基于CATIA 的地質BIM 模型研發及應用

陳 鑫，楊 暉，鄭 瓛

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200000]

0 引 言

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是一種在工程項目全生命周期內，結合各個專業的屬性、功能、信息、數據完成三維建筑信息模型并實現信息共享、協同設計的技術[1]。隨著BIM 技術的日趨成熟，該技術在建筑行業的設計、施工、管理、運維等各個方面都取得了很好的效果，同時也在慢慢結合其他的工程相關專業，包括市政、水電、巖土等。BIM 的特點是參數化設計、三維可視化、協同設計、模擬分析等，以此減少缺漏碰撞等設計缺陷，提高工作效率。

住建部于2016 年發布了《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》和《2016-2020 年建筑業信息化發展綱要》，在此后幾年的示范工程建設中，BIM 技術應用已由單點應用逐步發展為與智能化應用相結合[2]。根據《中國建筑企業BIM 應用分析報告（2019）》中調研數據顯示，BIM 應用主要集中在設計、施工、運維三個階段，且以碰撞檢查、方案模擬和現場可視化技術交底占比較大，質量和安全方面的應用同比往年有較大的提高，具體應用情況數據如圖1 所示[2]。

現階段BIM 應用主要集中在建筑、鐵路、道路、水電等工程領域，相比之下地質工程專業的BIM 應用尚處于起步階段，其原因主要有：

（1）地質體因其不確定性和復雜性，不但需要理論作為基礎，還需要豐富的地質經驗，因此地質模型與實際地質條件的可靠度難以得到廣泛的認可。

（2）地質BIM 模型仍未有一個統一的數據交換標準，不利于模型的傳遞和后期應用。

（3）現階段國外的三維地質建模軟件產品在功能上能比較穩定與成熟，但全英文的操作界面和高昂的軟件使用費用使其在國內的推廣遇到了困難。國內的三維地質建模軟件在專業性和成熟度上仍處于完善過程中，BIM 技術在巖土或者地質方面的應用還需優化處理。

在工程地質勘察中，傳統二維勘察存在信息傳遞不暢，地質意圖表達不明確，資源調配不均勻，成果展示不直觀等問題[3]。地質BIM 模型可真實構建三維立體場景，以此展現各種地質元素之間的三維空間關系（相離、相鄰、組成、包含、被包含），克服傳統二維環境下難以區分三維空間關系的問題。地質BIM 在巖土工程勘察中的優勢：

（1）表達更加直觀，方便不同專業的技術人員交流。

（2）提高巖土工程勘察質量，傳統二維剖面獨立繪制，相交剖面地層有出入的問題，往往不易發現，然而三維地質的直觀性和整體性可有效、便利的解決。

（3）降低成本提高工作效率，同一工程由于設計方案變更需重出剖面過程繁瑣，三維模型任意剖切直接出圖。

（4）后期可把各個時期不同項目地質數據進行整合，建立地質勘探孔的BIM 數據庫，以電子地圖為索引界面經平臺整合后，形成“大型地質數據庫”。地質數據實現反復調用、共享，讓設計人員第一時間找到擬建項目最近的地質資料，不僅可大大縮短項目前期地質資料搜集時間，還可減少不必要重復勞動，提高地質資料的有效性。

1 國內外三維地質建模軟件

發達國家自20 世紀70 年代開始三維地質建模軟件的研發，在90 年代有穩定的產品問世，并不斷地發展成熟。主要軟件如表1 所列。

表1 國外三維地質建模軟件一覽表

國內從20 世紀90 年代開始不斷有人研究三維地質建模軟件的核心理論與技術，國內此類產品的概況如表2 所列。

表2 國內三維地質建模軟件一覽表

國產三維地質建模軟件與國外先進產品相比仍然存在差距，大多只具備地下三維地質建模軟件功能，且主要應用于油藏礦山等行業。

CATIA 是達索公司開發的一款集CAM/CA E/CAD 功能于一體的產品，其擁有強大的曲面造型能力，廣泛應用于市政行業。但CATIA 不是一款專業的地質建模軟件，目前國內地質BIM 建模軟件主要基于Revit 平臺，基于CATIA 平臺的地質BIM 建模軟件較少，在市政行業開發的地質應用更加稀缺。

