基于BIM的巖土工程勘察信息模型快速建模方法

鄭國棟

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

巖土工程勘察是工程建設全生命期不可或缺的一個重要階段，其成果是工程地基基礎設計、施工的重要技術依據。隨著BIM(Building Information Modeling)技術在工程建設領域的應用越來越廣泛、越來越成熟，運用三維可視化信息模型集合工程全生命周期不同階段各參與方的數據、信息資源，使不同階段各參與方之間的數據信息得到共享和協同工作[1-6]。巖土工程勘察運用BIM技術勢在必然。但由于地質成因以及在不良地質作用條件下，其所構成的建構筑物地基的巖土體在三維空間分布形態上均是無規則的非幾何體，顯然難以直接采用由不同幾何體組合的建構筑物BIM三維建模軟件和方法，這對于進一步深入而廣泛推進巖土工程勘察BIM技術的應用，無疑是一個必須面對和亟待解決的一大難題。

基于此，本研究立足實現基于BIM應用條件下巖土工程勘察信息模型快速建模[7-15]和建立巖土工程勘察數據標準，利用現有可構建非幾何體的三維建模軟件，研發相關聯的插件，以快速實現在BIM應用條件下的巖土工程勘察信息模型，促進巖土工程勘察在工程建設全生命期BIM平臺上協同工作以及數據和信息共享。

1 基于BIM條件下的工程勘察信息模型建模條件

目前，國內外研發的三維地質建模軟件產品已有數十款，主要都是為滿足某個專業領域應用而開發的三維可視化建模軟件，尚未有基于BIM應用條件下適用于巖土工程勘察領域且被普遍接受和廣泛應用的三維信息模型應用軟件。由于現有的三維可視化地質信息模型應用軟件均不是基于BIM理念下開發的，因此無法實現多專業的數據信息共享和協同工作，所建立的三維可視化地質信息模型于是都形成了信息孤島。因此，基于BIM條件下的勘察信模型應具備以下條件：

(1)勘察數據標準化和數據庫建立。首先應實現勘察現場測量、勘探、測試、試驗等各專業源數據的自動采集、傳輸和存儲，構建滿足BIM應用條件的數據庫系統，建立數據標準和交換標準。所有進入數據庫共享層的模型數據均應具備三維屬性，并應符合數據交換標準要求，這是實現快速建模的先決條件，才能使所建立的巖土工程勘察信息模型滿足工程全生命期各參與方之間的數據無損傳遞、信息共享和協同工作。

(2)工程地質分析推演系統與和快速建模共存。目前所有的三維地質體均是根據有限的勘探數據源進行劃分和推演。地質模型的數據源主要由鉆孔、物探以及地質測繪等野外勘察手段獲取的原始數據組成。建筑信息模型是根據設計圖紙進行建模，模型的尺寸是已知的。與建筑信息模型不同，工程勘察信息模型需要根據有限的數據進行分析推演，即工程勘察信息模型的建模過程也是對地質體空間的推演過程，特別是當地質體復雜或出現異常的情況下，需要專業技術人員從工程地質學的角度進行分析并適當地進行人工干預。創建工程勘察信息模型應能夠高效快捷，如果創建一個模型歷時過長，甚至遠大于繪制傳統二維剖面的耗時，這顯然違背了創建三維模型的初衷。

(3)數據分析處理和協同工作。巖土工程勘察信息模型除了應具備三維可視化功能外，還要充分發揮其協調性，對數據進行分析處理，為其他專業提供協同工作的可能性。在所建立的層級數據庫里，可隨時根據需求調用工程勘察數據信息進行分析處理，在同一平臺下滿足設計階段和施工階段項目不同參與方的使用需求。如基礎的設計、基礎方案優化、巖土工程設計、巖土工程監測等，達到協同工作的目的。將工程勘察數據庫、基于BIM條件下的巖土工程勘察信息模型、設計分析模塊有機結合起來，達到數據信息統一標準、數據共享和協同工作。

