基于BIM技術(shù)的城市軌道交通三維地質(zhì)模型應(yīng)用研究

陳海濤

（天津濱海新區(qū)軌道交通投資發(fā)展有限公司，天津 300450）

在軌道交通地質(zhì)勘察中，傳統(tǒng)二維的勘察方式存在信息傳遞不暢、地質(zhì)意圖表達(dá)不明確、資源調(diào)配不均勻、成果展示不直觀等問題[1-3]。隨著BIM技術(shù)的出現(xiàn)并不斷成熟，在軌道交通工程中應(yīng)用越來越廣泛。通過BIM使地質(zhì)條件以真實的三維化、數(shù)字化展現(xiàn)，將相關(guān)地質(zhì)屬性信息與三維圖形結(jié)合，使地質(zhì)體更直觀、形象[4-5]。BIM模型作為載體，使地質(zhì)信息在軌道交通建設(shè)全生命周期具有一致性和共享性，可實現(xiàn)地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在不同專業(yè)、不同階段之間共享。本文通過研究基于Revit軟件的BIM技術(shù)在勘察地質(zhì)中的應(yīng)用，在工程實例中，體現(xiàn)了BIM技術(shù)在軌道交通勘察地質(zhì)中應(yīng)用的優(yōu)勢及重要性。

1 BIM技術(shù)在地質(zhì)勘察中的優(yōu)勢分析

1.1 傳統(tǒng)軌道交通地質(zhì)分析方法

傳統(tǒng)的地質(zhì)分析通常是根據(jù)勘察單位提供的剖面圖、數(shù)據(jù)表、報告進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計分析，可應(yīng)對于巖土地質(zhì)分布不復(fù)雜的工程區(qū)域。若遇到巖土分布非常復(fù)雜的工程區(qū)域，分析需要耗費大量的工作時間，嚴(yán)重影響工作效率。

1.2 基于BIM的三維地質(zhì)可視化分析

基于BIM的三維地質(zhì)模型分析在面對復(fù)雜的巖土分布時比傳統(tǒng)分析方式更有優(yōu)勢。將勘察報告數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可視化模型，并集成地質(zhì)各類屬性信息，可實現(xiàn)工程區(qū)域巖土的任意剖切、查看、分析，降低內(nèi)部溝通成本，提高溝通效率。對于不同專業(yè)人員之間的溝通效果更為顯著。

2 地質(zhì)BIM模型建模范圍及應(yīng)用點分析

2.1 建模范圍

（1）地層BIM模型的建立。

根據(jù)項目基點，在Revit中導(dǎo)入地質(zhì)縱剖面圖，進(jìn)行各土層界面的繪制，繪制剖面曲線后，進(jìn)行地層實體的建立，不同土層根據(jù)紋理及顏色進(jìn)行區(qū)分。建模范圍包括所有圖層，并且鉆孔兩側(cè)不小于50 m。

（2）鉆孔BIM模型的建立。

利用GIS插件，根據(jù)鉆孔位置坐標(biāo)、鉆孔標(biāo)高、土層厚度，自動生成鉆孔BIM模型。依據(jù)總圖坐標(biāo)導(dǎo)入Revit軟件中，通過鉆孔分層、厚度對地層BIM模型進(jìn)行校正，最終形成帶鉆孔的完整BIM地質(zhì)模型。

（3）屬性信息的關(guān)聯(lián)。

為了對系統(tǒng)構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一管理，規(guī)定一套完整的編碼規(guī)則十分重要。從唯一性和易讀性角度考慮，對地層、鉆孔等進(jìn)行編碼，利用唯一編碼，通過信息化平臺實現(xiàn)BIM構(gòu)件與相關(guān)屬性信息的關(guān)聯(lián)。

2.2 地質(zhì)BIM模型應(yīng)用分析

（1）基于BIM的可視化交底。

基于BIM軟件，可以對地質(zhì)模型進(jìn)行剖切、旋轉(zhuǎn)、測量等。通過不同角度、不同斷面等全方位反映場地的工程地質(zhì)條件，實現(xiàn)地質(zhì)信息的表達(dá)更直觀、更立體，且每個地質(zhì)體均有地質(zhì)屬性。利用BIM模型可以提升地質(zhì)信息的表達(dá)能力，易于理解。

