BIM在建筑工程巖土勘察三維虛擬現(xiàn)實可視化中的運用分析

梁勇

身份證號：1201051985＊＊＊＊5436 天津 300384

引言

1988年，Yvantis首次提出用分形方法模擬地質(zhì)界面，隨后Fisher和mallet采用NURBS和離散光滑插值法建立三維實體模型；1999年，dekepm借助三維貝塞爾曲面實現(xiàn)了復雜地質(zhì)構(gòu)造的可視化，此后，許多學者對其表達方式進行了研究并對斷層錯動地層的顯示和褶皺巖體的模擬，取得了許多成果。

盡管BIM以其優(yōu)越性而著稱，但它在建筑、結(jié)構(gòu)等領域得到了廣泛的應用，而在巖土工程勘察中，仍采用老舊的勘察方法，就是使用鉆探獲得有關地質(zhì)的數(shù)據(jù)。然而，從BIM獲得的測量結(jié)果主要是二維圖紙[1]。在這樣的基礎上，怎么把BIM集成到其中，保障從二維的圖紙到三維虛擬模型的轉(zhuǎn)換，已經(jīng)是工作人員急需解決的關鍵問題。因此，有必要探討基于建筑工程巖土工程勘察的BIM和三維虛擬建模技術。

1 三維地質(zhì)建模和BlM的關系

結(jié)合巖土工程知識，可以建立巖土工程的三維模型。從廣義上講，三維地質(zhì)建模包括巖土工程勘察成果的三維可視化[2]。將巖土工程勘察資料、地球物理資料、化探資料、水溫探測資料、地震資料、剖面圖、等高線圖、地質(zhì)圖、地形圖等有效資料，直接形成數(shù)字三維地質(zhì)模型，它能直觀地顯示地質(zhì)構(gòu)造的內(nèi)部屬性，全面顯示地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)部的各種變化及數(shù)據(jù)規(guī)律。數(shù)字仿真和基本空間分析能夠協(xié)助使用者判斷信息并規(guī)避風險。巖土工程中三維地質(zhì)建模得到了廣泛的應用，通過在巖土工程中建立三維地質(zhì)模型，為工程勘察提供了極佳的基礎條件，讓地質(zhì)規(guī)劃設計人員和巖土工程師能夠真實地、準確地、直觀地觀察施工區(qū)域的地質(zhì)情況，保證工程設計和施工的科學、合理、準確，減少工程建設分擔[3]。BIM在巖土工程勘察中，通過構(gòu)建三維可視化模型，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)等專業(yè)知識，開展巖土工程各個階段的工作。從廣義上講，三維地質(zhì)建模包括巖土工程勘察成果的三維可視化。將巖土工程勘察資料、地球物理資料、化探資料、水溫探測資料、地震資料、地質(zhì)圖、地形圖、等高線圖、剖面圖等原始資料，一次形成數(shù)字三維地質(zhì)模型，它能直觀地顯示地質(zhì)構(gòu)造的內(nèi)部屬性，充分顯示地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)部的各種數(shù)據(jù)和變化規(guī)律。BIM形成的數(shù)字模型可以將真實的地理環(huán)境轉(zhuǎn)化為虛擬的圖像。數(shù)字仿真和基本空間分析可以幫助用戶推斷信息并規(guī)避風險。

2 巖土工程勘察概述

從勘察內(nèi)容來說，具體如下：①地質(zhì)特征。地形地貌的形成，同巖石特性和土壤內(nèi)部構(gòu)造等因素有關。通過地形地貌的調(diào)查，掌握表面環(huán)境，并且深入分析巖石和土壤等，了解類型和成因等，為工程設計提供參考。對于巖石風化程度，依據(jù)表1判斷。②地下水調(diào)查。開展調(diào)查時，要掌握地下水類型與具體分布等情況。同時要進行氣候特征以及降水的調(diào)查，力求掌握最全面的資料。除此之外，開展水質(zhì)分析，判斷是否會給巖石與土壤等造成腐蝕。③建筑承載力調(diào)查。通過巖石和土壤取樣的方式，開展試驗研究。依據(jù)試驗的結(jié)果，分析地基承載力，實現(xiàn)對地基變形的精準預測，為工程建筑施工，提供高質(zhì)量的巖土參數(shù)。

