BIM技術在山地城市巖土工程勘察中的應用研究

徐 剛， 魏 來， 楊 洵， 劉 智， 任亞楠

(1.重慶市地勘局南江水文地質工程地質隊，重慶 401121；2.重慶南江工程勘察設計集團有限公司，重慶 401121)

0 引 言

近年來隨著計算機技術的發展，BIM技術在中國基礎設施建設領域的應用飛速發展，產生了巨大的經濟效益及社會效益。國家住建部在《2016-2020 年建筑業信息化發展綱要》中明確提出要加快 BIM技術在勘察設計類企業中的應用，提高信息化水平和生產效率[1]。

雖然目前BIM技術在中國已經取得了豐碩成果，但國內大部分關于 BIM技術的研究和應用都是集中在上部建筑結構及設施，而對地下地質部分的研究則相對較少[2]。相對于設計、施工等專業的BIM技術應用的飛速發展，巖土工程勘察專業的BIM技術應用卻進展緩慢。究其原因，一方面是地質建模的復雜性決定的，地質建模需要大量運用插值算法、虛擬鉆孔等方法，而現實工作中只能以有限的工作量去盡量還原真實的地質環境，并且地層尖滅、斷層、褶皺等地質構造在BIM軟件中還都沒有很好的實現方式[3]，另一方面也缺少成熟適用的三維地質建模軟件，現有的BIM軟件與巖土勘察工作相脫節，難以推廣應用。

構建三維地質模型是表達地質信息的有效方法[4]，也是在巖土工程勘察中應用BIM技術的關鍵。目前常用的專業三維地質建模軟件包括GOCAD、Earth Vision、Petrel、Dimine、Datamine等[5-9]，多為國外產品，在油氣、礦產、水利等行業使用較多,其建模程序復雜、約束條件要求嚴格[10]，推廣使用成本較高。國內軟件開發起步較晚，但近年來也形成了一股熱潮，開發出了如理正地質GIS 、MapGIS、GeoView等[11-13]一些三維地質建模軟件，雖然在建模及模型可視化方面取得了一些進展，但模型應用及軟件商業化方面仍未完善，且在實現三維構筑物與三維地層的耦合上存有缺陷[14]，與實際巖土工程勘察工作脫節。

除此之外，由Autodesk (Revit、Civil 3D等)、Bentley(Architecture、Structural等)、Nemetschek Graphisoft (ArchiCAD等)以及Gery Technology Dassault (CATIA等)四家公司推出的BIM核心建模軟件平臺已逐漸成為主流[3,11]，同平臺各軟件間的兼容性較好，配合使用可以滿足一系列工程BIM技術應用，但此類平臺軟件缺乏專業的三維地質建模軟件，需要進行二次開發來滿足相關工作。國內已有單位或個人基于上述平臺軟件進行二次開發，如中國電建集團華東勘測設計研究院基于Bentley平臺軟件開發出三維地質勘察設計系統Geostation軟件；中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司基于Autodesk平臺軟件開發出地質內外業一體化平臺；中國水電顧問集團貴陽勘測設計院利用CATIA軟件進行三維精確建模和參數化設計，并對軟件進行二次開發，都取得了一些應用成果[3,15-17]。但由于不是專業的三維地質建模軟件，此類軟件對于深厚第四系地質區，建模效果較好；而對于覆蓋層較薄，存在大量褶皺構造、地層尖滅的山地丘陵城市，則還沒有很好的建模手段。

本文選用Autodesk平臺BIM軟件Civil 3D 2019版進行三維地質建模。AutoCAD軟件在二維巖土工程勘察時代應用廣泛，使用費用低廉，Civil 3D軟件集成了AutoCAD軟件幾乎所有功能，操作習慣相近，軟件學習成本低，與相關專業銜接順暢(項目巖土設計擬采用Revit軟件完成)，模型適用性強。本文以典型山地丘陵城市——重慶的某巖土工程勘察項目為例，使用Civil 3D軟件完成三維地質建模，敘述建模基本流程以及其中關鍵技術，并探討了三維地質模型的幾種應用，可為研究BIM技術在山地城市巖土工程勘察中的應用提供參考。

