樁基工程BIM智能化建模及數(shù)據(jù)提取方法

向衛(wèi)國(guó) 王富章 趙魯東 劉承慧 許哲

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081；3.山東同圓數(shù)字科技有限公司，濟(jì)南 250101；4.深圳市前海數(shù)字城市科技有限公司，廣東深圳 518000）

工程項(xiàng)目中由于樁基數(shù)量多使得模型體量大，建模周期長(zhǎng)。此外樁基設(shè)計(jì)合理性的驗(yàn)證與地質(zhì)情況密不可分［1］，需要制作精細(xì)的地質(zhì)模型。通過(guò)智能化的手段提升樁基模型和地質(zhì)模型的建模效率及精度，并實(shí)現(xiàn)模型的整合，是將BIM技術(shù)應(yīng)用于樁基工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證的重要條件。

常見(jiàn)的樁基模型創(chuàng)建方法：①在BIM軟件中手動(dòng)建模，此方法建模效率低，易出錯(cuò)。②通過(guò)對(duì)BIM軟件的二次插件開(kāi)發(fā)進(jìn)行翻模，此方法理論上可以解決建模效率問(wèn)題［2］，但實(shí)際使用中由于對(duì)圖紙質(zhì)量的要求大，往往造成翻模成功率低或翻出的模型不準(zhǔn)確。翻模成功率約70%，翻模不成功的地方仍需手動(dòng)調(diào)整，整體模型需人工仔細(xì)核對(duì)。

地質(zhì)模型一般是在GIS類軟件如理正、睿城傳奇、ArcGIS、Supermap等中制作。此類軟件對(duì)地質(zhì)模型的建模精度高，但軟件本身操作難度大，不利于平時(shí)使用［3］。通過(guò)Revit軟件二次開(kāi)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型搭建［2］，但Revit不具備地質(zhì)層曲面處理等功能，搭建的地質(zhì)模型不精確。

GIS類軟件具備模型整合及數(shù)據(jù)處理功能，通過(guò)GIS軟件整合地質(zhì)及樁基模型可以實(shí)現(xiàn)樁基深入各地質(zhì)層長(zhǎng)度的提取，及土方分層開(kāi)挖工程量的提取［4］。但其與BIM類軟件分屬不同的軟件體系，整合后的樁基模型會(huì)丟失大量的屬性信息，導(dǎo)致無(wú)法很好地開(kāi)展后續(xù)BIM技術(shù)應(yīng)用。

鑒于以上問(wèn)題，丞需探索一套既能實(shí)現(xiàn)樁基工程快速建模，又能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)與樁基模型的整合及數(shù)據(jù)提取，用于輔助樁基設(shè)計(jì)的方法。Dynamo是Autodesk公司幫助用戶實(shí)現(xiàn)互操作性的工作流程文檔管理，自動(dòng)模型創(chuàng)建、協(xié)調(diào)、模擬和分析開(kāi)發(fā)的可視化編程軟件，其在公路立交BIM快速建模方向已有應(yīng)用先例［5］。此軟件對(duì)開(kāi)發(fā)人員的技術(shù)要求低，建筑工程從業(yè)人員可根據(jù)自身需求進(jìn)行定制級(jí)開(kāi)發(fā)［6］，從理論上講可以實(shí)現(xiàn)智能化樁基建模、模型整合及數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取。

1 研究方法

采用BIM軟件與可視化編程軟件Dynamo相結(jié)合的方式，探索樁基工程參數(shù)化快速建模方法，并探索基于BIM模型的樁長(zhǎng)數(shù)據(jù)及分層土方量快速提取的方法［7-9］。旨在解決樁基工程建模難、效率低、模型整合難、數(shù)據(jù)提取難的問(wèn)題，使BIM技術(shù)更好服務(wù)于樁基工程建設(shè)。研究思路如下：

1）樁基模型智能創(chuàng)建。通過(guò)參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)建設(shè)及Dynamo可視化編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)樁基模型的智能快速創(chuàng)建及快速調(diào)整，解決樁基模型工作量大、創(chuàng)建難、效率低的問(wèn)題。

2）地質(zhì)模型智能創(chuàng)建。通過(guò)Geotechnical Module插件與Civil 3D軟件的結(jié)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)智能處理及地質(zhì)模型快速創(chuàng)建，解決地質(zhì)模型創(chuàng)建難、效率低的問(wèn)題。