(4)標準化出圖。BIM目前的應用正向設計，由于軟件操作復雜、硬件設備要求高、工效慢等原因，這也正是目前工程設計還離不開傳統二維CAD制圖方式的主要原因，更多是由于業主或其他項目參與方的需求，不得不采用逆向BIM設計即翻模方式，無形之間增加了設計人員不少的工作量，也失去了BIM指導設計目的。真正基于BIM條件下的工程勘察應該擺脫這種困境，應采取正向設計方式建立基于BIM條件下的工程勘察信息模型，然后通過三維信息模型任意剖切導入CAD軟件進行標準化出圖。傳統采用CAD軟件繪制工程地質剖面圖，地層分析主要采用內連外推的方式進行簡單處理，僅根據剖面內的鉆孔信息推演出來的地質體在空間上解釋往往是多解性，同時給設計人員設計時造成一定的困擾。而通過工程勘察信息模型推導的地質體在空間上具有唯一解釋，因此由三維信息模型任意剖切導入CAD軟件自動生成的二維剖面圖，具有唯一性，設計人員可以充分利用三維可視化巖土工程勘察信息模型進行精細量化設計。

2 三維快速建模方法

2.1 建模思路

三維快速建模流程如圖1所示，大體可以分為以下6個步驟：

圖1 快速建模流程圖

①地形測繪、周邊已有建筑和構筑物的收集，創建地表模型。

②將原始勘探資料(鉆探、物探、地質測繪等野外勘察手段)錄入到標準化的層級數據庫內。

③根據層級數據庫創建勘探點模型，并根據預設的控制剖面，生成初始化剖面資料。

④對地層進行界面的分析，通過數據庫的數據和勘探點模型在空間展示的情況，利用空間插值和基于地質成因機理進行地層曲面修正相結合的方式，將地質界面在三維空間的延展和收斂，該部分在三維建模中是核心技術部分。

⑤劃分地層界面和特殊地質體分布情況，分別生成相應的地質曲面與地質體，結合地表模型，生成巖土工程勘察信息模型。

⑥根據勘察標準出圖的要求對三維地質體進行剖切，獲取剖面資料并標準化出圖，還可根據設計需求生成等深線圖。

2.2 勘探點模型

調用層級數據中庫存儲的勘探點數據信息，在模型三維軟件中生成鉆孔模型，如圖2所示，同時將勘探平面位置圖從CAD導入到模型中，通過不同角度核對模型數據的合理性，并為下一步地質體三維建模提供依據。

圖2 鉆孔模型及勘探點平面位置圖

2.3 空間插值方法

巖土體界面的數學模擬是建立三維地質模型的基礎。構建建設場地巖土體三維巖土工程信息模型時，不宜直接采用Dulauny三角剖分法構造空間不規則三角網(TIN)來構建地質界面。由于在滿足現行國家技術標準的基礎上工程勘察勘探點間距往往相距較遠，所獲取的地層原始數據信息尚不能滿足構建信息模型所需精度要求，需要從地質學的觀點和工程實踐經驗出發對相鄰勘探點間的地層界面的變化趨勢進行判斷；另一方面，如果插值曲面不光滑，則，無法求出地層界面上某點坐標軸的坡向、坡度和曲率。故應采用離散數據擬合與空間插值方法建立三維巖土工程勘察信息模型。

2.3.1反距離加權插值法

反距離加權[16-20](inverse distance weighted, IDW)是一種確定性方法，用于已知散點集的多變量插值。其基本原理是已知鉆孔數據點的三維空間信息，即坐標和高程值，勘察區域內所有鉆孔數據均對插值點的數據值有影響，距離未知點近的點的影響力(權重)大于距離遠的點。若待插值點X的周圍有N個鉆孔數據點，則X點的高程值為：

(1)

