淺談BIM技術(shù)在巖土工程勘測(cè)中的應(yīng)用
——以深圳濱河中學(xué)拆建工程為例

賀濤 何強(qiáng) 秦強(qiáng)

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

BIM（Building Information Modeling）是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的最新多維模型信息集成技術(shù)，能有效地實(shí)現(xiàn)建筑工程物理特征和功能特性信息的動(dòng)態(tài)、全過(guò)程的數(shù)字化描述和可視化表達(dá)。2015年國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(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)》，提出到2020年末，建筑行業(yè)甲級(jí)勘察、設(shè)計(jì)單位以及特級(jí)、一級(jí)房屋建筑工程施工企業(yè)應(yīng)掌握并實(shí)現(xiàn)BIM與企業(yè)管理系統(tǒng)和其他信息技術(shù)的一體化集成應(yīng)用。利用BIM技術(shù)在巖土工程勘測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用的重要性日益凸顯。

本項(xiàng)目主要采用GeoStation for City軟件，對(duì)深圳濱河中學(xué)拆建工程開(kāi)展了BIM技術(shù)的應(yīng)用，主要工作內(nèi)容是開(kāi)展了三維巖土勘察建模和二維出圖；探索利用三維模型對(duì)基坑支護(hù)方案進(jìn)行有限元分析；利用PowerCivil的SUE模塊對(duì)周邊地下管網(wǎng)建模；嘗試GIS軟件City Engine中的快速三維建模技術(shù)，以快速構(gòu)建周邊環(huán)境；并利用LumenRT渲染制作勘測(cè)成果多媒體視頻。這些工作為湖南水電院在巖土工程勘測(cè)中開(kāi)展BIM技術(shù)應(yīng)用提供了借鑒。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

工程建設(shè)場(chǎng)區(qū)位于深圳市羅湖區(qū)核心地帶，位于濱江大道、金塘街、嘉賓路、木棉花街四者所圍長(zhǎng)方形區(qū)域中,場(chǎng)地緊鄰地鐵站，周邊建筑物和地下管線(xiàn)密集，具體見(jiàn)圖1、圖2。

項(xiàng)目需拆除現(xiàn)狀建筑5棟，新建一棟高6層的綜合樓（包括地下室一層）。采用柱下獨(dú)立樁基礎(chǔ)，采用旋挖成樁，為大直徑嵌巖樁，樁端持力層為中風(fēng)化巖層；基坑采用懸臂樁支護(hù)，支護(hù)樁為鋼筋混凝土灌注，樁間為二重管旋噴樁，鋼筋混凝土灌注樁+樁間旋噴樁作為止水帷幕。

1.2 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地地貌為山前沖洪積平原，地勢(shì)平坦。東側(cè)為華瑞大廈，有兩層地下室，基礎(chǔ)為鉆孔樁，南側(cè)為地鐵9號(hào)線(xiàn)鹿丹村站，采用地下連續(xù)墻和鉆孔樁的基礎(chǔ)方式。場(chǎng)地內(nèi)擬拆除的房屋除了一棟1984年建的老教學(xué)樓外，其他建筑均采用擴(kuò)底樁的基礎(chǔ)形式。

圖1 項(xiàng)目城市地理位置示意圖

圖2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

場(chǎng)地內(nèi)揭露的主要土層為人工填土層、沖洪積層、殘積層、變質(zhì)砂巖層、花崗巖層、斷層角礫及斷層泥層。場(chǎng)地已有部分鉆孔揭露斷層，斷層內(nèi)及斷層附近區(qū)域巖石碎裂巖化，重結(jié)晶作用較明顯。地層分布較穩(wěn)定，但斷層接觸帶附近接觸關(guān)系復(fù)雜，夾層較多，地下水主要為上層滯水和第四系松散層潛水。

2 三維建模與分析

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)

