(shù)。

對于權(quán)重系數(shù)λi，可以利用如下克里金方程組求解：

(3)

式中γ(xi,xj)為鉆孔數(shù)據(jù)點(diǎn)xi與xj之間的變異函數(shù)值；μ為拉格朗日常數(shù)。

2.4 基于地質(zhì)成因機(jī)理進(jìn)行地層曲面修正

由于不同地質(zhì)成因和不良地質(zhì)作用，地質(zhì)體在地下三維空間中的表現(xiàn)形式都是不規(guī)則的非幾何形體。即使在一個(gè)有限空間范圍內(nèi)的建設(shè)場地，也會因其成因和不良地質(zhì)作用使地層存在諸多的不連續(xù)、非幾何形體的地質(zhì)界面，如地下空洞、透鏡體、夾層、孤石、斷層等。因此，采用傳統(tǒng)的建模技術(shù)和三維BIM設(shè)計(jì)軟件都難以快速有效地?cái)M合出理想且符合地質(zhì)學(xué)的實(shí)際地層分布情況。由于受常規(guī)勘察點(diǎn)間距偏大的約束，無法完全揭示地層空間分布情況，必須由巖土工程勘察技術(shù)人員根據(jù)地質(zhì)學(xué)原理地質(zhì)成因機(jī)理，通過相鄰勘探點(diǎn)之間勘探成果進(jìn)行合理的推導(dǎo)和判斷，以進(jìn)一步確定地質(zhì)體的延伸和分布，對地層曲面進(jìn)行修正，最終形成地層曲面信息模型，如圖3(a)所示。具體做法：可將勘探孔三維信息模型和地層三維曲面模型進(jìn)行疊加，檢查地層三維曲面信息模型和鉆孔三維信息模型之間是否契合，并判斷地層曲面的合理性(圖3(b))，對不合理的曲面進(jìn)行局部加權(quán)系數(shù)調(diào)整，再插值。檢查完畢后，按照曲面間的邏輯關(guān)系形成實(shí)體三維勘察信息模型(如圖3(c)所示)，并交付設(shè)計(jì)人員使用。為方便設(shè)計(jì)人員使用，可以把三維實(shí)體勘察信息模型中可作為基礎(chǔ)持力層的地層曲面單獨(dú)提取出來，作等深線處理，如圖3(d)所示。

(a)地層曲面模型 (b)鉆孔模型和地層曲面模型

(c)三維地質(zhì)體模型 (d)三維等深線模型

2.5 標(biāo)準(zhǔn)化出圖

根據(jù)勘察報(bào)告出圖標(biāo)準(zhǔn)，沿勘察信息模型預(yù)設(shè)鉆孔剖面線方向進(jìn)行剖切。剖切好的信息模型，可以單獨(dú)展示剖面信息模型(如圖4(a)所示)，也可以導(dǎo)入CAD中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)出圖(如圖4(b)所示)。通過三維模型切出來后的剖面信息模型和二維工程地質(zhì)剖面具有唯一性，地層的連線也將不再是生硬的內(nèi)連外推的形式。

3 結(jié)語

(1)基于BIM技術(shù)的巖土工程勘察信息模型是建筑信息模型的重要組成部分，巖土工程勘察信息模型是將巖土工程勘察成果數(shù)字化的表達(dá)，并且創(chuàng)建的模型可以供其他專業(yè)使用。巖土工程勘察信息模型可以成為工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工的重要技術(shù)依據(jù)。

(a)剖面模型 (b)二維標(biāo)準(zhǔn)化剖面圖

(2)基于BIM技術(shù)的巖土工程勘察信息模型，應(yīng)當(dāng)在層級數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上創(chuàng)建，以保證數(shù)據(jù)的唯一性以及便于交付使用和管理。

(3)基于BIM技術(shù)的巖土工程勘察信息模型應(yīng)當(dāng)能夠快速高效地創(chuàng)建。作為提升工作效率和實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計(jì)的重要手段，巖土工程勘察信息模型應(yīng)當(dāng)能夠有效地減輕設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)，在實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計(jì)的前提下，有效地節(jié)省時(shí)間成本。

(4)基于BIM技術(shù)的巖土工程勘察信息模型應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化出圖。傳統(tǒng)二維出圖模式下的剖面圖僅是依靠剖面內(nèi)的鉆孔生硬地內(nèi)連外推形成，這種情況下地層連線往往是多解的，而由三維模型剖切出的剖面圖具有唯一性。