青島地鐵勘察設計中BIM技術的研究與應用

冀東，翟月，劉元賢，卞立民，石東方，呂鳳華

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島巖土工程技術研究中心，山東 青島 266032)

1 引 言

在新一輪科技創新和產業變革中，信息化與建筑業的融合發展已成為建筑業發展的方向，并將對建筑業發展帶來戰略性和全局性的影響。建筑信息模型(Building Information Modeling，以下簡稱“BIM”)技術是目前建筑三維虛擬化主要的信息技術，能夠應用于工程規劃、勘察、設計制造、施工及運營維護等各階段，實現建筑全生命期各參與方和環節的關鍵數據共享及協同，是實現建筑業轉型升級、促進綠色建筑發展、提高建筑業信息化水平和推進智慧城市建設的基礎性技術[1]。BIM技術的深入應用和發展，將有利于整合設計、生產、施工、運維等整個產業鏈，有利于建筑業生產組織模式創新，有利于市場資源合理配置，有利于推動行業創新變革[2]。

住房和城鄉建設部2016年發布的《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》中對于工程勘察信息化發展提出了明確的要求和指導意見[3]。勘察設計企業需加快BIM普及應用，實現勘察設計技術升級。在工程項目勘察中推進基于BIM技術的數值模擬、空間分析和可視化表達，研究構建支持異構數據和多種采集方式的工程勘察信息數據庫，實現工程勘察信息的有效傳遞和共享(如圖1所示)。

目前，BIM技術的應用仍主要局限于建筑與機電等專業，仍有很多強大的功能尚未實現。另外，BIM軟件本地化族資源較少。在巖土工程勘察設計領域中勘察成果仍多以二維圖紙表現為主，BIM技術的應用尚屬于起步階段。如何將BIM技術應用在勘察設計中，尤其是城市軌道交通的勘察設計工作中，實現巖土工程地質勘察成果的三維可視化及地下空間工程信息的整合與多方面應用，并與其他專業進行多專業BIM協同合作是當前巖土工程研究的重點方向[4]。因此，本文基于青島市地鐵6號線一期工程富春江路站巖土工程勘察項目開展了BIM技術應用與三維地質體模型構建研究，對BIM技術于青島地鐵勘察設計項目中的應用研究案例進行介紹。

圖1 BIM技術于建筑全生命周期信息共享與傳遞中的應用

2 巖土工程勘察BIM的實現途徑分析

2.1 巖土工程勘察BIM的特點

巖土工程勘察，是指根據建設工程的要求，查明、分析、評價建設場地的地質、地理環境特征和巖土工程條件并提出合理的地基基礎建議，編制建設工程勘察文件的活動。在作業模式上，巖土工程與關聯專業之間有迥然的差異，關聯專業是為建造提供依據標準的過程，而巖土工程則是利用工程地質測繪、鉆探、物探、試驗等手段獲得有限信息、對不規則地質結構的推演以及對其工程特性的評估并為關聯專業提供實施依據的過程[5]。因此，巖土工程BIM不僅僅是模型的建立，還包括現場數據采集匯總、分析評價以及與關聯專業相互交換的過程。

國際上建筑行業BIM技術及其應用僅限于上部結構而不包含地質體，其內在原因是巖土工程BIM技術運用不確定因素過多，難度較大，與上部結構BIM相比，在幾乎所有核心要素方面都存在本質差別。以其中的三維建模環節為例，表1給出了二者在所依賴的基礎理論、操作方式、工作對象等方面存在的差別。

建筑結構BIM與巖土工程BIM的差異 表1

2.2 軟件開發與實現

現階段，市面上常用的BIM軟件包括Autodesk Revit、AECOsim building designer與Autodesk Civil 3D。上述軟件于巖土工程勘察設計BIM具體操作與成體系成熟應用層面尚屬于探索研究階段。住建部發布的《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》為巖土工程BIM的架構提出了指導性方向。根據指導意見，巖土工程勘察設計BIM的實現需要四大類軟件：