如何管理巖土工程勘察工作中產(chǎn)生龐大數(shù)據(jù)一直是勘察行業(yè)的難題。GeoStation中配置了基于SQL2008的強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫(kù)，操作界面如圖3。軟件基本架構(gòu)符合一般的巖土工程勘察工作流程，主要包括勘探布置、鉆孔數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、施工地質(zhì)、資料統(tǒng)計(jì)等。通過(guò)配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，分配權(quán)限，實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)異地協(xié)同工作，極大地提高工作效率，并能實(shí)現(xiàn)即時(shí)文件碎片化校審。作為一款BIM軟件，為符合互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代需求還配置了web端。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)界面

2.2 地質(zhì)模型

首先在原始的測(cè)量圖提取得到的數(shù)字三維地表模型基礎(chǔ)上，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中輸入的大量勘測(cè)數(shù)據(jù)，形成鉆孔勘探線(xiàn)模型（圖4）；其次在二維切圖模式中編輯各個(gè)剖面，形成線(xiàn)框模型（圖5）；再次三維模式下形成各種通過(guò)顏色區(qū)分的水文界面、地層界面和結(jié)構(gòu)面（圖6）；最終通過(guò)面與面之間的空間拓?fù)溥\(yùn)算形成網(wǎng)格體（圖7）。

根據(jù)不同勘察階段軟件可制作出不同精度的三維模型，避免前期工作量過(guò)大。構(gòu)網(wǎng)算法采用克里金插值，整體網(wǎng)格面較平滑。斷層、尖滅、透鏡體等建模較好。

2.3 開(kāi)挖模型

在地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上通過(guò)PowerCivil進(jìn)行開(kāi)挖，以此得到開(kāi)挖模型 （圖8），通過(guò)開(kāi)挖得到的地質(zhì)體，能直接統(tǒng)計(jì)各地層的開(kāi)挖土方量，降低造價(jià)專(zhuān)業(yè)的工作強(qiáng)度，并能提高統(tǒng)精度，對(duì)比最終實(shí)際的土方開(kāi)挖，各類(lèi)巖土分類(lèi)偏差小于10%，對(duì)于業(yè)主控制預(yù)算有很好的幫助作用。通過(guò)開(kāi)挖模型能更好地展示基坑各個(gè)地層的情況，利于特殊地層的處理和精細(xì)化設(shè)計(jì)，便于基坑設(shè)計(jì)優(yōu)化和審圖的通過(guò)。

圖4 鉆孔勘探線(xiàn)模型

圖5線(xiàn)框模型

圖6 地層及結(jié)構(gòu)面模型

圖7網(wǎng)格體模型

圖8 開(kāi)挖模型

2.4 地下管網(wǎng)模型

項(xiàng)目區(qū)位于深圳市城市中心地帶，周邊高層建筑密集，地下管網(wǎng)極其復(fù)雜。傳統(tǒng)的工作模式下，勘測(cè)單位僅僅會(huì)提供一份EXCEL與一份管網(wǎng)平面圖來(lái)作為勘測(cè)報(bào)告的一部分。常常由于地下管線(xiàn)連接方式不清晰，設(shè)計(jì)單位和業(yè)務(wù)主管部門(mén)找不到準(zhǔn)確的管線(xiàn)接入口，導(dǎo)致重復(fù)作業(yè)而延長(zhǎng)項(xiàng)目周期。采用PowerCivil的SUE模塊對(duì)周邊地下管網(wǎng)建模，通過(guò)模型能清晰地看到井與井、管與井之間的空間位置關(guān)系。管網(wǎng)模型自帶各類(lèi)屬性，區(qū)分給排水、污水、電氣等專(zhuān)業(yè)管線(xiàn)，為相應(yīng)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)提供了良好的三維解釋。通過(guò)地下管線(xiàn)與地質(zhì)開(kāi)挖模型進(jìn)行碰撞分析可以得到更為可靠的線(xiàn)路改遷方案。見(jiàn)圖9。

