基于BIM 新技術的陡坡填方梁場設計方法研究

張 軍 高月波 付紹強

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 概述

為保證預制梁加工生產的優質質量，節約建設成本并減少場內的二次搬運，梁場科學合理規劃尤為重要。對于處于復雜地形如高陡邊坡地區的梁場初步地形探測而言，主要以人工踏勘為主，難以準確評估梁場原始地理條件。隨著三維激光掃描技術、無人機傾斜攝影測量等新興手段的興起被廣泛應用復雜地形及邊坡測量中[3]。本文通過BIM新技術提出一套三維地形及地質建模方法，對三維模型進行多視角觀察與分析研究，觀察地表以下巖土的分布特征并分析地質條件，并采用通用巖土分析軟件對帶區域地質條件進行精準分析，為預制梁場的規劃設計提供可靠分析數據，為預制梁廠的科學合理規劃及高效生產提供數據支撐。

2 基于BIM 技術的地形地質信息模型的構建方法

2.1 陡坡地形三維數值建模方法

2.1.1 無人機航空攝影航線規劃

為獲取復雜地形地貌區域的精確地形地質信息，可以采用無人機傾斜攝影測量技術進行實景模型的精準構建，通過設計規劃合理的航線對測量區域進行全景拍攝重建。若掃描區域過大且復雜多變，單次拍攝無法精準全面獲取模型細節信息，為使模型更加精細準確，通常采用多航線多視角航飛拍攝，最后將多航線及多視角照片進行融合從而構建全景地形模型。攝影測量技術要求航拍照片具有較高的重疊度要求。在該項目中，旁向重疊度和航向重疊度均為75%（圖1）。

圖1 無人機航空攝影

2.1.2 三維實景模型的建立

通過無人機按設計航線獲取目標區域高精度航空影像數據，采用主流建模軟件ContextCapture 進行實景建模，建模流程主要包括：工程準備、空三加密、模型重建、以及模型分析幾個步驟。

空三加密和模型重建是傾斜攝影建模中最重要的兩個步驟，空三的精度直接決定了重建模型的精度[4]。空三加密采用區域網法，用光束法和多項式法進行整體平差解算，檢驗解算好壞的重要標志是影像像元的均方根。空三運算完成后，基于ContextCapture的模型求解器，采用集群運算，快速生成測區的密集點云。

2.1.3 地形生成

基于真實影像生成的高密度點云包含地面植被等信息的遮擋及干擾,不能真實反映地表信息，故需對干擾部分進行剔除，首先通過手動方式剔除地表較大植被的干擾，其次采用高斯濾波算法對貼近地表雜草點云進行濾波降噪，高斯濾波降噪優點在于雜亂點云經過濾波處理之后，其主要形貌仍被保留，地貌特征不發生改變[5]。去噪后點云雖然減少了雜點的干擾，但數據量仍是海量性的，需對數據進行精簡壓縮。本次通過按曲率采樣的方式，在不影響曲面重構和保證一定精度的情況下對數據進行精簡，從而提高數據處理速度（圖2）。

圖2 地形點云

2.2 三維地質模型構建

三維地質建模方法按建模數據源的類型不同可以分為基于鉆孔、基于地質剖面、基于野外地表地址數據等方法[6]，針對河邊大橋的特點以及鉆孔分布的疏密程度，本文提出的地質建模方法是基于精確實測數據重構三維精細地質數字模型的方法。主要的建模步驟如下：

2.2.1 以無人機傾斜攝影技術獲得的密集點云作為地質模型表面數據，采用曲面擬合法擬合得到地表模型，如圖3（a）所示。

圖3 地形模型及鉆孔分布

2.2.2 在梁場范圍內選擇合適位置進行地質鉆孔，得到場區下的底層分布數據，如圖3（b）所示。利用克里金插值法，完成工程范圍內地質層面的建立，如圖4（a）所示。

圖4 地層分布及地質模型

2.2.3 將地層曲面封裝為實體三維模型，完成三維地質信息模型的建立（圖4-b），并賦予各巖土層相應的屬性。

3 陡坡填方梁場地質建模方法及穩定性分析

為更真實的模擬現場地質條件和貼近施工實際，本文采用Midas-GTS 有限元軟件對陡坡開挖及擋墻支護進行三維數值模擬分析。邊坡數值模擬數值分析主要計算位移和應力應變的空間分布特征及在荷載和環境等作用下的發展過程，采用一定準則進行穩定性評估。

3.1 三維地質模型的建立

利用Midas-GTS 進行數值模擬時，主要流程如下：幾何模型的建立-定義材料參數-網格劃分-設定分析條件-分析及結果查看。上文采用多源數據的融合建立地質實體模型，將該模型作為Midas-GTS的實體模型，省去相應建模步驟同時更好的模擬現場實際情況。

3.1.1 材料參數。根據鉆孔數據及現場勘查資料和相關規范選取合適的巖土力學參數，以及擋墻支護材料的屬性參數，相關參數如下表所示。Midas-GTS 提供多種巖土模型，本文采用摩爾-庫倫準則，是典型的彈性-完全塑性本構關系，應力達到屈服點前與應變成正比例關系，超過屈服點時為水平線。

圖8 x、y、z 方向應力云圖

3.1.2 網格模型。Midas-GTS 提供多種網格類型，包括三面題、四面體、六面體等，網格劃分越細計算結構越精確，同時耗時越久，考慮到所分析地形場景較大，采用四面體劃分網格，同時對重點觀測區域如開挖區域以及擋土墻部分進行播種，網格細化加密。考慮到相鄰區域的耦合，應在網格劃分前對相鄰區域進行布爾運算中的差集運算（圖5）。

圖5 網格模型

3.1.3 邊界條件及計算方法。模型底部設置為固定邊界約束，土體四周限制其滑動，同時坡面為自由邊界，荷載僅為自重。Midas-GTS的強大功能在于可以考慮施工階段的非線性分析，本次共分為兩個施工階段，第一個施工階段僅考慮邊坡原始狀態，同時分析結束進行位移清零，模擬邊坡實際未開挖狀態。第二個施工階段對開挖邊坡進行鈍化，同時激活填土以及擋墻部分（圖6）。

圖6 施工階段

3.2 穩定性分析

利用軟件“分析工況”功能進行邊坡穩定性分析，分析結束可以通過主菜單查看相應結果，本文主要關注Z 方向位移以及總位移和應力的空間分布特征。從總位移云圖以及位移線上圖可以邊坡較大位移出現在開挖坡腳處，該處地形被擠壓出現上拱，此處需重點關注并采取相應加固措施，而擋土墻部分出現沉降。從應力等值線云圖可以看出看出邊坡內部應力為負值及壓應力，且壓應力從底部向坡頂逐漸變小，坡頂局部范圍出現拉應力，說明坡頂因局部滑坡的影響而出現張拉裂縫（圖7-8）。

圖7 總位移位移云圖

4 結論

本文通過無人機航飛攝影技術構建陡坡區域實際地形模型，同時結合地質勘探數據及鉆孔數據建立三維可視化地形地質實體模型，將該模型通過通用巖土分析軟件對邊坡穩定狀況以及梁場初步規劃區域進行地質穩定性分析，將橋梁梁場設計的主要工作提升至方案設計階段，提高設計規劃的準確性并節約方案變更成本，該方法對于復雜地形及地質模型的構建，以及穩定性分析提供了一種較為高效可靠的方法。