3 巖土工程勘察領域應用的BlM軟件

從BIM軟件在巖土工程勘察中的實際應用來看，BIM軟件一般分為以下兩種形式：一種是基于BIM模型的分析軟件，如可視化軟件、結(jié)構(gòu)分析軟件、概算軟件、施工進度管理軟件等，處理繪圖軟件、深化設計軟件等；二是目前基于BIM核心的建模軟件，如建筑結(jié)構(gòu)設計軟件、機電及系統(tǒng)設計軟件等，我國許多企業(yè)已經(jīng)開始自主開發(fā)和探索三維巖土工程應用軟件。但是，需要采用建筑結(jié)構(gòu)交換的專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這使得巖土工程軟件無法正常工作。為了將BIM技術應用于巖土工程勘察中，應結(jié)合相關的操作技術，利用BIM軟件實現(xiàn)三維可視化測量效果。例如，Revit軟件已廣泛應用于建筑行業(yè)中，三維建模技術的發(fā)展也相對成熟。它摒棄了基于CAD平臺的建模程序，利用Revitapi為其提供了強大的編程接口，實現(xiàn)了某類建筑信息的可視化。此外，用戶還可以根據(jù)自己的需要使用Revit軟件進行擴展，生成所需的三維建筑模型。

4 應用BlM完成巖土勘察三維虛擬建模的過程

4.1 巖土勘察

巖土工程勘察三維虛擬建模的過程是：巖土工程勘察三維建模理論研究－分析巖土工程勘察三維建模的各個階段－采集數(shù)據(jù)點－建立地表地形－導入鉆孔數(shù)據(jù)－選擇和輸入空間插值點－逐層插值－導入和導出數(shù)據(jù)點－構(gòu)造地質(zhì)曲線曲面－地層尖滅－考慮褶皺、斷層等構(gòu)造－基本顯示地質(zhì)體－完成三維虛擬模型的建立[4]。

4.2 巖土勘察三維虛擬建模技術的應用

（1）空間插值法。在實際的操作中，不管是鉆孔分布位置或是鉆孔的數(shù)量都不能完全滿足建模要求[5]。因此，在原始測量數(shù)據(jù)的基礎上進行插值，可以保證基礎測量數(shù)據(jù)具有相應的要求，其中有些數(shù)據(jù)是科學的、準確的。

（2）三維地質(zhì)建模。利用高程點和等高線建立簡單的地表模型是地質(zhì)界面建模的一種常見形式。當然，如果建模對象是一個復雜的曲面，使用者需要根據(jù)具體情況重新對底層進行考慮。把三維模型轉(zhuǎn)換為實體的方法有三種：線框造型、曲面造型和截面造型。

（3）地質(zhì)數(shù)據(jù)組織。數(shù)據(jù)建模最需要應用三維地質(zhì)建模的主要有鉆孔數(shù)據(jù)圖及電子地形圖，根據(jù)實際情況確定插值方法及其應用，可以起到補充地層缺失數(shù)據(jù)的作用。Kriging插值法是近年來常用的插值方法，也是本文采用的插值方法。

4.3 Civil3D軟件的應用

Civil3D是一種基于AutoCAD的面向基礎設計行業(yè)的BIM建模方案。該軟件通過與多個專業(yè)建筑軟件的數(shù)據(jù)交互，完成三維虛擬模型的設計。將Civil3D技術應用于延遲測量過程中，可以實現(xiàn)剖面、場地采集和地表物體的可視化設計。但在實際應用過程中發(fā)現(xiàn)，該軟件還有一些問題尚未解決，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：一是不能獲取斷層、地層反演等地質(zhì)層特殊的信息資料；二是在插值過程中，不可能隨機選擇插補點對應的位置空間，插補方案有明顯的約束；三是運算速度慢，效率難以大幅度提高。