1 項目簡介

項目為重慶某小區巖土工程地質勘察項目，位于重慶市巴南區，擬建建筑為一棟33F塔樓及-2F地下車庫，車庫基坑深9.2 m，用地面積7 818 m2，工程勘察等級為甲級。場地位于川東平行褶皺嶺谷區，原始地貌為淺丘剝蝕地帶，后經城市建設開挖平場，場地地形整體平緩，坡角為1～8°，局部斜坡地段較陡，坡角可達35～60°。整平區域由第四系人工素填土覆蓋，局部斜坡地段可見基巖出露，第四系覆蓋土層與下伏侏羅系中統沙溪廟組的泥巖、砂巖呈不整合接觸，巖層產狀292°∠53°。第四系覆蓋層厚度為0.3～18.6 m，基巖面起伏不平，傾角為1～45°；根據山地城市勘察規范及重慶地區經驗，將場地基巖劃分為強風化帶和中等風化帶，強風化帶起伏與基巖面基本一致，強風化帶底面隨基巖面起伏而變化。本場地為典型的山地城市工程場地，覆蓋層整體較薄，基巖為沉積巖地層，巖層產狀陡傾，內含透鏡體，東側存在基坑順向坡，且基坑邊坡影響相鄰建筑，具體如圖1、圖2所示。

圖1 勘察平面簡圖

圖2 勘察區典型地質剖面

本項目在勘察方案布置時考慮BIM建模的需要，進行方案優化，并根據任務要求開展相關工作，較好地支撐了勘察工作，并對BIM技術在巖土工程勘察中的應用潛力進行了摸索，整個過程歷時2個月。

2 三維地質建模

2.1 技術路線

為了使三維地質模型能更好地反映重慶山地城市的地質特點，達到高精度建模要求，本項目的建模過程可以總結為以下步驟：數據采集→建模準備→構建地形曲面→添加虛擬鉆孔→構建地質曲面→構建三維地質實體模型→模型渲染展示。

2.2 數據采集

建模數據采集主要包括現場測量、測繪、勘探、試驗等數據，并將勘探及試驗數據同步上傳至我單位自主研發的勘察軟件QuickGEE數據庫平臺，該數據庫軟件可以將勘探等數據導入Civil 3D中建模使用。采集數據時如發現異常，及時復核勘探點坐標高程及施工情況，做到數據采集與現場勘察的交互和校核，可以使勘察工作更為準確，也為后續建模工作打下基礎。

2.3 建模準備

建模準備工作主要包括建模平面范圍確定、建模平面范圍內高程數據處理、平面地質界線的確定。

為了模型美觀以及便于展示場地三維地質特點，確定模型范圍為矩形，建模范圍包括勘探點數據以及場地基坑威脅的相鄰建筑，具體如圖1所示，并將此建模范圍作為后續建模中的曲面邊界。

對建設方提供的dwg格式二維地形圖進行整理：首先對建模范圍內地形圖中如房屋邊線、各種管線等無用圖元進行剔除；由于建設方所提供的二維地形圖高程點數據未進行Z賦值，繼而對圖中高程數據進行高程Z賦值，此步驟可通過Civil 3D軟件中的修改-曲面功能快速實現；最后,由于局部建模范圍高程點數據較稀疏，應通過現場測量進行加密處理，在此基礎上構建高精度地形曲面。

通過野外地質調繪，確定基巖出露范圍，在平面圖中繪制平面地質界線-巖土分界線，此線在之后步驟中可用以確定巖土分界面曲面尖滅位置。

2.4 構建地形曲面

Civil 3D軟件具有強大的曲面創建功能，適合地質建模的特點和需要。構建地形三角網曲面是Civil 3D建模中的關鍵步驟，后續構建地質曲面皆需以地形曲面為基準。通過已準備好的地形高程點數據、文本數據等圖形對象，或等高線數據、特征線數據，單獨使用或聯合使用以創建、定義曲面，或直接采用DEM、點云、GIS數據創建曲面。

