基于BIM技術(shù)的三維地質(zhì)建模在整圖幅地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

(北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 100195)

前言

BIM(Building Information Model，建筑信息模型)作為項(xiàng)目全壽命期內(nèi)提供共享的信息資源，為各種決策提供基礎(chǔ)信息，其核心為信息集合載體。國內(nèi)外相關(guān)的調(diào)查研究表明了BIM技術(shù)在建筑業(yè)的巨大應(yīng)用價(jià)值[1]，BIM技術(shù)在智慧城市、城市整體規(guī)劃建設(shè)中發(fā)揮重要作用，BIM技術(shù)已經(jīng)融入到“多規(guī)合一”管理流程[2]。而我們熟知的地質(zhì)工作，對(duì)社會(huì)發(fā)展具有先行性、基礎(chǔ)性、服務(wù)性、指導(dǎo)性的特點(diǎn)[3]。尤其整圖幅的環(huán)境地質(zhì)調(diào)查是摸清區(qū)域環(huán)境地質(zhì)概況的重要工作方法，通過它可以獲得指導(dǎo)規(guī)劃建設(shè)的第一手資料。但傳統(tǒng)的地質(zhì)工作大多停留在二維層面的地質(zhì)成果表達(dá)。如何實(shí)現(xiàn)“多規(guī)合一”、“一張藍(lán)圖”，使地質(zhì)工作充分融入規(guī)劃建設(shè)，發(fā)揮其特點(diǎn)，利用BIM技術(shù)的三維地質(zhì)建模具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。并且根據(jù)規(guī)劃建設(shè)發(fā)展方向和整體的協(xié)同性，整圖幅三維地質(zhì)建模顯得勢(shì)在必行。

1 整圖幅三維地質(zhì)建模的概念

整圖幅三維地質(zhì)建模，顧名思義，就是基于1∶5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查成果基礎(chǔ)上的三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建。目的是利用1∶5萬圖幅的鉆孔數(shù)據(jù)資料，創(chuàng)建直觀的三維地層模型，方便規(guī)劃建設(shè)的指揮者、設(shè)計(jì)者、建造者進(jìn)行信息查詢。區(qū)別傳統(tǒng)的三維地質(zhì)模型，整圖幅三維地質(zhì)建模應(yīng)在規(guī)劃建設(shè)前期完成，與規(guī)劃、建筑、市政結(jié)合更緊密，更能滿足不同層次的使用者對(duì)地質(zhì)信息的獲取，并保障在此模型基礎(chǔ)上的進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和項(xiàng)目的運(yùn)維管理正常運(yùn)行，極大降低項(xiàng)目成本，在項(xiàng)目的全生命周期中發(fā)揮重要作用。

2 基于BIM的三維地質(zhì)建模可行性和必要性

自三維地質(zhì)建模最初由Yfantis在1988提出以來其建模軟件主要以國外產(chǎn)品為主，如 GOCAD、Petrel、Surpac 等[4]。近年來，國內(nèi)也研發(fā)了一些三維地質(zhì)建模軟件，如MapGIS、TITAN等。這些軟件在解決某一領(lǐng)域地質(zhì)問題得心應(yīng)手，基本無法實(shí)現(xiàn)同BIM相結(jié)合。三維地質(zhì)模型更多用于地質(zhì)研究。

目前，國內(nèi)的水電行業(yè)和鐵路行業(yè)研發(fā)了基于BIM的三維地質(zhì)地質(zhì)建模，其主要針對(duì)解決本行業(yè)項(xiàng)目實(shí)際遇到的地質(zhì)問題，不適合其它行業(yè)。并且未能解決三維地質(zhì)模型常見問題，如地層尖滅、透鏡體、地層層序判斷等。

2016年12月27日，中辦和國辦印發(fā)了《省級(jí)空間規(guī)劃試點(diǎn)方案》，其目的在于建立健全統(tǒng)一銜接的空間規(guī)劃體系，提升國家國土空間治理能力和效率。“多規(guī)合一”的要求，加大了地質(zhì)三維建模融入城市整體規(guī)劃的必要性和緊迫性。

