基于CATIA 的地質(zhì)BIM 模型研發(fā)及應(yīng)用

陳 鑫，楊 暉，鄭 瓛

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200000]

0 引 言

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是一種在工程項(xiàng)目全生命周期內(nèi)，結(jié)合各個(gè)專(zhuān)業(yè)的屬性、功能、信息、數(shù)據(jù)完成三維建筑信息模型并實(shí)現(xiàn)信息共享、協(xié)同設(shè)計(jì)的技術(shù)[1]。隨著B(niǎo)IM 技術(shù)的日趨成熟，該技術(shù)在建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)、施工、管理、運(yùn)維等各個(gè)方面都取得了很好的效果，同時(shí)也在慢慢結(jié)合其他的工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)，包括市政、水電、巖土等。BIM 的特點(diǎn)是參數(shù)化設(shè)計(jì)、三維可視化、協(xié)同設(shè)計(jì)、模擬分析等，以此減少缺漏碰撞等設(shè)計(jì)缺陷，提高工作效率。

住建部于2016 年發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》和《2016-2020 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，在此后幾年的示范工程建設(shè)中，BIM 技術(shù)應(yīng)用已由單點(diǎn)應(yīng)用逐步發(fā)展為與智能化應(yīng)用相結(jié)合[2]。根據(jù)《中國(guó)建筑企業(yè)BIM 應(yīng)用分析報(bào)告（2019）》中調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，BIM 應(yīng)用主要集中在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維三個(gè)階段，且以碰撞檢查、方案模擬和現(xiàn)場(chǎng)可視化技術(shù)交底占比較大，質(zhì)量和安全方面的應(yīng)用同比往年有較大的提高，具體應(yīng)用情況數(shù)據(jù)如圖1 所示[2]。

現(xiàn)階段BIM 應(yīng)用主要集中在建筑、鐵路、道路、水電等工程領(lǐng)域，相比之下地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)的BIM 應(yīng)用尚處于起步階段，其原因主要有：

（1）地質(zhì)體因其不確定性和復(fù)雜性，不但需要理論作為基礎(chǔ)，還需要豐富的地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)，因此地質(zhì)模型與實(shí)際地質(zhì)條件的可靠度難以得到廣泛的認(rèn)可。

（2）地質(zhì)BIM 模型仍未有一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，不利于模型的傳遞和后期應(yīng)用。

（3）現(xiàn)階段國(guó)外的三維地質(zhì)建模軟件產(chǎn)品在功能上能比較穩(wěn)定與成熟，但全英文的操作界面和高昂的軟件使用費(fèi)用使其在國(guó)內(nèi)的推廣遇到了困難。國(guó)內(nèi)的三維地質(zhì)建模軟件在專(zhuān)業(yè)性和成熟度上仍處于完善過(guò)程中，BIM 技術(shù)在巖土或者地質(zhì)方面的應(yīng)用還需優(yōu)化處理。

在工程地質(zhì)勘察中，傳統(tǒng)二維勘察存在信息傳遞不暢，地質(zhì)意圖表達(dá)不明確，資源調(diào)配不均勻，成果展示不直觀等問(wèn)題[3]。地質(zhì)BIM 模型可真實(shí)構(gòu)建三維立體場(chǎng)景，以此展現(xiàn)各種地質(zhì)元素之間的三維空間關(guān)系（相離、相鄰、組成、包含、被包含），克服傳統(tǒng)二維環(huán)境下難以區(qū)分三維空間關(guān)系的問(wèn)題。地質(zhì)BIM 在巖土工程勘察中的優(yōu)勢(shì)：

（1）表達(dá)更加直觀，方便不同專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員交流。

（2）提高巖土工程勘察質(zhì)量，傳統(tǒng)二維剖面獨(dú)立繪制，相交剖面地層有出入的問(wèn)題，往往不易發(fā)現(xiàn)，然而三維地質(zhì)的直觀性和整體性可有效、便利的解決。

