巖土BIM 模型在丘陵山區(qū)場(chǎng)地工程勘察中的應(yīng)用

成詞峰，戴仕鵬，顧 兢

（中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650051）

數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代下，信息技術(shù)已經(jīng)廣泛地融入到工程建設(shè)全過(guò)程中，深刻地影響著工程建造方式。BIM 技術(shù)通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)建筑物的屬性信息，是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的一部分，為整個(gè)建筑行業(yè)帶來(lái)了巨大變化，其在工程勘察、建筑設(shè)計(jì)、施工管理、項(xiàng)目協(xié)同與運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面的巨大優(yōu)勢(shì)，成為繼CAD 后建筑行業(yè)的第二次科技革命[1]。巖土工程作為建筑全生命周期的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在國(guó)家政策及市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，巖土BIM 模型具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

雖然BIM 技術(shù)在中國(guó)有很多成功的應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)BIM 技術(shù)的發(fā)展并不均衡，應(yīng)用主要集中在建筑設(shè)計(jì)和建造施工方面，BIM 技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展緩慢[2-3]。究其原因，地質(zhì)建模的復(fù)雜性是一個(gè)決定性因素。相對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的梁、板、柱等人造物體，自然界的地質(zhì)體是在漫長(zhǎng)地質(zhì)過(guò)程中形成的各物質(zhì)隨機(jī)組合體，具有復(fù)雜的空間不均勻性和變異性，如地質(zhì)體中普遍存在的地層尖滅、透鏡體、斷層、褶皺及溶洞等地質(zhì)構(gòu)造在BIM 軟件中還沒(méi)有很好的實(shí)現(xiàn)方式[4-5]。而實(shí)際勘察采集的地形、地質(zhì)、鉆孔、物探、取樣和試驗(yàn)等各種數(shù)據(jù)，具有多種來(lái)源、多種類型、多種數(shù)據(jù)格式等多元數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，更加劇了地質(zhì)建模的難度[6]。本文以某丘陵山區(qū)場(chǎng)地工程勘察為例，通過(guò)應(yīng)用BIM 技術(shù)與三維地質(zhì)建模方法，將多元的數(shù)據(jù)耦合集成，實(shí)現(xiàn)工程勘察成果的三維可視化表達(dá)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

1.1.1 地形地貌概況

研究區(qū)原始地貌屬于低山丘陵地貌，因前期挖土作業(yè)及人類生產(chǎn)居住活動(dòng)，場(chǎng)地東北部為人工挖填地貌，較為平緩，其余地段地貌受挖土破壞較嚴(yán)重。現(xiàn)狀地形為場(chǎng)地西、南側(cè)高，北、東側(cè)低，其中東北角最低，南端坡頂最高，地面標(biāo)高在約951～1 009 m 之間，場(chǎng)地高差約58 m。除東北部較平緩?fù)?，其余地段地形起伏較大，研究區(qū)地形整體較復(fù)雜，如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)地形地貌照片

1.1.2 地層結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)勘察深度范圍內(nèi)主要由以下地層組成。

（1）第四系人工堆積層（Q4ml）。①雜填土：主要由黏性土混建筑垃圾組成，層厚0.5～10.0 m，分布于場(chǎng)地北部及南部零星地段。

（2）第四系湖沼積層（Q4l+h）。②1粉質(zhì)黏土：可塑狀態(tài)，干強(qiáng)度及韌性一般，層厚0.5～9.4 m，主要分布于場(chǎng)地東北角。②2泥炭質(zhì)黏土：軟塑，局部流塑狀態(tài)，層厚0.5～5.2 m，主要分布于擬建場(chǎng)地東北角。

（3）第四系坡殘積層（Q4dl+el）。③粉質(zhì)黏土：硬塑狀態(tài)，稍濕，切面稍有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等，局部含10%～30%砂礫，鉆孔揭露層厚0.5～12.4 m，主要分布于場(chǎng)地南部坡頂?shù)囟巍?/p>

（4）第三系上新統(tǒng)芒棒組（N2m）。④1粉質(zhì)黏土：硬塑，局部堅(jiān)硬狀態(tài)，干強(qiáng)度中等，稍濕，局部相變?yōu)榉弁粱虮臃凵?，鉆孔揭露層厚0.5～41.2 m，該層廣泛分布于整個(gè)場(chǎng)地。④2粗砂：密實(shí)狀態(tài)，長(zhǎng)石石英質(zhì)，分選性較差，局部相變?yōu)橹猩?、礫砂或薄層黏性土，鉆孔揭露層厚0.4～14.3 m，該層廣泛分布于整個(gè)場(chǎng)地。研究區(qū)典型地層巖芯如圖2 所示。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)處理

本研究采用的數(shù)據(jù)為勘察數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括空間位置X、Y、Z 坐標(biāo)信息、鉆孔揭露地層信息及試驗(yàn)數(shù)據(jù)。深度不同的鉆孔參照相鄰深孔揭露的地層做加深處理，以確保模型底邊界位于相同高程面，各鉆孔間的地層數(shù)據(jù)建模時(shí)采用線性插值法處理。地層數(shù)據(jù)分層處理后的剖面示意圖如圖3 所示。