2.3.2克里金插值法

克里金法[16-21](kriging method)是依據協方差函數對隨機過程/隨機場進行空間建模和預測(插值)的回歸算法。克里金法是引入了包括概率模型在內的統計模型，從已知數據的相關性和變異性出發，對有限區域內的位置點取值進行無偏、最優估計的插值方法。在已知的有限區域范圍內對待插值點進行估計：

(2)

式中：z(S0)為待插值點數值；λi為第i個鉆孔數據的權重；z(Si)為第i個鉆孔數據值；N為鉆孔的總數。

對于權重系數λi，可以利用如下克里金方程組求解：

(3)

式中γ(xi,xj)為鉆孔數據點xi與xj之間的變異函數值；μ為拉格朗日常數。

2.4 基于地質成因機理進行地層曲面修正

由于不同地質成因和不良地質作用，地質體在地下三維空間中的表現形式都是不規則的非幾何形體。即使在一個有限空間范圍內的建設場地，也會因其成因和不良地質作用使地層存在諸多的不連續、非幾何形體的地質界面，如地下空洞、透鏡體、夾層、孤石、斷層等。因此，采用傳統的建模技術和三維BIM設計軟件都難以快速有效地擬合出理想且符合地質學的實際地層分布情況。由于受常規勘察點間距偏大的約束，無法完全揭示地層空間分布情況，必須由巖土工程勘察技術人員根據地質學原理地質成因機理，通過相鄰勘探點之間勘探成果進行合理的推導和判斷，以進一步確定地質體的延伸和分布，對地層曲面進行修正，最終形成地層曲面信息模型，如圖3(a)所示。具體做法：可將勘探孔三維信息模型和地層三維曲面模型進行疊加，檢查地層三維曲面信息模型和鉆孔三維信息模型之間是否契合，并判斷地層曲面的合理性(圖3(b))，對不合理的曲面進行局部加權系數調整，再插值。檢查完畢后，按照曲面間的邏輯關系形成實體三維勘察信息模型(如圖3(c)所示)，并交付設計人員使用。為方便設計人員使用，可以把三維實體勘察信息模型中可作為基礎持力層的地層曲面單獨提取出來，作等深線處理，如圖3(d)所示。

(a)地層曲面模型 (b)鉆孔模型和地層曲面模型

(c)三維地質體模型 (d)三維等深線模型

2.5 標準化出圖

根據勘察報告出圖標準，沿勘察信息模型預設鉆孔剖面線方向進行剖切。剖切好的信息模型，可以單獨展示剖面信息模型(如圖4(a)所示)，也可以導入CAD中進行標準出圖(如圖4(b)所示)。通過三維模型切出來后的剖面信息模型和二維工程地質剖面具有唯一性，地層的連線也將不再是生硬的內連外推的形式。

3 結語

(1)基于BIM技術的巖土工程勘察信息模型是建筑信息模型的重要組成部分，巖土工程勘察信息模型是將巖土工程勘察成果數字化的表達，并且創建的模型可以供其他專業使用。巖土工程勘察信息模型可以成為工程地基基礎設計、施工的重要技術依據。

(a)剖面模型 (b)二維標準化剖面圖

(2)基于BIM技術的巖土工程勘察信息模型，應當在層級數據庫的基礎上創建，以保證數據的唯一性以及便于交付使用和管理。

(3)基于BIM技術的巖土工程勘察信息模型應當能夠快速高效地創建。作為提升工作效率和實現精細化設計的重要手段，巖土工程勘察信息模型應當能夠有效地減輕設計人員的負擔，在實現精細化設計的前提下，有效地節省時間成本。

(4)基于BIM技術的巖土工程勘察信息模型應當能夠實現標準化出圖。傳統二維出圖模式下的剖面圖僅是依靠剖面內的鉆孔生硬地內連外推形成，這種情況下地層連線往往是多解的，而由三維模型剖切出的剖面圖具有唯一性。