（2）基坑開挖模擬。

結(jié)合基坑開挖方案，建立地質(zhì)BIM精細(xì)化模型，并與基坑開挖工籌相結(jié)合模擬基坑開挖過程，對發(fā)現(xiàn)的問題可以提前處理，對施工方案進(jìn)行優(yōu)化，可有效地提高基坑開挖的效率，縮短工期、降低工程造價。

（3）基于信息化平臺的地質(zhì)BIM模型應(yīng)用。

通過信息化平臺集成設(shè)計階段各類成果信息，包括軟弱地層信息、溶洞信息、地下水信息等。施工到接近地質(zhì)風(fēng)險位置時，系統(tǒng)自動彈出風(fēng)險信息及相關(guān)處置方案，提示施工人員加強施工管理、提高風(fēng)險防范意識，實現(xiàn)地質(zhì)信息的傳遞與共享，提升施工階段的地質(zhì)風(fēng)險管理能力。

3 工程實例

3.1 工程概況

天津市濱海新區(qū)軌道交通B1線一期工程第九大街站為地下兩層島式車站，站臺寬度12 m，結(jié)構(gòu)形式為雙柱三跨明挖結(jié)構(gòu)，車站總長度為225 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度為21.1 m，高度為14.57 m。車站計算站臺中心位置頂板覆土厚度約2.7 m。車站共設(shè) 6個出入口，在車站大小里程處分別設(shè)置1個風(fēng)亭。

擬建場地地層總體呈層狀分布，局部地層分布有起伏或缺失，大部分層位土質(zhì)總體尚穩(wěn)定、均勻，局部土質(zhì)欠均勻，整體地基土（層）總體上較均勻。

3.2 建立地質(zhì)BIM模型。

（1）地層模型的建立。

利用Revit軟件，根據(jù)勘察資料中地質(zhì)縱剖面，建立剖面曲線并生成地層實體模型。不同地層由不同紋理及顏色表示，該站圖層包括素填土、黏土、淤泥質(zhì)土、粉砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土。地質(zhì)BIM模型如圖1所示。

圖1 地質(zhì)BIM模型

（2）鉆孔模型的建立。

利用GIS插件，根據(jù)勘察資料提供的鉆孔柱狀圖數(shù)據(jù)，生成鉆孔模型。

（3）屬性信息的關(guān)聯(lián)。

該站地質(zhì)模型構(gòu)件編碼案例：

第一層地層模型代碼：B1-0107-DZ-01-00-00-00-00-0001；標(biāo)貫孔模型代碼：B1-0107-DZ-02-00-00-00-00-0001。

屬性信息包括項目類屬性、工點類屬性、工程場地屬性、單孔數(shù)據(jù)屬性、剖面屬性、土工試驗屬性、原位試驗屬性、地基土物理力學(xué)指標(biāo)屬性、成果圖表屬性九大類屬性信息。

3.3 基于BIM技術(shù)的城市軌道交通三維地質(zhì)模型應(yīng)用

（1）基于BIM的可視化交底。

BIM模型作為信息的載體，將巖土工程勘察成果三維可視化，并集成所有相關(guān)信息，包括工程勘察數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、剖面、鉆孔及位置信息等。

通過BIM有針對性地還原作業(yè)面仿真現(xiàn)場，增加被交底人對現(xiàn)場環(huán)境的感知，并進(jìn)一步加深其感官印象。采用三維動畫立體全景地將各個構(gòu)件分解，并以動畫手段簡單明了集中展示，讓現(xiàn)場人員迅速全方位掌握最基礎(chǔ)、最重要的地質(zhì)信息。