(1)工程勘察階段基礎性工作中的數據采集系統，包括測量數據的導入、勘探點布置、層序檢查、成果導出等功能。

(2)基于鉆探和物探結果的三維地質建模軟件，該軟件要求建模操作便捷，能夠展現尖滅及透鏡體等復雜地質結構，能夠批量二維出圖。

(3)巖土工程分析軟件，包括地基承載力、極限平衡計算、土石方量計算等功能。

(4)巖土工程設計軟件，包括開挖場地形態設計、場坪設計等功能。

本文主要關注的是三維地質體BIM模型構建方法的研究。

3 基于BIM的三維地質體模型構建技術

地質體BIM模型本質上是一種三維模型。傳統的三維地質體模型主要包括兩種表達模式，一類是基于面表示的數據模型，如格網結構(Grid)、不規則三角形格網(TIN)等，這類數據模型不能夠真實地再現地下地質體結構，同時難以支撐GIS等相關空間分析功能。另一類是基于體表示的數據模型，如3D柵格、三棱柱(TP)、廣義三棱柱(GTP)等，這類數據模型便于掛接地質體屬性和便于儲存，但是需要耗費大量的儲存空間，對計算機性能要求很高[6～8]。本文在研究了傳統三維地質體模型的構建方法后，將BIM技術與傳統的三維地質體構建思想進行融合，提出了基于“點—面—體”基本思想的BIM三維地質體模型構建技術，其技術流程圖如圖2所示[9]。

圖2 三維地質體BIM模型構建流程圖

3.1 勘察鉆孔BIM模型構建

鉆孔BIM模型的構建主要是完成三棱柱模型中點的提取。由于地質勘察鉆孔的專業特殊性，現有BIM軟件的族庫中不包含鉆孔族；為此，參照《青島市區第四系層序劃分》標準地層，根據其工程特性制作了18個地質層鉆孔族。

在獲取了鉆孔族后，根據巖土層特性的不同，提取出鉆孔中所包含的地層數量，確定每一個地層的層序編號及每一地層的厚度，然后根據地質層編號調用不同的鉆孔族；根據其厚度信息確定鉆孔族的長度，然后依據鉆孔數據將這些不同地層的鉆孔族有序連接起來，構建出鉆孔BIM模型(如圖3所示)。

圖3 勘察鉆孔BIM模型示意圖

3.2 地質界面內插生成

本文選擇克里金插值算法用于地質界面的擬合生成。克里金算法，也稱空間自協方差最佳插值法，是以南非礦業工程師 D.G.Krige名字命名的一種最優內插法。克里金算法基本思想是根據樣本空間位置不同、樣本間相關程度的不同，對每個樣本的屬性賦予不同的權值，進行滑動加權平均，以估計待插值點的某一屬性。

在對于x1，x2，……，xn為區域上一系列的樣本點數據，可得到樣本數值Z(x1)，Z(x2)，……，Z(xn)，根據克里金原理，對于待差值點的數值Z*(x0)可采用一個線性組合來估計，其表達式為：

(1)

式(1)中，k代表樣本個數，α代表樣本點的值，若以無偏性和估計方差最小作為權值αk的選取標準，則有：

(2)

式(2)中，E代表均值，Var代表方差。根據上述條件并結合拉格朗日乘數法求條件極值，可以得到αk。具體計算原理與步驟可參考文獻[10]～文獻[11]，本文不再贅述。

將所有鉆孔提取出地質層厚度信息作為樣本數據，然后針對鉆孔范圍進行柵格化；根據克里金原理插值出柵格網中每一個點的地層厚度信息，進而依據位置及厚度信息構建出三角網，最終獲取該地層界面。針對每一個地層都做相同處理后，即可獲取多個地質界面的信息。

3.3 地質體模型的提取

對于三棱柱模型，其地質體是上下2個三角面之間的部分，由3個四邊形與上下2個三角面圍繞而成。由于地質界層的本質是不規則的三角網，由多個三角形構成，同時對于每一個三角形的構建都是由鉆孔點構成，所以對于相鄰的地質界層，相同位置上2個三角網直接相連便構成了一個三維地質體模型；同理將地質界層中每一個三角形都向相鄰的地質界層尋找相對應的三角形并且連接，最終提取出地質體模型(如圖4所示)。

