基于BIM 新技術(shù)的陡坡填方梁場(chǎng)設(shè)計(jì)方法研究

張 軍 高月波 付紹強(qiáng)

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 概述

為保證預(yù)制梁加工生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)質(zhì)量，節(jié)約建設(shè)成本并減少場(chǎng)內(nèi)的二次搬運(yùn)，梁場(chǎng)科學(xué)合理規(guī)劃尤為重要。對(duì)于處于復(fù)雜地形如高陡邊坡地區(qū)的梁場(chǎng)初步地形探測(cè)而言，主要以人工踏勘為主，難以準(zhǔn)確評(píng)估梁場(chǎng)原始地理?xiàng)l件。隨著三維激光掃描技術(shù)、無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量等新興手段的興起被廣泛應(yīng)用復(fù)雜地形及邊坡測(cè)量中[3]。本文通過(guò)BIM新技術(shù)提出一套三維地形及地質(zhì)建模方法，對(duì)三維模型進(jìn)行多視角觀察與分析研究，觀察地表以下巖土的分布特征并分析地質(zhì)條件，并采用通用巖土分析軟件對(duì)帶區(qū)域地質(zhì)條件進(jìn)行精準(zhǔn)分析，為預(yù)制梁場(chǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可靠分析數(shù)據(jù)，為預(yù)制梁廠的科學(xué)合理規(guī)劃及高效生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

2 基于BIM 技術(shù)的地形地質(zhì)信息模型的構(gòu)建方法

2.1 陡坡地形三維數(shù)值建模方法

2.1.1 無(wú)人機(jī)航空攝影航線規(guī)劃

為獲取復(fù)雜地形地貌區(qū)域的精確地形地質(zhì)信息，可以采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行實(shí)景模型的精準(zhǔn)構(gòu)建，通過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)劃合理的航線對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行全景拍攝重建。若掃描區(qū)域過(guò)大且復(fù)雜多變，單次拍攝無(wú)法精準(zhǔn)全面獲取模型細(xì)節(jié)信息，為使模型更加精細(xì)準(zhǔn)確，通常采用多航線多視角航飛拍攝，最后將多航線及多視角照片進(jìn)行融合從而構(gòu)建全景地形模型。攝影測(cè)量技術(shù)要求航拍照片具有較高的重疊度要求。在該項(xiàng)目中，旁向重疊度和航向重疊度均為75%（圖1）。

圖1 無(wú)人機(jī)航空攝影

2.1.2 三維實(shí)景模型的建立

通過(guò)無(wú)人機(jī)按設(shè)計(jì)航線獲取目標(biāo)區(qū)域高精度航空影像數(shù)據(jù)，采用主流建模軟件ContextCapture 進(jìn)行實(shí)景建模，建模流程主要包括：工程準(zhǔn)備、空三加密、模型重建、以及模型分析幾個(gè)步驟。

空三加密和模型重建是傾斜攝影建模中最重要的兩個(gè)步驟，空三的精度直接決定了重建模型的精度[4]?？杖用懿捎脜^(qū)域網(wǎng)法，用光束法和多項(xiàng)式法進(jìn)行整體平差解算，檢驗(yàn)解算好壞的重要標(biāo)志是影像像元的均方根?？杖\(yùn)算完成后，基于ContextCapture的模型求解器，采用集群運(yùn)算，快速生成測(cè)區(qū)的密集點(diǎn)云。

2.1.3 地形生成

基于真實(shí)影像生成的高密度點(diǎn)云包含地面植被等信息的遮擋及干擾,不能真實(shí)反映地表信息，故需對(duì)干擾部分進(jìn)行剔除，首先通過(guò)手動(dòng)方式剔除地表較大植被的干擾，其次采用高斯濾波算法對(duì)貼近地表雜草點(diǎn)云進(jìn)行濾波降噪，高斯濾波降噪優(yōu)點(diǎn)在于雜亂點(diǎn)云經(jīng)過(guò)濾波處理之后，其主要形貌仍被保留，地貌特征不發(fā)生改變[5]。去噪后點(diǎn)云雖然減少了雜點(diǎn)的干擾，但數(shù)據(jù)量仍是海量性的，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)壓縮。本次通過(guò)按曲率采樣的方式，在不影響曲面重構(gòu)和保證一定精度的情況下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，從而提高數(shù)據(jù)處理速度（圖2）。

圖2 地形點(diǎn)云

2.2 三維地質(zhì)模型構(gòu)建

三維地質(zhì)建模方法按建模數(shù)據(jù)源的類(lèi)型不同可以分為基于鉆孔、基于地質(zhì)剖面、基于野外地表地址數(shù)據(jù)等方法[6]，針對(duì)河邊大橋的特點(diǎn)以及鉆孔分布的疏密程度，本文提出的地質(zhì)建模方法是基于精確實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重構(gòu)三維精細(xì)地質(zhì)數(shù)字模型的方法。主要的建模步驟如下：

2.2.1 以無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲得的密集點(diǎn)云作為地質(zhì)模型表面數(shù)據(jù)，采用曲面擬合法擬合得到地表模型，如圖3（a）所示。