（3）降低成本提高工作效率，同一工程由于設(shè)計(jì)方案變更需重出剖面過(guò)程繁瑣，三維模型任意剖切直接出圖。

（4）后期可把各個(gè)時(shí)期不同項(xiàng)目地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，建立地質(zhì)勘探孔的BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)，以電子地圖為索引界面經(jīng)平臺(tái)整合后，形成“大型地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)”。地質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)反復(fù)調(diào)用、共享，讓設(shè)計(jì)人員第一時(shí)間找到擬建項(xiàng)目最近的地質(zhì)資料，不僅可大大縮短項(xiàng)目前期地質(zhì)資料搜集時(shí)間，還可減少不必要重復(fù)勞動(dòng)，提高地質(zhì)資料的有效性。

1 國(guó)內(nèi)外三維地質(zhì)建模軟件

發(fā)達(dá)國(guó)家自20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始三維地質(zhì)建模軟件的研發(fā)，在90 年代有穩(wěn)定的產(chǎn)品問(wèn)世，并不斷地發(fā)展成熟。主要軟件如表1 所列。

表1 國(guó)外三維地質(zhì)建模軟件一覽表

國(guó)內(nèi)從20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始不斷有人研究三維地質(zhì)建模軟件的核心理論與技術(shù)，國(guó)內(nèi)此類(lèi)產(chǎn)品的概況如表2 所列。

表2 國(guó)內(nèi)三維地質(zhì)建模軟件一覽表

國(guó)產(chǎn)三維地質(zhì)建模軟件與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比仍然存在差距，大多只具備地下三維地質(zhì)建模軟件功能，且主要應(yīng)用于油藏礦山等行業(yè)。

CATIA 是達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的一款集CAM/CA E/CAD 功能于一體的產(chǎn)品，其擁有強(qiáng)大的曲面造型能力，廣泛應(yīng)用于市政行業(yè)。但CATIA 不是一款專(zhuān)業(yè)的地質(zhì)建模軟件，目前國(guó)內(nèi)地質(zhì)BIM 建模軟件主要基于Revit 平臺(tái)，基于CATIA 平臺(tái)的地質(zhì)BIM 建模軟件較少，在市政行業(yè)開(kāi)發(fā)的地質(zhì)應(yīng)用更加稀缺。

現(xiàn)基于CATIA 平臺(tái)進(jìn)行地質(zhì)BIM 模型建模方法研究，利用該軟件優(yōu)秀的曲面造型能力，提供一種適用性高的地質(zhì)BIM 模型創(chuàng)建方法。

2 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)研究

隨著信息技術(shù)的急速發(fā)展和大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨，地質(zhì)數(shù)據(jù)具備了大數(shù)據(jù)的本身特點(diǎn)和社會(huì)應(yīng)用的屬性，已成為國(guó)家大數(shù)據(jù)的重要組成部分。地質(zhì)數(shù)據(jù)是典型的多源異構(gòu)復(fù)合型數(shù)據(jù)，具有大數(shù)據(jù)典型特點(diǎn)，即體量浩大（Volume）、生成快速（Velocity）、模態(tài)繁多（Variety）和價(jià)值巨大但密度低（Value）[4]?；诘刭|(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地上地下各類(lèi)數(shù)據(jù)資源的一體化集成與服務(wù)是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)方向。如何對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理和綜合應(yīng)用，特別是空間數(shù)據(jù)的增量及更新、集成和融合問(wèn)題，是智慧城市發(fā)展不可或缺的元素，也是當(dāng)前GIS 發(fā)展中的一項(xiàng)課題，具有很重要的研究意義[5]。

地質(zhì)BIM 模型的建立從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)對(duì)既有地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，從而再現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此，既有地質(zhì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量對(duì)最終模型的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)業(yè)務(wù)范圍和技術(shù)特點(diǎn)，現(xiàn)階段包含前期的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)和后期的三維空間數(shù)據(jù)。前期的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)和后期的三維空間數(shù)據(jù)通過(guò)軟硬件將數(shù)據(jù)集成，共同構(gòu)成地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖2 所示。

圖2 地質(zhì)數(shù)據(jù)架構(gòu)圖示

建立和補(bǔ)充完善地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的意義在于對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理，從中分析和挖掘出有價(jià)值的結(jié)構(gòu)化信息?；诘刭|(zhì)成果信息，與后期設(shè)計(jì)模型和需求疊加分析，提高設(shè)計(jì)效率和精度，更好地服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)分類(lèi)