圖4 三維地質體模型示意圖

4 青島地鐵勘察項目應用實例

4.1 工程概況

青島市地鐵6號線富春江路站為明挖兩層地下車站，車站主體結構位于黃島區富春江路和江山南路交叉口東北側的綠化用地范圍內，沿江山南路南北方向布置，西側為江山南路車行道，東側為東河河道(圖5，虛線范圍內為車站位置)。車站長度約為 118 m，寬度約 11 m；車站軌面埋深約 18 m，軌面標高 -10.02 m，總建筑面積約 14 500 m2。車站共設置3個出入口，2組風亭，2個安全出入口，1部無障礙電梯和1座消防水池。由于車站位于重要市政道路和綠化帶內，受地形和線路的限制，結合車站地質條件、站位布置、周邊交通、管線情況以及基坑安全風險綜合影響，擬采用明挖法施工，基坑支護方式為灌注樁+鋼管(混凝土)支撐+預應力錨索。

圖5青島地鐵6號線富春江路站全景圖

圖6富春江路站典型地質剖面圖

4.2 三維BIM模型構建

選取青島市地鐵6號線富春江路站周邊區域內的近60個勘察鉆孔數據，在VS2012開發平臺上，調用Autodesk Revit提供的API函數進行二次開發。按照圖1所示的地質體BIM模型構建流程，對上述勘察鉆孔進行處理，并提取地質體BIM模型；依據《青島市區第四系層序劃分》標準地層，將不同地層按照不同的紋理進行映射，生成了車站場區地下三維地質體模型。

在模型體的構建過程中，還綜合考慮了對后期結構設計、土建施工具有影響的場區各種地上及地下環境要素。依據場區范圍內的綜合勘測資料，將地下市政管線、重要沿線建筑及構筑物、地表水系等要素與場區地下三維地質體模型進行融合，最終得到了車站周邊場區的綜合BIM模型如圖7所示。

圖7青島地鐵6號線富春江路站三維地質體BIM模型

在工程地質方面，構建的地質體模型可直觀地展示場區勘察揭露的第四系地層、基巖各風化帶的空間分布；對地下水分布數據、斷裂構造及巖脈的發育產狀及寬度等特殊地質信息也進行了較為合理的展示分析；通過該模型可以快速查詢所有巖土層的空間展布信息以及巖土設計參數，包括地質勘察的取樣、原位測試、室內等細節數據也采用短圓柱的方式進行了展示，便于快速查詢。

由于模型實現了勘察成果由面到體的跨越式轉換，可大大降低地鐵建設項目各參建單位之間交流協作的困難，有效提升勘察、設計、施工等工作的效率，縮短出圖時間；通過綜合考慮對結構設計與土建施工具有重要影響的地上及地下各類要素信息，可以使建設單位及設計單位更加直觀、全面地對各類項目建設風險源進行分析與控制，有利于確保實現項目安全、工期、質量與成本的預期目標，助力地鐵建設項目的科學高效推進。

5 結 語

工程實踐應用成果表明，BIM技術應用于地鐵建設項目巖土工程勘察設計工作中是可行的，本文的研究成果對于工程地質信息的三維展示處理與勘察設計工作的優化具有一定的指導意義。但是，鑒于巖土工程BIM有別于建筑結構BIM的特殊性與不確定性，要將BIM技術完美地應用于巖土工程勘察設計中，仍有一些技術難點需要格外關注：一是地質模型中透鏡體、夾層和巖脈等特殊信息的三維立體表達與空間展布情況為二維勘察成果推測而來，其準確的形態有待進一步驗證；二是如何快捷地實現與后期的結構設計、現場施工、機電安裝等工程的交互融合、多專業綜合應用的問題。

總體來看，BIM技術應用于巖土工程勘察設計是大勢所趨，其他專業BIM技術的整合也是勢在必行的。隨著應用經驗的積累，新技術、新設備的產生，各類技術難點必將一一攻克。BIM技術在巖土工程勘察設計中廣泛有效的應用，將極大地推動勘察設計行業的信息化進程，改變作業方式的同時極大地提升工作效率，進而促進整個建筑業工業化、信息化、智能化的發展。