BIM技術(shù)在巖土勘察成果三維可視化的應(yīng)用研究

王瑛瑩

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心遼寧總隊(duì)測(cè)試研究所）

1 引言

巖土工程勘察是建設(shè)國家基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。準(zhǔn)確而直觀的調(diào)查結(jié)果是確保工程施工質(zhì)量和安全的前提。BIM技術(shù)是建筑工程的新概念，已在建筑工程中廣泛使用，但其在巖土工程中的應(yīng)用才剛剛開始。也可以說BIM 是巖土工程勘測(cè)領(lǐng)域相對(duì)較新的概念，在實(shí)際應(yīng)用中可能存在許多問題，例如，土力工程勘測(cè)缺少完整的系統(tǒng)框架，并且缺乏該領(lǐng)域的合適基礎(chǔ)操作。BIM 技術(shù)數(shù)字協(xié)作管理在巖土勘測(cè)階段未得到充分實(shí)現(xiàn)。近年來，一些國內(nèi)研究人員提出將BIM技術(shù)應(yīng)用于巖土工程勘察的解決方案，但是大多數(shù)解決方案僅在設(shè)計(jì)階段，并沒有帶來實(shí)際收益。因此，研究BIM概念在巖土工程勘察結(jié)果的三維可視化中的應(yīng)用至關(guān)重要[1]。

2 BIM技術(shù)與三維可視化

BIM代表建筑信息模型，是建筑結(jié)構(gòu)的智能模擬，具有空間和全面性特征。BIM 技術(shù)是指通過創(chuàng)建設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)和運(yùn)營的協(xié)同管理三維模型實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目。BIM 技術(shù)不僅可以通過特定的軟件實(shí)現(xiàn)，而且可以通過使用多個(gè)軟件收集來自工程項(xiàng)目相關(guān)機(jī)構(gòu)的信息以實(shí)現(xiàn)協(xié)作綜合平臺(tái)。從巖土工程勘察工作的現(xiàn)狀來看，建筑公司通常會(huì)使用BIM分析軟件和基本的BIM建模軟件，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況構(gòu)建三維建筑信息模型，充分發(fā)揮模擬和可視化的優(yōu)勢(shì)，基于動(dòng)態(tài)變化的建筑工程開發(fā)模型參數(shù)，包括BIM分析軟件主要產(chǎn)生和設(shè)計(jì)處理圖紙、設(shè)備管理、建筑結(jié)構(gòu)分析等功能。BIM 建模軟件的基本功能主要包括極限系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。在建筑信息建模軟件中，編程接口集成程序。

在BIM技術(shù)的支持下，建筑公司可以將各種巖土工程勘測(cè)結(jié)果輸入三維模型中，以進(jìn)行三維可視化渲染，輔以專業(yè)程序和其他參與平臺(tái)，可以提高勘測(cè)工作的效率，保證巖土工程的順利發(fā)展。分析BIM 軟件的應(yīng)用程序，結(jié)果表明，當(dāng)前的巖土工程三維地質(zhì)建模軟件具有較大應(yīng)用范圍，無法完全可視化施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果。因此，為了保證分析結(jié)果的可靠性，在施工過程中實(shí)施三維地質(zhì)建模軟件時(shí)，企業(yè)還必須使用水文監(jiān)測(cè)軟件（見圖1）。

圖1 BIM技術(shù)介紹

3 巖土勘察現(xiàn)狀

3.1 管理缺乏協(xié)同

如今，工程項(xiàng)目的BIM建模通常始于項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，導(dǎo)致測(cè)量師和工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員的管理不協(xié)調(diào)、項(xiàng)目溝通不暢通。因此，要進(jìn)行BIM 建模，有必要在項(xiàng)目調(diào)查階段從巖土工程勘測(cè)結(jié)果的三維可視化中將所有項(xiàng)目信息集成到三維模型信息數(shù)據(jù)庫中，以協(xié)調(diào)調(diào)查員與設(shè)計(jì)師。

