BIM技術在巖土勘察成果三維可視化的應用研究

王瑛瑩

（中國建筑材料工業地質勘查中心遼寧總隊測試研究所）

1 引言

巖土工程勘察是建設國家基礎設施的重要組成部分。準確而直觀的調查結果是確保工程施工質量和安全的前提。BIM技術是建筑工程的新概念，已在建筑工程中廣泛使用，但其在巖土工程中的應用才剛剛開始。也可以說BIM 是巖土工程勘測領域相對較新的概念，在實際應用中可能存在許多問題，例如，土力工程勘測缺少完整的系統框架，并且缺乏該領域的合適基礎操作。BIM 技術數字協作管理在巖土勘測階段未得到充分實現。近年來，一些國內研究人員提出將BIM技術應用于巖土工程勘察的解決方案，但是大多數解決方案僅在設計階段，并沒有帶來實際收益。因此，研究BIM概念在巖土工程勘察結果的三維可視化中的應用至關重要[1]。

2 BIM技術與三維可視化

BIM代表建筑信息模型，是建筑結構的智能模擬，具有空間和全面性特征。BIM 技術是指通過創建設計、施工、維護和運營的協同管理三維模型實現工程項目。BIM 技術不僅可以通過特定的軟件實現，而且可以通過使用多個軟件收集來自工程項目相關機構的信息以實現協作綜合平臺。從巖土工程勘察工作的現狀來看，建筑公司通常會使用BIM分析軟件和基本的BIM建模軟件，根據項目的實際情況構建三維建筑信息模型，充分發揮模擬和可視化的優勢，基于動態變化的建筑工程開發模型參數，包括BIM分析軟件主要產生和設計處理圖紙、設備管理、建筑結構分析等功能。BIM 建模軟件的基本功能主要包括極限系統設計，建筑結構設計等。在建筑信息建模軟件中，編程接口集成程序。

在BIM技術的支持下，建筑公司可以將各種巖土工程勘測結果輸入三維模型中，以進行三維可視化渲染，輔以專業程序和其他參與平臺，可以提高勘測工作的效率，保證巖土工程的順利發展。分析BIM 軟件的應用程序，結果表明，當前的巖土工程三維地質建模軟件具有較大應用范圍，無法完全可視化施工現場的地質調查結果。因此，為了保證分析結果的可靠性，在施工過程中實施三維地質建模軟件時，企業還必須使用水文監測軟件（見圖1）。

圖1 BIM技術介紹

3 巖土勘察現狀

3.1 管理缺乏協同

如今，工程項目的BIM建模通常始于項目設計階段，導致測量師和工程項目設計人員的管理不協調、項目溝通不暢通。因此，要進行BIM 建模，有必要在項目調查階段從巖土工程勘測結果的三維可視化中將所有項目信息集成到三維模型信息數據庫中，以協調調查員與設計師。

3.2 信息缺乏時效

巖土工程研究階段所涉及的鉆探和材料成本的計算結果通常受各種外部因素影響。因此，物料指導價格和物料市場價格可能會有較大偏差。成本和實際信息情況有所不同。

3.3 成果共享差

巖土測量和建筑工作繁瑣，并且可能會出現諸如建筑信息混亂和建筑單元之間信息傳遞不暢之類的問題。巖土工程勘察結果可能無法及時報告，從而影響項目建設的質量。

應用BIM 技術進行巖土工程的基本概念是將工程的地質模型、鉆探場地和水位三維化，在三個維度上進行數字化，充分顯示巖土工程勘察的結果，并提高勘測水平。BIM 技術在實現巖土工程方面的優勢包括三維可視化，信息相關性，參與性和壓縮性。傳統的巖土工程勘測工作大多使用2D 圖形來顯示勘測結果，但是不直觀，不利于工程師和技術人員的理解。三維可視化是BIM 技術最重要的優勢之一。可以使用計算機程序來組合2D線條以形成三維模型。同時，三維圖形可以顯示實際地質環境，極大方便了技術人員之間的相互溝通和配合，降低了工程風險。BIM 技術可以在構建地質模型組件時設置組件的相關參數，例如，在構建井模型時，可以輸入深度和單價等信息。可大大減少項目信息的頻繁輸入，并減少信息輸入中出現錯誤的可能性。另外，在BIM 模型中，如果由于問題需要修改信息，則會自動更新相關信息，大大提高了巖土勘察員的工作效率和準確性。巖土工程勘測數據可能需要在項目參與者（設計單位、甲方單位等）之間傳輸和驗證，并且BIM 模型可以將調查結果匯總到數據文件中，改善參與者之間的協作工作[2]。