2019年9月，雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)BIM管理平臺(tái)(一期)啟動(dòng)建設(shè)，新區(qū)致力于打造綠色智慧城市，最大限度融合地理信息系統(tǒng)和建筑信息模型，利用新區(qū)BIM管理平臺(tái)(一期)的效用，協(xié)同規(guī)劃、建筑、市政和地質(zhì)等四個(gè)專業(yè)，創(chuàng)建《數(shù)字雄安規(guī)劃建設(shè)管理數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]。新區(qū)對(duì)BIM管理平臺(tái)的建設(shè)，足以看出BIM技術(shù)在規(guī)劃建設(shè)的必要性和可行性。

所以，對(duì)于整圖幅環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作亟需采用基于BIM技術(shù)的三維地質(zhì)建模工作。這是地質(zhì)工作實(shí)現(xiàn)“多規(guī)合一”、“一張藍(lán)圖”必由之路。

3 基于BIM三維地質(zhì)建模的方法

目前，基于BIM的三維地質(zhì)建模主要采用針對(duì)BIM核心軟件Revit和Civil3D的二次開發(fā)技術(shù)，以及包括單獨(dú)在Revit和Civil3D軟件直接進(jìn)行三維地質(zhì)建模，或者Civil3D結(jié)合Revit建模方法[6]。而單獨(dú)在Revit和Civil3D軟件直接進(jìn)行三維地質(zhì)建模，或者Civil3D結(jié)合Revit建模方法僅僅適合簡單的地層，并且實(shí)際應(yīng)用交互性交差。采用基于BIM技術(shù)的二次開發(fā)的專業(yè)三維地質(zhì)軟件能夠很好的解決此類問題。

另外，BIM采用IFC標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)很多行業(yè)做了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)定，此標(biāo)準(zhǔn)比較龐大且繁瑣。現(xiàn)有的IFC標(biāo)準(zhǔn)所涉及的行業(yè)中沒有包含地質(zhì)專業(yè)； 建立地質(zhì)IFC標(biāo)準(zhǔn)化是解決BIM三維地質(zhì)建模融入上部建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵之所在[7]。

所以，整圖幅的三維地質(zhì)建模必須解決上述問題，建立同上部建筑、結(jié)構(gòu)等協(xié)同設(shè)計(jì)及并達(dá)到信息交互。

4 BIM技術(shù)應(yīng)用于三維地質(zhì)建模的工程實(shí)例及成果

4.1 項(xiàng)目概況

基于BIM三維地質(zhì)建模實(shí)例選取的是某區(qū)域的1∶5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目。本項(xiàng)目調(diào)查面積400km2。項(xiàng)目包括了地面調(diào)查、水文鉆探、工程鉆探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、土工試驗(yàn)等。本項(xiàng)目采用理正BIM-for-Revit軟件進(jìn)行模型創(chuàng)建。

4.2 模型創(chuàng)建

(1)土層概化

依據(jù)本項(xiàng)目工程地質(zhì)鉆探所施工30個(gè)孔，其中50m孔28個(gè)，80m孔2個(gè)。工程地質(zhì)孔全孔取芯。綜合地基土沉積環(huán)境、沉積規(guī)律、土體特性，將50m以淺劃分為8個(gè)工程地質(zhì)層。

圖1 基于BIM for Revit三維地質(zhì)建模流程Fig.1 3D geological modeling process based on BIM for Revit