3.2 信息缺乏時(shí)效

巖土工程研究階段所涉及的鉆探和材料成本的計(jì)算結(jié)果通常受各種外部因素影響。因此，物料指導(dǎo)價(jià)格和物料市場(chǎng)價(jià)格可能會(huì)有較大偏差。成本和實(shí)際信息情況有所不同。

3.3 成果共享差

巖土測(cè)量和建筑工作繁瑣，并且可能會(huì)出現(xiàn)諸如建筑信息混亂和建筑單元之間信息傳遞不暢之類的問題。巖土工程勘察結(jié)果可能無法及時(shí)報(bào)告，從而影響項(xiàng)目建設(shè)的質(zhì)量。

應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行巖土工程的基本概念是將工程的地質(zhì)模型、鉆探場(chǎng)地和水位三維化，在三個(gè)維度上進(jìn)行數(shù)字化，充分顯示巖土工程勘察的結(jié)果，并提高勘測(cè)水平。BIM 技術(shù)在實(shí)現(xiàn)巖土工程方面的優(yōu)勢(shì)包括三維可視化，信息相關(guān)性，參與性和壓縮性。傳統(tǒng)的巖土工程勘測(cè)工作大多使用2D 圖形來顯示勘測(cè)結(jié)果，但是不直觀，不利于工程師和技術(shù)人員的理解。三維可視化是BIM 技術(shù)最重要的優(yōu)勢(shì)之一。可以使用計(jì)算機(jī)程序來組合2D線條以形成三維模型。同時(shí)，三維圖形可以顯示實(shí)際地質(zhì)環(huán)境，極大方便了技術(shù)人員之間的相互溝通和配合，降低了工程風(fēng)險(xiǎn)。BIM 技術(shù)可以在構(gòu)建地質(zhì)模型組件時(shí)設(shè)置組件的相關(guān)參數(shù)，例如，在構(gòu)建井模型時(shí)，可以輸入深度和單價(jià)等信息?？纱蟠鬁p少項(xiàng)目信息的頻繁輸入，并減少信息輸入中出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性。另外，在BIM 模型中，如果由于問題需要修改信息，則會(huì)自動(dòng)更新相關(guān)信息，大大提高了巖土勘察員的工作效率和準(zhǔn)確性。巖土工程勘測(cè)數(shù)據(jù)可能需要在項(xiàng)目參與者（設(shè)計(jì)單位、甲方單位等）之間傳輸和驗(yàn)證，并且BIM 模型可以將調(diào)查結(jié)果匯總到數(shù)據(jù)文件中，改善參與者之間的協(xié)作工作[2]。

4 BIM技術(shù)巖土勘察中應(yīng)用

由于BIM測(cè)量軟件的差異，BIM技術(shù)在增強(qiáng)巖土工程測(cè)量結(jié)果的三維可視化效果方面顯示出一定程度的特異性。當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)界面不規(guī)則時(shí)，由于當(dāng)前數(shù)學(xué)理論和建模技術(shù)的局限性，當(dāng)層的尖端消失且誤差較大時(shí)，不可能使用計(jì)算機(jī)模擬地質(zhì)界面的形狀轉(zhuǎn)移。由于地質(zhì)調(diào)查是高度不確定的，在巖土工程施工現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)工作之前，關(guān)于操作人員施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)實(shí)體形狀的信息很少，只能根據(jù)勘測(cè)信息判斷地質(zhì)原因。如果在BIM 模型中提供不能保證準(zhǔn)確性的信息，則可能會(huì)導(dǎo)致模擬錯(cuò)誤并造成一系列不利影響。

4.1 建立可視化模型

1）三棱柱模型

基于BIM技術(shù)，結(jié)合巖土工程勘察結(jié)果，建立三維地質(zhì)體的可視化模型，根據(jù)層分布特征和地質(zhì)鉆探特征，可以根據(jù)傳統(tǒng)的三棱鏡模型進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。該三列模型主要由三個(gè)幾何對(duì)象組成：點(diǎn)、表面和體積。典型的代表是頂表面和底表面上等長的四邊形（矩形）。