地質(zhì)數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源劃分為前期地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)和后期三維空間數(shù)據(jù)。前期的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)是通過(guò)勘探數(shù)據(jù)成果和測(cè)繪成果進(jìn)行表達(dá)，并進(jìn)行重新組織分為幾何信息和非幾何信息。用于建立地質(zhì)BIM 模型的幾何信息主要包括：測(cè)繪數(shù)據(jù)、鉆探數(shù)據(jù)、靜探數(shù)據(jù)等。其中鉆探數(shù)據(jù)包括定義場(chǎng)地地層順序、鉆孔地層信息（深度信息）、鉆孔單孔數(shù)據(jù)（平面屬性和鉆孔屬性信息）。靜探數(shù)據(jù)包括單橋靜探和雙橋靜探，用于建模的是分層統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其定義了某地層在各靜探孔的深度信息。

非幾何信息大致為原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)或土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要是描述場(chǎng)地巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)信息，屬于屬性信息。

后期的三維空間數(shù)據(jù)是圖形數(shù)據(jù)的表示與純粹方式，以及圖形元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。常用的空間數(shù)據(jù)模型包括曲面模型和體元模型。結(jié)合其他專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)資源，初步實(shí)現(xiàn)地質(zhì)成果多維、地下- 地上、地質(zhì)- 地理、時(shí)空- 屬性大數(shù)據(jù)的一體化存儲(chǔ)、管理和輔助決策[6]。

2.2 地質(zhì)數(shù)據(jù)提取

地質(zhì)BIM 模型在創(chuàng)建過(guò)程中需要根據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)成果中鉆探數(shù)據(jù)、測(cè)繪數(shù)據(jù)和后期應(yīng)用階段的地層信息數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。其中包含地層的分層數(shù)據(jù)處理、鉆孔信息提取和關(guān)鍵地層參數(shù)的提取等。

2.2.1 分層數(shù)據(jù)處理

對(duì)勘察階段提供的分層數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，即對(duì)地層厚度較薄的夾層或者互層，在創(chuàng)建過(guò)程中忽略該地層，將其人為合并至地層性質(zhì)類(lèi)似的鄰近地層。

2.2.2 鉆孔信息提取

根據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)成果直接導(dǎo)出各鉆孔的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2.3 關(guān)鍵地層參數(shù)選取

根據(jù)工程項(xiàng)目的具體需求，確定模型需要添加的地層參數(shù)信息。

2.3 地質(zhì)數(shù)據(jù)清理

在地質(zhì)數(shù)據(jù)被用作地質(zhì)BIM 模型建模之前，需執(zhí)行地質(zhì)數(shù)據(jù)清理，控制數(shù)據(jù)質(zhì)量，將數(shù)據(jù)本身的不確定性降到最低。地質(zhì)數(shù)據(jù)以鉆孔數(shù)據(jù)為主的特點(diǎn)，根據(jù)三維地質(zhì)BIM 模型，在三維空間視角下，方便地質(zhì)勘察人員檢查原有分層數(shù)據(jù)的合理性，較依靠傳統(tǒng)二維剖面進(jìn)行地質(zhì)數(shù)據(jù)正確審核的方法，可大幅提高工作效率和精度。

2.4 地質(zhì)數(shù)據(jù)管理

地質(zhì)BIM 模型承載地質(zhì)信息，該信息的解決方案是沿用地質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)果創(chuàng)建關(guān)聯(lián)屬性的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。與整體模型關(guān)聯(lián)的有工程信息、場(chǎng)地信息、技術(shù)方案建議等，與地層模型關(guān)聯(lián)的有場(chǎng)地地層信息等，還有其他鉆孔信息、原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)等信息均應(yīng)在地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。表3 所列為數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)表，從中看出基本涵蓋了工程勘察階段所需要承載的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

表3 地質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表

3 地質(zhì)BIM 建模技術(shù)研究

地質(zhì)BIM 建模與其他專(zhuān)業(yè)BIM 建模的最大區(qū)別之處是，地質(zhì)BIM 是自然形態(tài)，其他專(zhuān)業(yè)BIM 是人為設(shè)計(jì)。這決定了兩種模型的創(chuàng)建方式不同，地質(zhì)BIM 需要通過(guò)有限的信息經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)的推測(cè)而得到，這就提升了其建模的難度。同時(shí)，從二維到三維，對(duì)應(yīng)的精度要求也相應(yīng)地要提升，二維情況下各種圖件均獨(dú)立繪制，除非明顯錯(cuò)誤，一般細(xì)節(jié)沖突較難發(fā)現(xiàn)。但在三維情況下，相關(guān)聯(lián)的平面圖件表達(dá)信息必須一致，因此對(duì)勘察質(zhì)量提出了較高的要求。