4 BIM技術巖土勘察中應用

由于BIM測量軟件的差異，BIM技術在增強巖土工程測量結果的三維可視化效果方面顯示出一定程度的特異性。當施工現場的地質界面不規則時，由于當前數學理論和建模技術的局限性，當層的尖端消失且誤差較大時，不可能使用計算機模擬地質界面的形狀轉移。由于地質調查是高度不確定的，在巖土工程施工現場勘測工作之前，關于操作人員施工現場的地質實體形狀的信息很少，只能根據勘測信息判斷地質原因。如果在BIM 模型中提供不能保證準確性的信息，則可能會導致模擬錯誤并造成一系列不利影響。

4.1 建立可視化模型

1）三棱柱模型

基于BIM技術，結合巖土工程勘察結果，建立三維地質體的可視化模型，根據層分布特征和地質鉆探特征，可以根據傳統的三棱鏡模型進行適當調整。該三列模型主要由三個幾何對象組成：點、表面和體積。典型的代表是頂表面和底表面上等長的四邊形（矩形）。

2）鉆孔BIM模型

在使用BIM 建立巖土工程勘測結果的三維可視模型時，必須首先創建井族模型，創建地質邊界層的插值并提取地質主體模型。創建鉆頭族模型時，首先需要完成三棱鏡模型中間點的提取。“族”是許多現實世界對象的分類，可以直接從BIM軟件庫中調用常規家族。族表示來自BIM三維可視化模型和相應族調查結果的有序組合。由于巖土工程井道施工的專業性強，族鉆孔群屬于某個類別，因此技術人員需要在調查基礎上對其進行物理組裝。

4.2 空間插值技術

三維可視化模型對巖土工程的施工質量、進度和安全性具有直觀影響。技術人員可以使用BIM 技術創建建筑信息模型，在其中顯示調查結果，并發揮BIM 技術的作用，模擬整個建筑過程和最終的建筑產品；當某些掃描數據更改時，可以使用BIM 技術。優化功能用于設置模型參數；在模擬施工過程時，管理人員可以制定安全隱患的預防措施，不僅可以確保施工現場的安全，而且可以避免安全隱患、延誤施工進度。通常使用空間插值技術將離散點的測量數據轉換為連續的數據表面，以與其他空間現象的分布模式進行比較。在應用該技術時，首先根據原始測量數據，通過將建模程序與Excel 對接來獲得插值區域，然后使用繪圖軟件單擊插值區域，即可確定插值點的確切數量。最后，通過創建和導出xlsx 文檔，并充分發揮這項技術的作用。

4.3 地質數據組織技術

數據組織是指以特定方式集成、存儲和處理規則和數據的過程，這是地理信息系統的重要組成部分。地理空間數據監管技術是指使用BIM 和其他類似技術匯總、分析、處理和存檔巖土工程勘測數據，以用于巖土工程。通常用于構建電子地形圖和井數據圖，主要功能是補充地層缺陷數據。如今，建筑公司非常重視現實世界中空間工程目標的抽象，忽略了基本屬性與地理現象特定方面之間的內在聯系，并更加關注空間位置描述向量，而不是分析組織的實體分類特征基礎。無法在模型層邊界客觀反映地質構造的事實。為了確保巖土工程施工的質量，建筑公司應注意地質數據的組織技術，并對原始勘測數據進行預處理，以提供數據，供隨后使用BIM技術構建三維視覺模型。

5 結語

簡而言之，BIM技術在巖土工程勘察中的應用對確保勘察工作的順利進行和提高勘測結果的準確性至關重要。在實際應用中，建筑公司可以使用BIM技術構建三維地質體模型，充分發揮空間插值技術和地質數據組織技術的作用，為實現巖土工程勘察結果的三維可視化提供支持。