（2）基坑開挖模擬。

土方開挖和結(jié)構(gòu)施工優(yōu)先從東端頭開始。土方開挖總體思路為東西兩區(qū)，先在標(biāo)準(zhǔn)段距離東端頭約100 m位置處拉槽，西側(cè)修坡、向東開挖，端頭井同步分層分塊開挖。垂直運輸采用長臂挖掘機(jī)、吊車配合抓斗出土（端頭）。待東區(qū)土方兩開挖面合在一個施工段時，西區(qū)土方開始啟動，開挖方法類似。土方開挖工序設(shè)計如圖2所示。

圖2 土方開挖工序設(shè)計

依據(jù)基坑開挖方案，拆分基坑部分地質(zhì)模型，結(jié)合基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)施工工序，利用BIM軟件模擬基坑開挖過程。在計算機(jī)中提前預(yù)演基坑開挖方案，發(fā)現(xiàn)問題，及時優(yōu)化施工方案，將施工過程中大部分問題在設(shè)計階段解決。

（3）基于信息化平臺的地質(zhì)BIM模型應(yīng)用。

基于信息化平臺錄入基坑開挖周邊風(fēng)險源信息。車站主體明挖基坑，車站全長225 m，車站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬度為21.1 m，深度約為17.512 m；盾構(gòu)井段基坑寬度為26.6 m，深度約為19.199 m，為Ⅲ級風(fēng)險源。附屬風(fēng)井明挖基坑（1、2號風(fēng)井），基坑開挖深度約10.5 m，基底位于淤泥質(zhì)黏土層，為Ⅳ級風(fēng)險源。附屬出入口明挖基坑（C、D、E號風(fēng)井），基坑開挖深度約10.3～10.6 m，基底位于淤泥質(zhì)黏土層，為Ⅳ級風(fēng)險源。2風(fēng)井及B出入口、C2出入口明挖基坑臨近市政管線，600 mm×300 mm 電線，埋深0.80 m，距離B出入口2.16 m；Φ300砼污水管，埋深3.15 m，距離 B出入口7.61 m ；Φ800砼雨水管，埋深3.41 m，距離B出入口9.40 m；10 kV供電距附屬圍護(hù)結(jié)構(gòu)最近處約為1.512 m，均為Ⅲ級風(fēng)險源。

基坑施工過程中，施工接近風(fēng)險源時，系統(tǒng)自動彈出風(fēng)險源基本信息，包括風(fēng)險名稱、描述、級別、處置措施，提醒施工管理人員加強安全防范措施，謹(jǐn)慎施工。

3.4 基于BIM技術(shù)的地質(zhì)模型應(yīng)用效果評價

（1）通過建立地質(zhì)BIM模型，直觀、形象地展示地層分布情況，通過BIM模型調(diào)取相關(guān)屬性信息，形成可視化交底信息，更好地輔助其他專業(yè)人員理解勘察成果。

（2）通過基坑開挖模擬，實現(xiàn)基坑開挖方案的提前預(yù)演，發(fā)現(xiàn)問題提前解決，輔助優(yōu)化基坑開挖方案，起到降本增效的作用。

（3）基于信息化管理平臺，以BIM模型為載體，集成基坑開挖過程中的各類信息，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)地質(zhì)風(fēng)險的實時提醒，輔助現(xiàn)場施工管理，增強了現(xiàn)場人員安全意識。

4 結(jié)語

利用Revit建立三維地質(zhì)模型，結(jié)合巖土工程勘察報告，直觀展現(xiàn)地層條件，實現(xiàn)勘察報告的三維可視化展示，加深建設(shè)方、設(shè)計方、施工方對場地地層條件的認(rèn)識，使地質(zhì)信息的表達(dá)更直觀、更立體，且每個地質(zhì)體均有地質(zhì)屬性。基坑開挖模擬，優(yōu)化施工方案，對縮短工期、降低工程造價將產(chǎn)生積極的影響。基于信息化平臺的地質(zhì)信息集成管理，實現(xiàn)了地質(zhì)信息在建設(shè) 各階段的傳遞和共享，提升了施工安全管理水平，實現(xiàn)建設(shè)精細(xì)化管理。