圖2 鉆孔及剖面圖Fig.2 Borehole and profile

(2)建模流程

基于BIM for Revit三維地質(zhì)建模流程如圖1。

(3)地形面創(chuàng)建

運(yùn)行理正勘察三維地質(zhì)軟件，新建模型。導(dǎo)入理正工程地質(zhì)勘察9.0生成的P-BIM 接口數(shù)據(jù)。進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)置。本建模軟件提供了4種插值算法：克里金插值、徑向基函數(shù)插值、樣條函數(shù)插值、距離反比插值。我們選擇克里金插值。考慮鉆孔數(shù)量、精度要求、計(jì)算機(jī)硬件水平，網(wǎng)格間距和精度設(shè)置為50m，10m。利用鉆孔高程和地面調(diào)查的300多個(gè)高程點(diǎn)生成地面模型。由于本項(xiàng)目位于潮白河和溫榆河下游，地面高差不超過10m，地勢(shì)平坦，加之模型所表達(dá)的范圍較大，所以模型地面看不出起伏。

(4)數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是理正勘察三維地質(zhì)建模的關(guān)鍵步驟。使用圖形數(shù)據(jù)檢查功能，對(duì)檢查出來的錯(cuò)誤進(jìn)行處理。主要在理正勘察三維地質(zhì)里，打開之前理正勘察9.0生成的剖面圖進(jìn)行修改。針對(duì)地層界線計(jì)算機(jī)識(shí)別錯(cuò)誤、地層編號(hào)錯(cuò)誤、透鏡體地層界線錯(cuò)誤等。剖面數(shù)據(jù)處理完畢，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查命令。數(shù)據(jù)檢查包括：1)檢查地質(zhì)編號(hào)合理性； 2)檢查地質(zhì)線的閉合、多值、重疊情況； 3)檢查地面線的合理性； 4)檢查地質(zhì)線是否與鉆孔一致； 5)檢查是否存在逆序的地層線。如發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，繼續(xù)修改。直到數(shù)據(jù)檢查全部正確。本項(xiàng)目橫縱共有11條剖面。數(shù)據(jù)檢查全部通過。

(5)地層體建模

通過分析鉆孔和剖斷面數(shù)據(jù)，或查看地層原始數(shù)據(jù)后，如果地層聯(lián)通較好，則適合運(yùn)用層面法進(jìn)行建模； 如果地層不聯(lián)通，較破碎，則可以運(yùn)用剝層法進(jìn)行建模。層面法創(chuàng)建的地層均為地層面。剝層法創(chuàng)建的地層均為地層體，拆分完成后可直接執(zhí)行自動(dòng)創(chuàng)建三維模型功能得到三維地質(zhì)體。據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，采用剝層法創(chuàng)建地層體。地層體模型如圖3所示。

圖3 地層體模型Fig.3 Stratigraphic model

4.3 模型成果應(yīng)用

(1)模型剖切

利用軟件對(duì)模型任意剖面進(jìn)行剖切的功能。選擇任意切面對(duì)模型剖切。剖切后，可以看到剖切后的地層情況，如圖4所示。

圖4 地層體剖切Fig.4 Stratigraphic section

通過剖切地層體，我們很容易查詢?cè)擁?xiàng)目模型范圍的任何地層空間分布情況。

(2)樁端持力層展示

在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，如果天然地基不足以滿足上部結(jié)構(gòu)承載力，需要采用樁基施工，通過三維地質(zhì)模型可以查看本項(xiàng)目的樁基持力層分布。

圖5 樁端持力層地層體Fig.5 Pile end bearing stratum

根據(jù)鉆孔取樣所得實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，選擇砂層厚度較大，分布較均勻，承載力較高作為樁基持力層。本項(xiàng)目砂層大多較密實(shí)，第一主要持力層選定③3粉細(xì)砂層，平均厚度3.5m左右； 第二持力層選定⑧3中細(xì)層，平均厚度4m左右。

(3)液化土體的展示

液化土體是規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)要考慮的重要問題。液化土體的直觀展示能讓設(shè)計(jì)師和決策者更好對(duì)場(chǎng)地的了解。