3）模型整合。通過(guò)Dynamo編程實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型與樁基模型的整合，確保模型信息傳遞的完整性。

4）數(shù)據(jù)提取。通過(guò)Dynamo編程實(shí)現(xiàn)樁長(zhǎng)數(shù)據(jù)的快速提取，通過(guò)Revit明細(xì)表功能快速統(tǒng)計(jì)土方分層開(kāi)挖工程量，服務(wù)于樁基工程建設(shè)。

樁基工程參數(shù)化建模流程見(jiàn)圖1。

圖1 參數(shù)化建模流程

2 關(guān)鍵技術(shù)

BIM軟件與可視化編程軟件Dynamo相結(jié)合的建模及模型整合方法存在以下難點(diǎn)：

1）Dynamo識(shí)別的是數(shù)據(jù)，不是圖紙。Dynamo識(shí)別的是CSV，Excel格式的表格文件或其他方式的數(shù)值，而樁基項(xiàng)目提供的是一般CAD格式的圖紙，如何將CAD中的有效信息轉(zhuǎn)化成為Dynamo可識(shí)別的數(shù)據(jù)是開(kāi)展建模工作的前提。

2）如何通過(guò)Dynamo工作流實(shí)現(xiàn)智能化樁基建模。Dynamo軟件本身不具備建模功能，需要通過(guò)編碼形成命令塊，再通過(guò)多個(gè)命令組合成工作流來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化建模。

3）地質(zhì)模型與樁基模型分別在不同的軟件中建模，如何實(shí)現(xiàn)模型的無(wú)損整合。地質(zhì)模型在Civil軟件中建模、樁基模型通過(guò)Dynamo在Revit軟件中建模，如何將不同軟件的模型無(wú)損整合，是實(shí)現(xiàn)后續(xù)數(shù)據(jù)提取及其他BIM技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。

3 研究?jī)?nèi)容

3.1 樁基智能建模

本文探索通過(guò)創(chuàng)建樁基Excel表格及Revit參數(shù)化樁基族，并結(jié)合Dynamo工作流的方式實(shí)現(xiàn)樁基工程的智能化快速建模。主要流程見(jiàn)圖2。

該方法實(shí)現(xiàn)了通過(guò)自動(dòng)提取CAD中的樁基平面位置坐標(biāo)及樁基尺寸信息，并自動(dòng)將這些信息整理在Excel表格中。相比于純?nèi)斯そy(tǒng)計(jì)，確保了數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性，且速度比人工提取提高了5倍。

為了實(shí)現(xiàn)樁基尺寸的快速調(diào)整，在Revit中對(duì)樁基族添加了直徑、樁長(zhǎng)等參數(shù)。另外該方法實(shí)現(xiàn)了將參數(shù)化樁基族調(diào)整與智能化樁基布置進(jìn)行關(guān)聯(lián)，相比于一般的Dynamo建模方式，參數(shù)關(guān)聯(lián)后建模效率提升更為明顯；該方法通過(guò)Dynamo編制List和Geometry的程序流（圖3），將樁基表格中數(shù)據(jù)分別賦予對(duì)應(yīng)的族參數(shù)中，再將樁基族按照坐標(biāo)和高程放置在Revit項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了大面積樁基模型的智能化快速布置。

圖2 樁基工程的智能化快速建模流程

圖3 Dynamo樁基布置工作流

在發(fā)生圖紙變更時(shí)，只需更改表格中的數(shù)據(jù)無(wú)需重新處理圖紙，重新運(yùn)行Dynamo程序即可完成模型更新。為了確保模型的精度，在Revit中導(dǎo)入CAD平面圖紙進(jìn)行平面位置校驗(yàn)，通過(guò)Revit明細(xì)表功能導(dǎo)出樁基的直徑、樁長(zhǎng)、樁頂標(biāo)高等數(shù)據(jù)進(jìn)行樁基參數(shù)的校驗(yàn)。

3.2 地質(zhì)智能建模

地質(zhì)智能建模采用GM（Geotechnical Module）插件實(shí)現(xiàn)地質(zhì)曲面模型搭建，配合Civil 3D曲面處理功能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)實(shí)體模型的創(chuàng)建。地質(zhì)智能建模流程如圖4所示。