2）鉆孔BIM模型

在使用BIM 建立巖土工程勘測(cè)結(jié)果的三維可視模型時(shí)，必須首先創(chuàng)建井族模型，創(chuàng)建地質(zhì)邊界層的插值并提取地質(zhì)主體模型。創(chuàng)建鉆頭族模型時(shí)，首先需要完成三棱鏡模型中間點(diǎn)的提取?！白濉笔窃S多現(xiàn)實(shí)世界對(duì)象的分類，可以直接從BIM軟件庫中調(diào)用常規(guī)家族。族表示來自BIM三維可視化模型和相應(yīng)族調(diào)查結(jié)果的有序組合。由于巖土工程井道施工的專業(yè)性強(qiáng)，族鉆孔群屬于某個(gè)類別，因此技術(shù)人員需要在調(diào)查基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行物理組裝。

4.2 空間插值技術(shù)

三維可視化模型對(duì)巖土工程的施工質(zhì)量、進(jìn)度和安全性具有直觀影響。技術(shù)人員可以使用BIM 技術(shù)創(chuàng)建建筑信息模型，在其中顯示調(diào)查結(jié)果，并發(fā)揮BIM 技術(shù)的作用，模擬整個(gè)建筑過程和最終的建筑產(chǎn)品；當(dāng)某些掃描數(shù)據(jù)更改時(shí)，可以使用BIM 技術(shù)。優(yōu)化功能用于設(shè)置模型參數(shù)；在模擬施工過程時(shí)，管理人員可以制定安全隱患的預(yù)防措施，不僅可以確保施工現(xiàn)場(chǎng)的安全，而且可以避免安全隱患、延誤施工進(jìn)度。通常使用空間插值技術(shù)將離散點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)表面，以與其他空間現(xiàn)象的分布模式進(jìn)行比較。在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，首先根據(jù)原始測(cè)量數(shù)據(jù)，通過將建模程序與Excel 對(duì)接來獲得插值區(qū)域，然后使用繪圖軟件單擊插值區(qū)域，即可確定插值點(diǎn)的確切數(shù)量。最后，通過創(chuàng)建和導(dǎo)出xlsx 文檔，并充分發(fā)揮這項(xiàng)技術(shù)的作用。

4.3 地質(zhì)數(shù)據(jù)組織技術(shù)

數(shù)據(jù)組織是指以特定方式集成、存儲(chǔ)和處理規(guī)則和數(shù)據(jù)的過程，這是地理信息系統(tǒng)的重要組成部分。地理空間數(shù)據(jù)監(jiān)管技術(shù)是指使用BIM 和其他類似技術(shù)匯總、分析、處理和存檔巖土工程勘測(cè)數(shù)據(jù)，以用于巖土工程。通常用于構(gòu)建電子地形圖和井?dāng)?shù)據(jù)圖，主要功能是補(bǔ)充地層缺陷數(shù)據(jù)。如今，建筑公司非常重視現(xiàn)實(shí)世界中空間工程目標(biāo)的抽象，忽略了基本屬性與地理現(xiàn)象特定方面之間的內(nèi)在聯(lián)系，并更加關(guān)注空間位置描述向量，而不是分析組織的實(shí)體分類特征基礎(chǔ)。無法在模型層邊界客觀反映地質(zhì)構(gòu)造的事實(shí)。為了確保巖土工程施工的質(zhì)量，建筑公司應(yīng)注意地質(zhì)數(shù)據(jù)的組織技術(shù)，并對(duì)原始勘測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以提供數(shù)據(jù)，供隨后使用BIM技術(shù)構(gòu)建三維視覺模型。

5 結(jié)語

簡而言之，BIM技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用對(duì)確保勘察工作的順利進(jìn)行和提高勘測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。在實(shí)際應(yīng)用中，建筑公司可以使用BIM技術(shù)構(gòu)建三維地質(zhì)體模型，充分發(fā)揮空間插值技術(shù)和地質(zhì)數(shù)據(jù)組織技術(shù)的作用，為實(shí)現(xiàn)巖土工程勘察結(jié)果的三維可視化提供支持。