基于BIM的巖土工程勘察信息模型快速建模方法

鄭國(guó)棟

(福建省建筑設(shè)計(jì)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(shè)全生命期不可或缺的一個(gè)重要階段，其成果是工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工的重要技術(shù)依據(jù)。隨著B(niǎo)IM(Building Information Modeling)技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛、越來(lái)越成熟，運(yùn)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(shù)據(jù)、信息資源，使不同階段各參與方之間的數(shù)據(jù)信息得到共享和協(xié)同工作[1-6]。巖土工程勘察運(yùn)用BIM技術(shù)勢(shì)在必然。但由于地質(zhì)成因以及在不良地質(zhì)作用條件下，其所構(gòu)成的建構(gòu)筑物地基的巖土體在三維空間分布形態(tài)上均是無(wú)規(guī)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(gòu)筑物BIM三維建模軟件和方法，這對(duì)于進(jìn)一步深入而廣泛推進(jìn)巖土工程勘察BIM技術(shù)的應(yīng)用，無(wú)疑是一個(gè)必須面對(duì)和亟待解決的一大難題。

基于此，本研究立足實(shí)現(xiàn)基于BIM應(yīng)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(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，利用現(xiàn)有可構(gòu)建非幾何體的三維建模軟件，研發(fā)相關(guān)聯(lián)的插件，以快速實(shí)現(xiàn)在BIM應(yīng)用條件下的巖土工程勘察信息模型，促進(jìn)巖土工程勘察在工程建設(shè)全生命期BIM平臺(tái)上協(xié)同工作以及數(shù)據(jù)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(guó)內(nèi)外研發(fā)的三維地質(zhì)建模軟件產(chǎn)品已有數(shù)十款，主要都是為滿(mǎn)足某個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的三維可視化建模軟件，尚未有基于BIM應(yīng)用條件下適用于巖土工程勘察領(lǐng)域且被普遍接受和廣泛應(yīng)用的三維信息模型應(yīng)用軟件。由于現(xiàn)有的三維可視化地質(zhì)信息模型應(yīng)用軟件均不是基于BIM理念下開(kāi)發(fā)的，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)多專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)信息共享和協(xié)同工作，所建立的三維可視化地質(zhì)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(yīng)具備以下條件：

(1)勘察數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)庫(kù)建立。首先應(yīng)實(shí)現(xiàn)勘察現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、勘探、測(cè)試、試驗(yàn)等各專(zhuān)業(yè)源數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸和存儲(chǔ)，構(gòu)建滿(mǎn)足BIM應(yīng)用條件的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和交換標(biāo)準(zhǔn)。所有進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)共享層的模型數(shù)據(jù)均應(yīng)具備三維屬性，并應(yīng)符合數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)要求，這是實(shí)現(xiàn)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(mǎn)足工程全生命期各參與方之間的數(shù)據(jù)無(wú)損傳遞、信息共享和協(xié)同工作。

(2)工程地質(zhì)分析推演系統(tǒng)與和快速建模共存。目前所有的三維地質(zhì)體均是根據(jù)有限的勘探數(shù)據(jù)源進(jìn)行劃分和推演。地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)源主要由鉆孔、物探以及地質(zhì)測(cè)繪等野外勘察手段獲取的原始數(shù)據(jù)組成。建筑信息模型是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)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(jù)有限的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析推演，即工程勘察信息模型的建模過(guò)程也是對(duì)地質(zhì)體空間的推演過(guò)程，特別是當(dāng)?shù)刭|(zhì)體復(fù)雜或出現(xiàn)異常的情況下，需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員從工程地質(zhì)學(xué)的角度進(jìn)行分析并適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行人工干預(yù)。創(chuàng)建工程勘察信息模型應(yīng)能夠高效快捷，如果創(chuàng)建一個(gè)模型歷時(shí)過(guò)長(zhǎng)，甚至遠(yuǎn)大于繪制傳統(tǒng)二維剖面的耗時(shí)，這顯然違背了創(chuàng)建三維模型的初衷。

(3)數(shù)據(jù)分析處理和協(xié)同工作。巖土工程勘察信息模型除了應(yīng)具備三維可視化功能外，還要充分發(fā)揮其協(xié)調(diào)性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，為其他專(zhuān)業(yè)提供協(xié)同工作的可能性。在所建立的層級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)里，可隨時(shí)根據(jù)需求調(diào)用工程勘察數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，在同一平臺(tái)下滿(mǎn)足設(shè)計(jì)階段和施工階段項(xiàng)目不同參與方的使用需求。如基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)方案優(yōu)化、巖土工程設(shè)計(jì)、巖土工程監(jiān)測(cè)等，達(dá)到協(xié)同工作的目的。將工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)、基于BIM條件下的巖土工程勘察信息模型、設(shè)計(jì)分析模塊有機(jī)結(jié)合起來(lái)，達(dá)到數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作。