地質(zhì)BIM 模型的建立不能超出勘察人員的專(zhuān)業(yè)技能，還是依據(jù)現(xiàn)有勘察人員的工作方式和習(xí)慣，以平面推斷為主，輔以三維的建模方式和推斷方式，通過(guò)鉆孔數(shù)據(jù)和剖面圖數(shù)據(jù)創(chuàng)建地質(zhì)BIM 模型。

地質(zhì)BIM 建模流程包括地形模型的創(chuàng)建、鉆孔模型的創(chuàng)建、地層模型的創(chuàng)建，整個(gè)流程如圖3 所示。

圖3 地質(zhì)BIM 模型建模流程圖

3.1 鉆孔模型建立

鉆孔模型的建立主要依靠CATIA 中用戶(hù)特征功能（UDF）。用戶(hù)特征（UserFeature）是CATIA 中的一種強(qiáng)大的復(fù)制工具，可以在不同的上下文當(dāng)中復(fù)制和重用一組設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在實(shí)例化的同時(shí)可以修改參數(shù)。但與超級(jí)副本不同的是，用戶(hù)特征實(shí)例化出來(lái)的對(duì)象是以一種黑盒形式存在，在特征樹(shù)上顯示的是一種獨(dú)特的特征，隱藏了設(shè)計(jì)的過(guò)程步驟。因此，用戶(hù)特征可以保護(hù)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)知識(shí)。

通過(guò)創(chuàng)建鉆孔模板，并進(jìn)行工程模板實(shí)例化，完成鉆孔模型的自動(dòng)建立，如圖4 所示。

圖4 鉆孔模型

3.2 地層模型建立

地質(zhì)界面的模擬是地層模型建立中最重要的內(nèi)容之一。由于地質(zhì)界面的幾何形態(tài)往往是復(fù)雜多變的，不同界面也存在著差異性，現(xiàn)運(yùn)用DACE 工具箱的克里金模型進(jìn)行插值計(jì)算[7]，并結(jié)合CATIA 的曲面造型功能，完成地層界面的擬合。

在CATIA 中新建地層模型的物理產(chǎn)品，插入“3D 零件”，以存放地質(zhì)分層成果數(shù)據(jù)。切換至Terrain Preparation 模塊，點(diǎn)擊“導(dǎo)入”—“地形文件”，選擇DACE 工具箱處理完成的地質(zhì)分層成果數(shù)據(jù)，設(shè)置與地形數(shù)據(jù)偏移相同的幾何位置偏移值，最終生成地質(zhì)界面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完成地質(zhì)界面數(shù)據(jù)導(dǎo)入，運(yùn)用創(chuàng)建地形功能，選擇對(duì)應(yīng)的地質(zhì)界面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，形成地形，最終完成地層界面的創(chuàng)建，如圖5 所示。

圖5 地層界面圖

新建3D 零件，以?xún)?chǔ)存地層界面和地質(zhì)體的模型。在地層建模過(guò)程中，保證單個(gè)地層對(duì)應(yīng)單個(gè)3D零件。通過(guò)導(dǎo)出測(cè)試，不同的地層儲(chǔ)存于相同3D 零件中，在其他平臺(tái)展示時(shí)將不能顯示分層模型。

在3D 零件新建幾何體用以存儲(chǔ)地層模型，切換至Civil 3D Design 模塊，根據(jù)生成的地質(zhì)界面進(jìn)行地層模型的建立。

4 地質(zhì)BIM 模型應(yīng)用開(kāi)發(fā)

地質(zhì)BIM 模型最終需在應(yīng)用中產(chǎn)生價(jià)值，應(yīng)用范圍越廣其價(jià)值就越大。BIM 貫穿項(xiàng)目全生命周期，在勘察、設(shè)計(jì)和施工階段均能發(fā)揮作用，比如設(shè)計(jì)階段中的碰撞檢查、施工階段中的施工模擬等。