圖4 地質(zhì)智能建模流程

依靠Civil 3D的原生功能對(duì)曲面進(jìn)行平滑處理，即采用“自然臨近內(nèi)插法”在三角形“邊中點(diǎn)”插入一個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，軟件通過(guò)重新計(jì)算得到一個(gè)更平滑的三角形曲面［10］。通過(guò)多次采用“內(nèi)插法”之后，就會(huì)得到一個(gè)和實(shí)際接近的地質(zhì)層三角網(wǎng)曲面。以某項(xiàng)目雜填土地質(zhì)曲面頂為例，經(jīng)過(guò)3次平滑處理，該曲面由最初的253個(gè)三角形邊增加到2 197個(gè)三角形邊。

地質(zhì)模型的校驗(yàn)可以通過(guò)Dynamo提取鉆孔點(diǎn)處的地質(zhì)層數(shù)據(jù)來(lái)與勘察報(bào)告中的地勘柱狀圖進(jìn)行對(duì)比，具體方法同數(shù)據(jù)提取部分。經(jīng)過(guò)模型校驗(yàn)，地質(zhì)模型的坐標(biāo)及深度與地勘報(bào)告的誤差在0.4 mm以內(nèi)，模型精度較高也為后續(xù)數(shù)據(jù)提取提供了重要的保障。

3.3 模型整合

考慮到后續(xù)需通過(guò)Dynamo進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，本文采用Revit作為模型整合平臺(tái)，地質(zhì)模型需通過(guò)Dynamo將Civil 3D中導(dǎo)出的地質(zhì)實(shí)體轉(zhuǎn)為Revit中的常規(guī)模型族。主要流程見(jiàn)圖5。

圖5 模型整合流程

實(shí)體轉(zhuǎn)化工作流見(jiàn)圖6，可調(diào)用Revit中的材質(zhì)庫(kù)功能為地質(zhì)模型添加真實(shí)的材質(zhì)。轉(zhuǎn)化過(guò)的地質(zhì)模型以族的形式存在于項(xiàng)目中，可以重新進(jìn)入族編輯模式來(lái)進(jìn)行“空心剪切”等操作。

圖6 Dynamo實(shí)體轉(zhuǎn)化工作流

選擇Revit作為模型整合平臺(tái)，使用剖切框或者剖切面去查看任意地質(zhì)斷面與樁的交互關(guān)系，使得隱蔽的地下構(gòu)造變得更加直觀（圖7），便于現(xiàn)場(chǎng)施工人員更好判斷樁基的位置關(guān)系，避免因?yàn)楣率驃A層造成的工程樁成孔錯(cuò)誤，方便預(yù)估工程難度。

3.4 數(shù)據(jù)提取

1）樁基深入各地質(zhì)層長(zhǎng)度數(shù)據(jù)提取

圖7 Revit整合模型

通過(guò)Dynamo編制提取樁基深入各地質(zhì)層的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的工作流，對(duì)樁基設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。主要流程見(jiàn)圖8。

圖8 數(shù)據(jù)提取流程

計(jì)算樁基礎(chǔ)埋深就需要得出樁基與每一層地質(zhì)曲面的交點(diǎn)坐標(biāo)，如圖9所示，實(shí)現(xiàn)了兩軟件之間的數(shù)據(jù)互通。再通過(guò)Geometry.Intersect節(jié)點(diǎn)獲取樁基與地形曲面之間的交點(diǎn)坐標(biāo)，提取坐標(biāo)中的高程Z值并添加樁頂標(biāo)高和樁底標(biāo)高，進(jìn)行錯(cuò)位相減即可得到樁基在各地質(zhì)層中的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。

圖9 Dynamo曲面類型轉(zhuǎn)化及交點(diǎn)計(jì)算工作流

最后通過(guò)Excel.WriteToFile節(jié)點(diǎn)，將長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表格的指定位置中，部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1；在表格中可以清楚確定樁端進(jìn)入持力層的深度是否滿足設(shè)計(jì)入巖深度要求，使得設(shè)計(jì)人員可以制定最經(jīng)濟(jì)的樁長(zhǎng)方案，減少工程造價(jià)；也使得現(xiàn)場(chǎng)施工人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確判定每根樁的入巖深度，大大縮短了項(xiàng)目工期。