(4)標(biāo)準(zhǔn)化出圖。BIM目前的應(yīng)用正向設(shè)計(jì)，由于軟件操作復(fù)雜、硬件設(shè)備要求高、工效慢等原因，這也正是目前工程設(shè)計(jì)還離不開(kāi)傳統(tǒng)二維CAD制圖方式的主要原因，更多是由于業(yè)主或其他項(xiàng)目參與方的需求，不得不采用逆向BIM設(shè)計(jì)即翻模方式，無(wú)形之間增加了設(shè)計(jì)人員不少的工作量，也失去了BIM指導(dǎo)設(shè)計(jì)目的。真正基于BIM條件下的工程勘察應(yīng)該擺脫這種困境，應(yīng)采取正向設(shè)計(jì)方式建立基于BIM條件下的工程勘察信息模型，然后通過(guò)三維信息模型任意剖切導(dǎo)入CAD軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化出圖。傳統(tǒng)采用CAD軟件繪制工程地質(zhì)剖面圖，地層分析主要采用內(nèi)連外推的方式進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，僅根據(jù)剖面內(nèi)的鉆孔信息推演出來(lái)的地質(zhì)體在空間上解釋往往是多解性，同時(shí)給設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)造成一定的困擾。而通過(guò)工程勘察信息模型推導(dǎo)的地質(zhì)體在空間上具有唯一解釋?zhuān)虼擞扇S信息模型任意剖切導(dǎo)入CAD軟件自動(dòng)生成的二維剖面圖，具有唯一性，設(shè)計(jì)人員可以充分利用三維可視化巖土工程勘察信息模型進(jìn)行精細(xì)量化設(shè)計(jì)。

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(gè)步驟：

圖1 快速建模流程圖

①地形測(cè)繪、周邊已有建筑和構(gòu)筑物的收集，創(chuàng)建地表模型。

②將原始勘探資料(鉆探、物探、地質(zhì)測(cè)繪等野外勘察手段)錄入到標(biāo)準(zhǔn)化的層級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。

③根據(jù)層級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建勘探點(diǎn)模型，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制剖面，生成初始化剖面資料。

④對(duì)地層進(jìn)行界面的分析，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)和勘探點(diǎn)模型在空間展示的情況，利用空間插值和基于地質(zhì)成因機(jī)理進(jìn)行地層曲面修正相結(jié)合的方式，將地質(zhì)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(shù)部分。

⑤劃分地層界面和特殊地質(zhì)體分布情況，分別生成相應(yīng)的地質(zhì)曲面與地質(zhì)體，結(jié)合地表模型，生成巖土工程勘察信息模型。

⑥根據(jù)勘察標(biāo)準(zhǔn)出圖的要求對(duì)三維地質(zhì)體進(jìn)行剖切，獲取剖面資料并標(biāo)準(zhǔn)化出圖，還可根據(jù)設(shè)計(jì)需求生成等深線圖。

2.2 勘探點(diǎn)模型

調(diào)用層級(jí)數(shù)據(jù)中庫(kù)存儲(chǔ)的勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，在模型三維軟件中生成鉆孔模型，如圖2所示，同時(shí)將勘探平面位置圖從CAD導(dǎo)入到模型中，通過(guò)不同角度核對(duì)模型數(shù)據(jù)的合理性，并為下一步地質(zhì)體三維建模提供依據(jù)。

圖2 鉆孔模型及勘探點(diǎn)平面位置圖

2.3 空間插值方法

巖土體界面的數(shù)學(xué)模擬是建立三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)。構(gòu)建建設(shè)場(chǎng)地巖土體三維巖土工程信息模型時(shí)，不宜直接采用Dulauny三角剖分法構(gòu)造空間不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)來(lái)構(gòu)建地質(zhì)界面。由于在滿(mǎn)足現(xiàn)行國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上工程勘察勘探點(diǎn)間距往往相距較遠(yuǎn)，所獲取的地層原始數(shù)據(jù)信息尚不能滿(mǎn)足構(gòu)建信息模型所需精度要求，需要從地質(zhì)學(xué)的觀點(diǎn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)出發(fā)對(duì)相鄰勘探點(diǎn)間的地層界面的變化趨勢(shì)進(jìn)行判斷；另一方面，如果插值曲面不光滑，則，無(wú)法求出地層界面上某點(diǎn)坐標(biāo)軸的坡向、坡度和曲率。故應(yīng)采用離散數(shù)據(jù)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(quán)插值法