4.1 模型開(kāi)挖

通過(guò)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)BIM 模型開(kāi)挖，通過(guò)挖去其他結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)模型，查看地層內(nèi)部分布情況。后期衍生應(yīng)用包括自定義路徑開(kāi)挖、導(dǎo)入外部路徑的模型開(kāi)挖等，如圖6 所示。

圖6 模型開(kāi)挖圖示

4.2 虛擬樁基

在已有地質(zhì)體模型任意處生成帶有屬性信息的虛擬樁基，一方面進(jìn)行可視化展示，查看地層分布情況，并可將虛擬鉆孔與真實(shí)鉆孔資料做對(duì)比，實(shí)現(xiàn)模型準(zhǔn)確性檢驗(yàn)與校正。另一方面結(jié)合該處的地層分布情況，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法確立單樁承載力，為后期巖土設(shè)計(jì)提供依據(jù)，如圖7 和圖8 所示。

圖7 部分代碼圖示

圖8 虛擬樁基圖示

5 項(xiàng)目案例

項(xiàng)目為上海市某服務(wù)區(qū)擴(kuò)建項(xiàng)目，通過(guò)勘察院提供的32 個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)，完成地質(zhì)BIM 模型，其中主層共6 層，亞層共9 層，具體模型如圖9 所示。在勘探深度范圍內(nèi)，地基土分布基本穩(wěn)定，土層自上而下：①1、①2層填土為近代填土；②層～⑤層為全新世Q4 沉積層；⑥、⑦1、⑦2層為上更新世Q3 沉積層，場(chǎng)地主要特殊性巖土表現(xiàn)為軟土及填土。

圖9 地質(zhì)模型

擬建場(chǎng)地地勢(shì)較為平坦，無(wú)影響場(chǎng)地穩(wěn)定性的大型活動(dòng)性斷裂、顯著的地面沉降等不良地質(zhì)作用。另外，場(chǎng)區(qū)淺層存在軟土、液化土、明暗浜等不良地質(zhì)條件，對(duì)設(shè)計(jì)施工存在一定影響，但采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行處理后，可進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)。

6 結(jié) 論

BIM 技術(shù)改善了建筑、市政等行業(yè)的信息傳遞，實(shí)現(xiàn)了工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段的信息化管理，極大提高了工程項(xiàng)目的質(zhì)量和效率，降低了成本。地質(zhì)勘察階段作為設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的前置條件，目前應(yīng)用相對(duì)較為匱乏。本文分析了現(xiàn)階段常用的地質(zhì)建模軟件的發(fā)展情況和建模特點(diǎn)，尋求了一條高效的地質(zhì)BIM 模型創(chuàng)建方法。該方法運(yùn)用了克里金模型生成地層界面，保證模型的有效性和建模質(zhì)量，還運(yùn)用了CATIA 的曲面造型和數(shù)據(jù)傳遞的優(yōu)勢(shì)，保證了模型數(shù)據(jù)的有效傳遞和后期項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用的需求。

（1）研究了地質(zhì)數(shù)據(jù)成果中的地質(zhì)數(shù)據(jù)分類(lèi)，較好地解決了地質(zhì)數(shù)據(jù)提取、清理和管理等數(shù)據(jù)處理過(guò)程中遇到的問(wèn)題，形成了一套相對(duì)完整的數(shù)據(jù)集成解決方案。

（2）研究了基于CATIA 的地質(zhì)BIM 模型的關(guān)鍵技術(shù)，將克里金模型和CATIA 的曲面造型能力相結(jié)合，彌補(bǔ)CATIA 平臺(tái)地質(zhì)模塊的短板的同時(shí)，形成了一套地質(zhì)BIM 模型建模流程，對(duì)勘察BIM 信息化發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。

（3）針對(duì)在二維環(huán)境下地質(zhì)成果存在的局限性，完成地質(zhì)BIM 模型的展示方案，并運(yùn)用3DE 平臺(tái)和CATIA 的協(xié)同設(shè)計(jì)功能，保證了模型數(shù)據(jù)的有效傳遞，增強(qiáng)勘察專(zhuān)業(yè)與其他專(zhuān)業(yè)的協(xié)同，較好地解決了巖土相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用需求。