2）土方分層開(kāi)挖工程量提取

基坑開(kāi)挖土石方量的核算往往是工程造價(jià)中的爭(zhēng)議焦點(diǎn)，通過(guò)Dynamo對(duì)模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到各地質(zhì)層的土方開(kāi)挖量。通過(guò)Revit創(chuàng)建與基坑開(kāi)挖體積一致的整體模型，然后分別在Dynamo中導(dǎo)入地質(zhì)模型及基坑開(kāi)挖模型，通過(guò)Solid.Difference計(jì)算二者的布爾差集即可得到開(kāi)挖后的地質(zhì)模型，最后計(jì)算開(kāi)挖前后的地質(zhì)層體積并導(dǎo)出到表格中，見(jiàn)表2。

表1 樁基深入各地層長(zhǎng)度數(shù)據(jù)

表2 土方工程基坑分層開(kāi)挖工程量 m3

通過(guò)這種方法在基坑開(kāi)挖前就可以大致確定土石方量及土石比，方便現(xiàn)場(chǎng)合理調(diào)配機(jī)械設(shè)備和安排工期，提高了基坑開(kāi)挖的施工效率。

4 分析比較

4.1 樁基建模方法比較

本文采用的Dynamo+Revit建模方法與其他建模方法的效果對(duì)比見(jiàn)表3?？芍?，該建模方法無(wú)論是建模效率及建模質(zhì)量相較于其他建模方法均有顯著提升。

表3 樁基建模方法效果對(duì)比

4.2 地質(zhì)建模方法比較

本文所用到的地質(zhì)建模方法與GIS類軟件建模方法效果對(duì)比見(jiàn)表4?？芍?，2種方法的建模效率及模型質(zhì)量均有保障。但GIS類軟件操作難度相對(duì)較大，購(gòu)買費(fèi)用高，不利于平時(shí)使用。

表4 地質(zhì)建模方法效果對(duì)比

4.3 模型整合的數(shù)據(jù)提取效果比較

本文采用的Dynamo+Revit整合方法與GIS平臺(tái)整合方法效果對(duì)比見(jiàn)表5?？芍?種方法模型整合后均能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的提取，但GIS平臺(tái)整合后的模型信息丟失多，后續(xù)沿用性不強(qiáng)，且GIS類軟件操作難度相對(duì)較大，購(gòu)買費(fèi)用高。

表5 模型整合方法效果對(duì)比

綜上所述，本文所采用的樁基模型創(chuàng)建方法、建模效率及建模質(zhì)量較其他方法有大幅提升；地質(zhì)模型創(chuàng)建方法的建模精度及建模效率有保障，且模型整合后可實(shí)現(xiàn)樁基深入各地質(zhì)層長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取，各類信息保存完整。另外，Dynamo工作流可單獨(dú)保存，復(fù)用于其他項(xiàng)目。本文經(jīng)探索得到了一套從樁基工程模型搭建、模型整合到數(shù)據(jù)提取完整的BIM技術(shù)應(yīng)用方法。

5 應(yīng)用

將前述方法應(yīng)用于一地下車庫(kù)樁基工程，取得了良好的應(yīng)用效果，幫助項(xiàng)目?jī)?yōu)化了樁長(zhǎng)3 000 m，節(jié)約造價(jià)約23萬(wàn)元，精確計(jì)算了土方工程量，減少了樁基工程施工周期約20 d。可見(jiàn)該方法可產(chǎn)生實(shí)際價(jià)值。

6 結(jié)論

1）通過(guò)采用BIM軟件與可視化編程軟件Dynamo相結(jié)合的方式，詳細(xì)論述了地質(zhì)模型及樁基模型的參數(shù)化快速精確搭建方法，樁基模型與地質(zhì)模型的整合方法及樁長(zhǎng)、土方分層開(kāi)挖工程量數(shù)據(jù)提取方法。通過(guò)實(shí)際操作證明了該方法的可實(shí)施性。

2）通過(guò)與其他應(yīng)用方法的對(duì)比，表明所提出的建模方法可提升10倍的樁基工程建模效率，模型精度亦顯著提升。通過(guò)將Dynamo程序組打包的形式，可實(shí)現(xiàn)其他項(xiàng)目的復(fù)用，解決了樁基工程建模難、數(shù)據(jù)提取難的問(wèn)題。該方法學(xué)習(xí)難度低，軟件操作簡(jiǎn)單，推廣價(jià)值高，能推動(dòng)BIM技術(shù)更好的服務(wù)于工程建設(shè)。