圖3 地層數(shù)據(jù)分層處理后的剖面示意圖

1.2.2 建模方法

（1）三維地表模型（TIM）建模方法。環(huán)境條件是工程建設(shè)方案的基礎(chǔ)，巖土BIM 需要構(gòu)建項(xiàng)目場(chǎng)地直觀、清晰的地形地貌、周邊建筑物、道路、地下管線及其他地物等環(huán)境條件[7]。所涉及的建筑信息、地質(zhì)資料、地形地貌、管網(wǎng)及其他地物資料，都是由不同的專業(yè)人員和特定的軟件所完成。受各專業(yè)軟件數(shù)據(jù)采集及輸入、不同專業(yè)人員對(duì)信息加工處理的影響，這些來(lái)源廣泛、類型多樣、專業(yè)不一、精度不同的各類數(shù)據(jù)源在三維建模框架下往往會(huì)暴露出各種問(wèn)題，必須先對(duì)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行核查和預(yù)處理，才可進(jìn)行后續(xù)建模。

本研究通過(guò)分析各數(shù)據(jù)之間的專業(yè)分類、從屬關(guān)系、層次關(guān)系及關(guān)聯(lián)關(guān)系，運(yùn)用數(shù)字地面高程模型，采用不規(guī)則三角網(wǎng)曲面法[8]，結(jié)合現(xiàn)有商業(yè)三維建模軟件，建立多元數(shù)據(jù)耦合的三維地表信息模型TIM（Terrain Information Model），準(zhǔn)確、形象、直觀地反映和表達(dá)場(chǎng)地的地形地貌等周邊環(huán)境條件。

（2）三維地質(zhì)模型（GIM）建模方法。三維地質(zhì)信息模型GIM（Geotechnical Information Modeling）是巖土BIM 的核心，其也是巖土BIM 模型區(qū)別于上部結(jié)構(gòu)BIM 的重要特征之一[9]，巖土BIM 模型的絕大多數(shù)應(yīng)用都離不開(kāi)地質(zhì)模型?；诂F(xiàn)有的商業(yè)三維地質(zhì)建模軟件，對(duì)于有規(guī)律性分布的地層，采用逐層成體法，通過(guò)合并運(yùn)算，由計(jì)算機(jī)完成三維連層。對(duì)透鏡體、地層尖滅等特殊構(gòu)造，將建模過(guò)程抽象為數(shù)學(xué)問(wèn)題，采用增設(shè)虛擬鉆孔法，對(duì)鉆孔采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工插值擬合[10]，然后將插值數(shù)據(jù)和采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，對(duì)地質(zhì)體的幾何信息與屬性、巖土層物理力學(xué)性質(zhì)的信息進(jìn)行整合，采用“點(diǎn)—線—面—體”的建模順序，從局部已知的地質(zhì)體反演整個(gè)空間地質(zhì)體[11]，構(gòu)建與客觀地層空間分布相一致的三維地質(zhì)信息模型GIM。

2 巖土BIM 技術(shù)路線及建模結(jié)果

2.1 巖土BIM 建模技術(shù)路線

研究區(qū)勘察面積約14.1 萬(wàn)m2，199 個(gè)鉆孔總進(jìn)尺約4 936 m。巖土BIM 建模技術(shù)路線如圖4 所示。

圖4 巖土BIM 建模技術(shù)路線

2.2 巖土BIM 建模結(jié)果

通過(guò)三維地表信息模型（TIM），可以直觀地看到場(chǎng)地挖、填方情況，可直接讀取挖、填方體積，準(zhǔn)確估算挖填方量，進(jìn)行場(chǎng)平及挖填方案設(shè)計(jì)、進(jìn)行總圖布置及分析、進(jìn)行施工場(chǎng)地布置與施工方案分析，有效提高各專業(yè)間的溝通效率，為山地工程場(chǎng)平全過(guò)程實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同提供基礎(chǔ)。

所建的三維地質(zhì)信息模型（GIM），可以進(jìn)行任意剖分，直觀展示地層分布及構(gòu)造細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)所建三維地質(zhì)模型可查詢屬性、可任意切剖、可數(shù)字化出圖（圖5—圖9），實(shí)現(xiàn)基于巖土BIM 的勘察成果數(shù)字化交付。

圖5 研究區(qū)三維地面高程模型

圖9 研究區(qū)透鏡體及地層三維空間分布

圖6 研究區(qū)巖土BIM 三維地質(zhì)模型

圖7 巖土BIM 三維地質(zhì)模型剖面

圖8 基于巖土BIM 模型的任意切剖

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)丘陵山區(qū)勘察項(xiàng)目所涉及的多元信息進(jìn)行預(yù)處理，建立多元數(shù)據(jù)耦合的三維地表信息模型（TIM），準(zhǔn)確、形象、直觀地反映和表達(dá)場(chǎng)地的地形地貌，建立可表達(dá)透鏡體及地層尖滅等符合真實(shí)地層情況的三維地質(zhì)信息模型（GIM），進(jìn)行地質(zhì)信息模型與建筑信息模型（BIM）的融合，基于巖土BIM 可實(shí)現(xiàn)勘察成果數(shù)字化交付、多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)及優(yōu)化、進(jìn)行施工過(guò)程模擬及建造過(guò)程數(shù)字化管理，加快巖土工程向信息化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高工程建設(shè)技術(shù)水平。