反距離加權(quán)[16-20](inverse distance weighted, IDW)是一種確定性方法，用于已知散點(diǎn)集的多變量插值。其基本原理是已知鉆孔數(shù)據(jù)點(diǎn)的三維空間信息，即坐標(biāo)和高程值，勘察區(qū)域內(nèi)所有鉆孔數(shù)據(jù)均對(duì)插值點(diǎn)的數(shù)據(jù)值有影響，距離未知點(diǎn)近的點(diǎn)的影響力(權(quán)重)大于距離遠(yuǎn)的點(diǎn)。若待插值點(diǎn)X的周?chē)蠳個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)點(diǎn)，則X點(diǎn)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(jù)協(xié)方差函數(shù)對(duì)隨機(jī)過(guò)程/隨機(jī)場(chǎng)進(jìn)行空間建模和預(yù)測(cè)(插值)的回歸算法。克里金法是引入了包括概率模型在內(nèi)的統(tǒng)計(jì)模型，從已知數(shù)據(jù)的相關(guān)性和變異性出發(fā)，對(duì)有限區(qū)域內(nèi)的位置點(diǎn)取值進(jìn)行無(wú)偏、最優(yōu)估計(jì)的插值方法。在已知的有限區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)待插值點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)：

(2)

式中：z(S0)為待插值點(diǎn)數(shù)值；λi為第i個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)的權(quán)重；z(Si)為第i個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)值；N為鉆孔的總數(shù)。

對(duì)于權(quán)重系數(shù)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(shù)據(jù)點(diǎn)xi與xj之間的變異函數(shù)值；μ為拉格朗日常數(shù)。

2.4 基于地質(zhì)成因機(jī)理進(jìn)行地層曲面修正

由于不同地質(zhì)成因和不良地質(zhì)作用，地質(zhì)體在地下三維空間中的表現(xiàn)形式都是不規(guī)則的非幾何形體。即使在一個(gè)有限空間范圍內(nèi)的建設(shè)場(chǎng)地，也會(huì)因其成因和不良地質(zhì)作用使地層存在諸多的不連續(xù)、非幾何形體的地質(zhì)界面，如地下空洞、透鏡體、夾層、孤石、斷層等。因此，采用傳統(tǒng)的建模技術(shù)和三維BIM設(shè)計(jì)軟件都難以快速有效地?cái)M合出理想且符合地質(zhì)學(xué)的實(shí)際地層分布情況。由于受常規(guī)勘察點(diǎn)間距偏大的約束，無(wú)法完全揭示地層空間分布情況，必須由巖土工程勘察技術(shù)人員根據(jù)地質(zhì)學(xué)原理地質(zhì)成因機(jī)理，通過(guò)相鄰勘探點(diǎn)之間勘探成果進(jìn)行合理的推導(dǎo)和判斷，以進(jìn)一步確定地質(zhì)體的延伸和分布，對(duì)地層曲面進(jìn)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(jìn)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(duì)不合理的曲面進(jìn)行局部加權(quán)系數(shù)調(diào)整，再插值。檢查完畢后，按照曲面間的邏輯關(guān)系形成實(shí)體三維勘察信息模型(如圖3(c)所示)，并交付設(shè)計(jì)人員使用。為方便設(shè)計(jì)人員使用，可以把三維實(shí)體勘察信息模型中可作為基礎(chǔ)持力層的地層曲面單獨(dú)提取出來(lái)，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(zhì)體模型 (d)三維等深線模型

2.5 標(biāo)準(zhǔn)化出圖

根據(jù)勘察報(bào)告出圖標(biāo)準(zhǔn)，沿勘察信息模型預(yù)設(shè)鉆孔剖面線方向進(jìn)行剖切。剖切好的信息模型，可以單獨(dú)展示剖面信息模型(如圖4(a)所示)，也可以導(dǎo)入CAD中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)出圖(如圖4(b)所示)。通過(guò)三維模型切出來(lái)后的剖面信息模型和二維工程地質(zhì)剖面具有唯一性，地層的連線也將不再是生硬的內(nèi)連外推的形式。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)基于BIM技術(shù)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(shù)字化的表達(dá)，并且創(chuàng)建的模型可以供其他專(zhuān)業(yè)使用。巖土工程勘察信息模型可以成為工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工的重要技術(shù)依據(jù)。

(a)剖面模型 (b)二維標(biāo)準(zhǔn)化剖面圖

(2)基于BIM技術(shù)的巖土工程勘察信息模型，應(yīng)當(dāng)在層級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建，以保證數(shù)據(jù)的唯一性以及便于交付使用和管理。

(3)基于BIM技術(shù)的巖土工程勘察信息模型應(yīng)當(dāng)能夠快速高效地創(chuàng)建。作為提升工作效率和實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計(jì)的重要手段，巖土工程勘察信息模型應(yīng)當(dāng)能夠有效地減輕設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)，在實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計(jì)的前提下，有效地節(jié)省時(shí)間成本。

(4)基于BIM技術(shù)的巖土工程勘察信息模型應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化出圖。傳統(tǒng)二維出圖模式下的剖面圖僅是依靠剖面內(nèi)的鉆孔生硬地內(nèi)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。