通過前文處理好的地形圖高程點數據，利用Civil 3D軟件創建、定義地形曲面，再利用曲面特性對高程出差點進行篩除，建立好的地形曲面如圖3所示。

圖3 地形曲面

2.5 添加虛擬鉆孔

將鉆孔分層數據導入Civil 3D軟件，為下步構建地質曲面做基礎。項目鉆孔數據導入到Civil 3D軟件后生成的三維展示如圖4所示。

圖4 鉆孔數據三維展示

對于建模范圍內局部鉆孔數據稀疏處，國內主要有用克里金插值法[3,18,19]或增設虛擬鉆孔[17,20]來加密建模數據。本項目存在相鄰影響建筑區域，且局部存在基巖陡壁、深坑位置無法實施鉆探，可采用鉆探資料結合現場地質調查、測繪，以及參考相鄰工程地質資料，對建模范圍內鉆孔稀疏處及巖土分界線處添加虛擬鉆孔,如圖5所示，揭示場地地質細部特點，提高模型精度。

圖5 添加部分虛擬鉆孔

2.6 構建地質曲面

以地形曲面為基準，結合鉆孔分層數據、野外地質測繪數據，構建項目高精度三維地質曲面模型。

如前文所述，地層尖滅、斷層、褶皺等地質構造在現今BIM軟件中，都沒有很好的實現方式。而重慶位于川東平行褶皺嶺谷區，基巖褶皺構造發育，且存在較多地層尖滅、透鏡體，為典型的山地城市地質特征。如何將其在三維地質模型中構建出來，是高精度建模的重要環節，也是建模難點。

本模型利用Civil 3D軟件曲面隱藏功能來實現。首先利用鉆孔土層分層數據創建初步的巖土分界面曲面，繼而通過圖5中所示巖土分界線，以此線作為巖土分界面曲面與地形曲面等值線，并作為曲面隱藏邊界。最后對初步創立的巖土分界面曲面，選擇曲面→邊界→隱藏，完成操作后曲面如圖6所示，此曲面結合地形曲面，可準確反映巖土分界面于基巖出露處地層尖滅。

圖6 巖土分界面曲面

對于構建陡傾沉積巖層中的地層尖滅、透鏡曲面，本模型除了充分利用鉆孔分層數據及野外地質測繪資料外，結合Civil 3D軟件中對任意曲線拉伸、放樣功能，可以生成各種地層尖滅、透鏡曲面，再利用軟件的曲面布爾運算功能，得到較為精確的巖層分界面曲面，如圖7所示。

圖7 巖層分界面曲面

綜合地形曲面、巖土分界面曲面、強風化底界面曲面與巖層分界面曲面，得到場地三維曲面模型，如圖8所示。三維曲面模型可使用對象查看器功能進行展示，也可用特定格式導出，與其他軟件進行交互。

圖8 三維曲面模型

2.7 構建三維地質實體模型

項目曲面模型構建好之后，可在此基礎上構建三維地質實體模型。運用Civil 3D軟件功能，選擇修改→曲面→從曲面提取，然后可以在提取實體對話框設置所需實體提取參數，可以設置從已有某曲面到某曲面提取實體，以及從某曲面到某深度或固定高程處提取實體。同時所提取的實體可以通過Civil 3D軟件三維建模模塊中布爾運算功能，根據場地特點構建出較為精確的三維地質實體模型，如圖9所示。

圖9 三維地質實體模型

2.8 模型渲染展示

三維地質實體模型可以在Civil 3D中進行簡單的顏色、屬性賦值以及模型材質貼圖渲染，然后使用3D ORBIT命令或軟件三維坐標系統對模型進行基本的三維交互，使用“ObjectViewer”對象查看器功能，也可對三維模型進行縮放、旋轉、移動等操作，全方位直觀展示模型三維可視化效果。

3 三維地質模型分析應用

3.1 模型任意剖切

運用Civil 3D縱斷面功能，或借助已有的Civil 3D插件，例如Geotechnical Module[21]等，可對三維曲面模型做任意剖切，生成二維地質剖面圖，方便項目開展與交流。但是目前利用軟件剖切三維曲面模型得到二維剖面圖，格式、內容上與現階段勘察剖面圖還有較大差距，例如格式上需要增加剖面圖個性化定制模板，內容上缺少巖性花紋等地質內容，需要后期對軟件進行二次開發，才能滿足生產需要。