圖9 地下管網(wǎng)模型

2.5 支護(hù)方案有限元分析

在開(kāi)挖模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)專(zhuān)業(yè)接口導(dǎo)入邁達(dá)斯軟件中，模擬計(jì)算基坑支護(hù)方案的可行性，為勘察報(bào)告中基坑支護(hù)方案的建議提供了理論支撐。結(jié)果顯示原推薦方案偏保守，后來(lái)改為分邊且局部放坡的方式對(duì)基坑設(shè)計(jì)優(yōu)化，使得實(shí)際工程的經(jīng)濟(jì)性提高，減少約15%的基坑支護(hù)工程量。見(jiàn)圖10。

圖10 基坑支護(hù)方案有限元模擬

3 二維出圖與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)有BIM技術(shù)在推廣過(guò)程中最大阻力來(lái)源于二維出圖能力的不足，尤其是勘測(cè)專(zhuān)業(yè)，出圖標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外差異巨大，帶有明顯的本土化特征。本次勘測(cè)項(xiàng)目全程采用BIM技術(shù)出圖，三維模型與二維圖紙一致。修改模型后能一次性重新出圖，設(shè)計(jì)方案修改后不用重新編輯圖紙，提高了生產(chǎn)效率。數(shù)據(jù)庫(kù)端可以輸入如：勘探點(diǎn)一覽表，地層統(tǒng)計(jì)表，標(biāo)準(zhǔn)貫入統(tǒng)計(jì)表等勘察報(bào)告必備的專(zhuān)業(yè)圖表，較好的滿(mǎn)足了專(zhuān)業(yè)需求。見(jiàn)圖 11、圖 12。

4 三維場(chǎng)景展示

濱河中學(xué)附近的建筑物直接建模，之后導(dǎo)入LumenRT中進(jìn)行渲染和制作多媒體視頻。各個(gè)建筑物、地鐵結(jié)構(gòu)、地下管線(xiàn)等清晰可見(jiàn)，并且可以通過(guò)局部放大剖切，關(guān)閉圖層等方式，了解地層性質(zhì)，避免工程錯(cuò)誤，為工程建設(shè)人員提供直觀的三維展示。見(jiàn)圖13。

5 應(yīng)用體會(huì)

隨著社會(huì)科技的發(fā)展，BIM技術(shù)已成為工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的潮流和趨勢(shì)，對(duì)工程參與各方提出了更高的要求。

圖11 鉆孔柱狀圖

圖12 2-2'剖面圖

圖13 周邊環(huán)境渲染

（1）勘測(cè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)庫(kù)有很大工程價(jià)值，對(duì)于設(shè)計(jì)院來(lái)說(shuō)是一筆長(zhǎng)久的存量資產(chǎn)，對(duì)于業(yè)主來(lái)說(shuō)可作為管理運(yùn)維的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，對(duì)于政府來(lái)說(shuō)可建立統(tǒng)一的工程一體化管理平臺(tái)。

（2）現(xiàn)有建模軟件的智能化程度不高，而勘測(cè)數(shù)據(jù)需要大量二次處理，因此建模精細(xì)度直接取決于從業(yè)人員的工程經(jīng)驗(yàn)高低。

（3）由于幾大三維軟件平臺(tái)間的數(shù)據(jù)兼容性差，造成多種屬性無(wú)法直接掛接到設(shè)計(jì)總裝模型中，因此軟件平臺(tái)的選擇非常重要。

（4）BIM項(xiàng)目涉及軟件類(lèi)型多，對(duì)于專(zhuān)業(yè)技術(shù)應(yīng)用人員要求高。

（5）目前該項(xiàng)目進(jìn)展順利，已經(jīng)進(jìn)入上部主體施工階段，基礎(chǔ)分部工程已經(jīng)竣工驗(yàn)收。BIM技術(shù)有效的避免了以前常見(jiàn)的因地質(zhì)原因引起的工程變更，根據(jù)類(lèi)似的工程經(jīng)驗(yàn)判斷，減少了下部基礎(chǔ)方面約80%的工程變更量。

[1]王國(guó)光，單冶鋼，徐震.GeoStation地質(zhì)三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)建設(shè)[J].華東工程技術(shù)，2012，（122）：14-18.