5 巖土工程勘察BlM應用及實踐

為了將BIM技術與建筑結(jié)構(gòu)等專業(yè)有機結(jié)合，本文將以revitarchitecture建模軟件為例，探討B(tài)IM的工作時間。具體操作內(nèi)容如下：第一步是收集巖土工程勘察施工現(xiàn)場的地質(zhì)資料。在建筑建模軟件中，借助蘇街的地質(zhì)資料，利用“內(nèi)建模型”組件繪制“三維網(wǎng)格剖面”，并用不同的顏色逐一標注巖土層，實現(xiàn)鉆孔數(shù)據(jù)的三維可視化和分布巖層的規(guī)律是直接反映的。第二步，利用繪制的“三維網(wǎng)格剖面”建立該巖土工程地質(zhì)模型。為了簡化三維模型的制作過程，不需要表達巖土層內(nèi)透鏡體的地質(zhì)表達。在建立三維地質(zhì)模型后，利用建模軟件中的剖面切割工具，得到工程地質(zhì)剖面圖。此過程不同于二維輪廓顯示的信息。由建筑軟件得到的剖面圖代表了一個長方體在巖土層上的投影內(nèi)容信息。第三步，根據(jù)巖土工程的具體情況，在施工現(xiàn)場設置五個樁基礎，利用RealGeA軟件對建筑物的基礎結(jié)構(gòu)進行顯示，以達到可視化效果。如果樁基礎的承重層位于強風化花崗巖上，則可以直接實現(xiàn)樁基礎在承重層上的三維效果圖。第四步利用Revita體系結(jié)構(gòu)軟件可視化三維地質(zhì)模型的開挖過程。由于建模軟件的局限性，在基坑開挖區(qū)選擇了表層以下的雜填土、粉土、粉質(zhì)黏土等。具體施工要求一定程度上決定了巖土工程，對巖土剖面進行了截圖處理。在使用revitarchitecture軟件進行巖土工程勘察時，由于外物的限制，還有一些問題：一是鉆孔數(shù)據(jù)的輸入和巖土模型的建立都需要依靠人工操作。為了保障BIM技術在巖土工程中的有效應用，有必要提高某類施工的效率，保證模型施工的準確性。第二，BIM三維地質(zhì)建模系統(tǒng)只能處理常規(guī)的巖土層。如果巖土層中存在透鏡體或尖滅體，BIM技術將不能對底層巖土進行后處理，這將降低測量結(jié)果的精度。第三，使用Realga結(jié)構(gòu)軟件對基坑開挖進行模擬，只能手動操作。第四，巖土工程勘察模型的輸出接口和計算存在一些不足。鑒于巖土工程中BIM技術的應用，為實現(xiàn)可視化勘察效果，解決軟件使用的局限性，應建立與巖土工程勘察區(qū)一致的巖土數(shù)據(jù)庫，并利用Revitapi實現(xiàn)巖土工程二次開發(fā)工程勘察成果，從而解決了巖土工程模型的輸出與構(gòu)造的接口問題。除此以外，在利用Revitapi技術進行巖土工程二次開發(fā)時，需要建立精確的巖土底部模型，并參考三維地質(zhì)模型的相關研究成果。

6 三維虛擬建模對巖土勘測的措施

6.1 開發(fā)模塊的原則

在使用BIM完成再次開發(fā)的過程中，要精確按照面向?qū)ο蟆ⅹ毩⒐δ堋⒂脩粲押米鳛榍疤釛l件。面向?qū)ο蟮墓δ苁潜Ｕ宪浖母叨燃桑还δ塥毩⒌墓δ苁翘岣哕浖到y(tǒng)的穩(wěn)定性，可以為代碼展現(xiàn)更廣泛的使用范圍；友好的界面是幫助用戶學會三維建模軟件的使用方法時間不能太長，以及操作和操作軟件模式更容易被人們接受。

6.2 模塊的功能

（1）生成插值點。大量的實例表明，巖土工程鉆探調(diào)查的鉆孔點分布是不均勻的，而且較為稀松。因此，必須開發(fā)插值點的功能，為以后的相關工作提供有力支持。插值點的生成過程包括兩部分：用戶操作及功能開發(fā)。功能開發(fā)的過程是：將建模軟件與excel對接，在事物中增加插值面積和數(shù)量，在事物中增加自動平均循環(huán)，提交事物；用戶操作過程如下：首先將軟件繪圖狀態(tài)確定，然后建模工作完成；選擇插值區(qū)域；確定具體的插值點數(shù)；導出xlsx文件。實際的操作情況下，使用者應注意：確定插值面積和插值點數(shù)是保證后續(xù)工作順利開展的前提。

（2）空間插值。空間插值的主要目的是保證生成的地形和地層表面的精度、逼真度和光滑度。它與插值點相同。具體設計過程包括功能開發(fā)和用戶操作。功能開發(fā)過程為：將建模軟件與excel對接，設計接口程序，將設計數(shù)據(jù)導入模塊，設計插值函數(shù)，完成結(jié)果生成程序的設計。用戶操作過程如下：完成軟件建模工作－輸入插補命令－根據(jù)實際需要確定插補方法：出現(xiàn)插補窗口，導入xlsx數(shù)據(jù)，生成相應的插補結(jié)果文件。

（3）導出取點。在設計導出取點功能時，還需要考慮兩個方面，即功能開發(fā)和用戶操作。功能開發(fā)過程為：建模軟件與excel對接－確定空間數(shù)據(jù)點屬性－交易處理與選框結(jié)合－提交物品；用戶操作流程為：確定空間數(shù)據(jù)點－輸入導出點命令－選擇逐幀空間數(shù)據(jù)點－導出生成的xlsx文件。

7 結(jié)束語

總而言之，作為一種全新的勘測技術，BIM的應用范圍較大，并得到了國內(nèi)外眾多研究者的認可，由此BIM可以運用在每一個不同的建筑區(qū)域，它的發(fā)展和巨大潛力是不可能估量的。近年來，隨著BIM技術在建筑行業(yè)中的逐步運用，有效增加企業(yè)之間的溝通與交流，對項目周期進行動態(tài)化管理，提升建筑工程集成化水平。BIM作為新的測量技術，它廣泛的應用范圍，得到了很多研究人員的承認。它可以高效應用于建筑業(yè)的各個發(fā)展領域，其影響是不可估量的。