圖6 液化地層體Fig.6 Liquefying strata

本項(xiàng)目的液化地層體主要為②2粉土和③2粉土。根據(jù)理正勘察9.0軟件判別，液化等級(jí)為輕微—中等。

(4)基坑開挖展示

本軟件專業(yè)應(yīng)用提供了在三維模型任意開挖基坑的功能。接坑的邊界可以從CAD導(dǎo)入，也可以圖上繪制。基坑的放坡可以選擇直坡或多級(jí)邊坡。而且可以查詢開挖的土方量。

圖7 基坑開挖示意圖Fig.7 Schematic diagram of foundation pit excavation

4.4 模型轉(zhuǎn)換

利用理正三維地質(zhì)建模軟件將三維模型數(shù)據(jù)保存為.lzrvt格式的文件，在理正巖土BIM-for-Revit軟件下運(yùn)行分析。也可通過BIM-for-Revit軟件將.lzrvt模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.rvt數(shù)據(jù)格式，直接在Revit下運(yùn)行。

由于該三維地質(zhì)模型較大，直接在Revit下運(yùn)行速度太慢。裁剪三維地質(zhì)模型十分之一，在模型上添加建筑模型，如圖8所示。

圖8 三維地質(zhì)模型和建筑模型結(jié)合展示Fig.8 Combination of 3D geological model and architectural model

5 BIM技術(shù)應(yīng)用于整圖幅三維地質(zhì)建模存在的問題

采用BIM三維地質(zhì)模型軟件建立的整圖幅三維地質(zhì)模型基本能展示三維地層體結(jié)構(gòu)。從地質(zhì)數(shù)據(jù)的一致性和連貫性，地質(zhì)成果從平面到立體來看，理正軟件具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。而且建模的操作簡便，交互性較強(qiáng)。但對(duì)于本次整圖幅的建模，由于圖幅面積較大，縱向尺寸相對(duì)較小，模型縱向顯示不是很清晰。

該模型對(duì)于規(guī)劃建設(shè)關(guān)心的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和不良地質(zhì)體基本能顯示并查詢。能夠提供巖土工程中常見的基坑開挖、基樁開挖、隧道施工模擬。但如果在模型中增加更多的水文地質(zhì)信息交互功能，就能更好地服務(wù)規(guī)劃建設(shè)[8]。

因?yàn)樵擁?xiàng)目鉆孔較少，導(dǎo)致模型整體精度不高。根據(jù)地質(zhì)資料，在鉆孔稀少和地質(zhì)條件變換的地方，設(shè)置虛擬鉆孔控制地質(zhì)數(shù)據(jù)。增設(shè)虛擬鉆孔能極大地提高三維地質(zhì)模型的精度[9]。

地層概化對(duì)場(chǎng)區(qū)模型創(chuàng)建的非常重要[10]，但是由于地層鉆孔來源多元性，地層描述的寬泛性，導(dǎo)致了同一項(xiàng)目模型創(chuàng)建的差異性。地層概化的標(biāo)準(zhǔn)化和交互性是未來地質(zhì)建模的研究重點(diǎn)。

整幅圖的三維地質(zhì)建模對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件配置較高，尤其在Revit下運(yùn)行三維地質(zhì)模型及添加建筑模型，需要非常高的計(jì)算機(jī)硬件配置。

6 結(jié)論

通過基于BIM技術(shù)的整幅圖三維地質(zhì)建模研究及應(yīng)用展示，證明了基于理正BIM-for-Revit三維地質(zhì)建模的可行性。該模型能較好對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行展示和交互查詢，能夠很好地同上部建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)BIM軟件相結(jié)合。基于BIM技術(shù)的三維地質(zhì)模型對(duì)于大區(qū)域的規(guī)劃建設(shè)具有很好的幫助作用。實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地質(zhì)與城市規(guī)劃、建設(shè)完美無縫結(jié)合，達(dá)到智慧城市管理，是未來城市地質(zhì)發(fā)展的方向。而基于BIM技術(shù)整圖幅的三維地質(zhì)建模技術(shù)的研究與應(yīng)用一定是未來地質(zhì)工作的重點(diǎn)。