圖3 地形模型及鉆孔分布

2.2.2 在梁場(chǎng)范圍內(nèi)選擇合適位置進(jìn)行地質(zhì)鉆孔，得到場(chǎng)區(qū)下的底層分布數(shù)據(jù)，如圖3（b）所示。利用克里金插值法，完成工程范圍內(nèi)地質(zhì)層面的建立，如圖4（a）所示。

圖4 地層分布及地質(zhì)模型

2.2.3 將地層曲面封裝為實(shí)體三維模型，完成三維地質(zhì)信息模型的建立（圖4-b），并賦予各巖土層相應(yīng)的屬性。

3 陡坡填方梁場(chǎng)地質(zhì)建模方法及穩(wěn)定性分析

為更真實(shí)的模擬現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和貼近施工實(shí)際，本文采用Midas-GTS 有限元軟件對(duì)陡坡開(kāi)挖及擋墻支護(hù)進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析。邊坡數(shù)值模擬數(shù)值分析主要計(jì)算位移和應(yīng)力應(yīng)變的空間分布特征及在荷載和環(huán)境等作用下的發(fā)展過(guò)程，采用一定準(zhǔn)則進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估。

3.1 三維地質(zhì)模型的建立

利用Midas-GTS 進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，主要流程如下：幾何模型的建立-定義材料參數(shù)-網(wǎng)格劃分-設(shè)定分析條件-分析及結(jié)果查看。上文采用多源數(shù)據(jù)的融合建立地質(zhì)實(shí)體模型，將該模型作為Midas-GTS的實(shí)體模型，省去相應(yīng)建模步驟同時(shí)更好的模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

3.1.1 材料參數(shù)。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)勘查資料和相關(guān)規(guī)范選取合適的巖土力學(xué)參數(shù)，以及擋墻支護(hù)材料的屬性參數(shù)，相關(guān)參數(shù)如下表所示。Midas-GTS 提供多種巖土模型，本文采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，是典型的彈性-完全塑性本構(gòu)關(guān)系，應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)前與應(yīng)變成正比例關(guān)系，超過(guò)屈服點(diǎn)時(shí)為水平線。

圖8 x、y、z 方向應(yīng)力云圖

3.1.2 網(wǎng)格模型。Midas-GTS 提供多種網(wǎng)格類(lèi)型，包括三面題、四面體、六面體等，網(wǎng)格劃分越細(xì)計(jì)算結(jié)構(gòu)越精確，同時(shí)耗時(shí)越久，考慮到所分析地形場(chǎng)景較大，采用四面體劃分網(wǎng)格，同時(shí)對(duì)重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域如開(kāi)挖區(qū)域以及擋土墻部分進(jìn)行播種，網(wǎng)格細(xì)化加密?？紤]到相鄰區(qū)域的耦合，應(yīng)在網(wǎng)格劃分前對(duì)相鄰區(qū)域進(jìn)行布爾運(yùn)算中的差集運(yùn)算（圖5）。

圖5 網(wǎng)格模型

3.1.3 邊界條件及計(jì)算方法。模型底部設(shè)置為固定邊界約束，土體四周限制其滑動(dòng)，同時(shí)坡面為自由邊界，荷載僅為自重。Midas-GTS的強(qiáng)大功能在于可以考慮施工階段的非線性分析，本次共分為兩個(gè)施工階段，第一個(gè)施工階段僅考慮邊坡原始狀態(tài)，同時(shí)分析結(jié)束進(jìn)行位移清零，模擬邊坡實(shí)際未開(kāi)挖狀態(tài)。第二個(gè)施工階段對(duì)開(kāi)挖邊坡進(jìn)行鈍化，同時(shí)激活填土以及擋墻部分（圖6）。

圖6 施工階段

3.2 穩(wěn)定性分析

利用軟件“分析工況”功能進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，分析結(jié)束可以通過(guò)主菜單查看相應(yīng)結(jié)果，本文主要關(guān)注Z 方向位移以及總位移和應(yīng)力的空間分布特征。從總位移云圖以及位移線上圖可以邊坡較大位移出現(xiàn)在開(kāi)挖坡腳處，該處地形被擠壓出現(xiàn)上拱，此處需重點(diǎn)關(guān)注并采取相應(yīng)加固措施，而擋土墻部分出現(xiàn)沉降。從應(yīng)力等值線云圖可以看出看出邊坡內(nèi)部應(yīng)力為負(fù)值及壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力從底部向坡頂逐漸變小，坡頂局部范圍出現(xiàn)拉應(yīng)力，說(shuō)明坡頂因局部滑坡的影響而出現(xiàn)張拉裂縫（圖7-8）。

圖7 總位移位移云圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)無(wú)人機(jī)航飛攝影技術(shù)構(gòu)建陡坡區(qū)域?qū)嶋H地形模型，同時(shí)結(jié)合地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)及鉆孔數(shù)據(jù)建立三維可視化地形地質(zhì)實(shí)體模型，將該模型通過(guò)通用巖土分析軟件對(duì)邊坡穩(wěn)定狀況以及梁場(chǎng)初步規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)穩(wěn)定性分析，將橋梁梁場(chǎng)設(shè)計(jì)的主要工作提升至方案設(shè)計(jì)階段，提高設(shè)計(jì)規(guī)劃的準(zhǔn)確性并節(jié)約方案變更成本，該方法對(duì)于復(fù)雜地形及地質(zhì)模型的構(gòu)建，以及穩(wěn)定性分析提供了一種較為高效可靠的方法。