同時,可以將三維地質模型導入到NavisWorks軟件，啟用軟件剖分功能，可以任意角度對三維模型進行無極剖分，直觀展示場地地質細節。

3.2 基坑開挖與土石方算量

運用Civil 3D放坡功能，可以在已有三維地質曲面上創建項目基坑開挖曲面(圖10a)，繼而可以生成基坑實體，與原有三維地質模型布爾運算，得到場地三維基坑模型(圖10b)，在此基礎上運用軟件自帶放坡體積工具，快速進行基坑土石方挖填算量(圖10c)，與二維設計相比，此操作可直觀展示場地基坑開挖方案，精確指導下一步施工工作。

圖10 三維基坑建模及土石方算量

3.3 模型數值模擬

將Civil 3D創建好的三維地質模型數據以特定格式導出到專業的數值分析軟件中，例如MIDAS、FLAC 3D、ANSYS等，對模型做進一步分析模擬，供設計人員參考或進行項目深度展示。

本項目采用MIDAS軟件對場地基坑邊坡直立開挖方案進行數值模擬分析。將三維模型地形曲面、關鍵地質曲面數據導入到MIDAS軟件，在軟件中進行建模、網格劃分(圖11a)，經過計算得到基坑直立開挖應變云圖(圖11b)，由應變云圖可見基坑直立開挖時，東側順向巖質邊坡段及南側巖土混合質邊坡段應變較大，將會對相鄰建筑產生較大影響。因此場地基坑需要逆作法施工，分階開挖支擋，優化支擋方案，順層巖質邊坡段存在相鄰建筑，采用樁錨體系支擋，巖土混合質邊坡段采用抗滑樁支擋。

圖11 基坑直立開挖數值模擬

3.4 模型同平臺交互

將創建好的三維模型導入到歐特克平臺同版本的BIM軟件中，例如Revit、NavisWorks、Infraworks、3 ds Max等專業BIM軟件，同平臺BIM軟件同Civil 3D兼容性好(除曲面導入到Infraworks需要轉換為IMX格式外，其余可直接讀取dwg格式文件)，格式轉換便捷，能保留模型屬性。平臺軟件可以協助完成模型渲染、漫游、設計、輕量化集成、施工模擬等工作，以便更好地實現項目全流程全周期三維模型應用。

本項目基坑支護模型采用Revit軟件完成，將三維基坑模型直接以dwg格式導入Revit軟件輔助完成支護設計。然后將三維支護模型(fbx格式)及三維基坑模型(dwg格式)導入到NavisWorks軟件中，進行坐標定位及模型縮放、移動調整，完成三維基坑與支護設計模型輕量化集成(圖12)，同時利用NavisWorks軟件完成了三維模型漫游、基坑施工模擬演示，達到了較好的預期效果。

圖12 三維基坑支護設計集成模型

4 結束語

本文簡述了BIM技術在我國巖土工程勘察及三維地質建模方面的發展，介紹了國內外較常用的三維地質建模軟件及幾種核心建模軟件平臺，分析其優劣，在此基礎上選擇Autodesk平臺BIM軟件Civil 3D，對重慶市某巖土工程勘察項目進行三維地質建模，敘述建模基本流程以及其中關鍵技術，建立了較為精細的三維地質模型，最后介紹了模型的幾種重要應用。

筆者認為使用Civil 3D軟件進行巖土工程勘察項目的建模工作，以及對模型進行進一步分析應用是可行的，鑒于Autodesk平臺的學習成本以及經濟成本，Civil 3D軟件應用前景較為廣闊。本文能為研究BIM技術在山地城市巖土工程勘察中的應用及相關研究提供一定參考。

限于時間及人力，本次三維建模工作中也存在一些不足：①對于Civil 3D軟件在三維地質建模中的應用潛力還未完全發掘；②數據采集上傳工作還是傳統模式，耗時耗力，未能實現智能化采集；③單位自研QuickGEE軟件基于二維AutoCAD平臺開發，與Civil 3D軟件交互性較差；④三維模型數據庫掛接、屬性賦值查詢修改以及二維出圖方面還未達到預期效果。下一步還需要針對軟件做大量探索實踐，以及基于軟件平臺的二次開發工作，充分發掘Civil 3D軟件三維地質建模中的應用潛力，以便更好地服務于山地丘陵城市的工程勘察工作。