現基于CATIA 平臺進行地質BIM 模型建模方法研究，利用該軟件優秀的曲面造型能力，提供一種適用性高的地質BIM 模型創建方法。

2 地質數據庫技術研究

隨著信息技術的急速發展和大數據時代的來臨，地質數據具備了大數據的本身特點和社會應用的屬性，已成為國家大數據的重要組成部分。地質數據是典型的多源異構復合型數據，具有大數據典型特點，即體量浩大（Volume）、生成快速（Velocity）、模態繁多（Variety）和價值巨大但密度低（Value）[4]。基于地質數據實現地上地下各類數據資源的一體化集成與服務是當前的一個研究熱點方向。如何對空間數據進行有效管理和綜合應用，特別是空間數據的增量及更新、集成和融合問題，是智慧城市發展不可或缺的元素，也是當前GIS 發展中的一項課題，具有很重要的研究意義[5]。

地質BIM 模型的建立從本質上來說就是應用先進技術對既有地質數據進行重構，從而再現地質結構。因此，既有地質數據的質量和數量對最終模型的準確性是至關重要的。

地質數據庫根據業務范圍和技術特點，現階段包含前期的地質勘探數據和后期的三維空間數據。前期的地質勘探數據和后期的三維空間數據通過軟硬件將數據集成，共同構成地質數據庫，如圖2 所示。

圖2 地質數據架構圖示

建立和補充完善地質數據庫的意義在于對這些數據進行智能處理，從中分析和挖掘出有價值的結構化信息?；诘刭|成果信息，與后期設計模型和需求疊加分析，提高設計效率和精度，更好地服務經濟社會發展。

2.1 地質數據分類

地質數據根據數據來源劃分為前期地質勘探數據和后期三維空間數據。前期的地質勘探數據是通過勘探數據成果和測繪成果進行表達，并進行重新組織分為幾何信息和非幾何信息。用于建立地質BIM 模型的幾何信息主要包括：測繪數據、鉆探數據、靜探數據等。其中鉆探數據包括定義場地地層順序、鉆孔地層信息（深度信息）、鉆孔單孔數據（平面屬性和鉆孔屬性信息）。靜探數據包括單橋靜探和雙橋靜探，用于建模的是分層統計數據，其定義了某地層在各靜探孔的深度信息。

非幾何信息大致為原位試驗數據或土工試驗數據，主要是描述場地巖土體的物理力學性質信息，屬于屬性信息。

后期的三維空間數據是圖形數據的表示與純粹方式，以及圖形元素之間的拓撲關系。常用的空間數據模型包括曲面模型和體元模型。結合其他專業的數據資源，初步實現地質成果多維、地下- 地上、地質- 地理、時空- 屬性大數據的一體化存儲、管理和輔助決策[6]。

2.2 地質數據提取

地質BIM 模型在創建過程中需要根據地質數據成果中鉆探數據、測繪數據和后期應用階段的地層信息數據進行提取。其中包含地層的分層數據處理、鉆孔信息提取和關鍵地層參數的提取等。

2.2.1 分層數據處理

對勘察階段提供的分層數據進行簡化處理，即對地層厚度較薄的夾層或者互層，在創建過程中忽略該地層，將其人為合并至地層性質類似的鄰近地層。

2.2.2 鉆孔信息提取

根據地質數據成果直接導出各鉆孔的基礎數據。

2.2.3 關鍵地層參數選取

根據工程項目的具體需求，確定模型需要添加的地層參數信息。

2.3 地質數據清理

在地質數據被用作地質BIM 模型建模之前，需執行地質數據清理，控制數據質量，將數據本身的不確定性降到最低。地質數據以鉆孔數據為主的特點，根據三維地質BIM 模型，在三維空間視角下，方便地質勘察人員檢查原有分層數據的合理性，較依靠傳統二維剖面進行地質數據正確審核的方法，可大幅提高工作效率和精度。

2.4 地質數據管理

地質BIM 模型承載地質信息，該信息的解決方案是沿用地質數據結果創建關聯屬性的地質數據庫。與整體模型關聯的有工程信息、場地信息、技術方案建議等，與地層模型關聯的有場地地層信息等，還有其他鉆孔信息、原位測試、室內試驗等信息均應在地質數據庫內。表3 所列為數據庫的相關表，從中看出基本涵蓋了工程勘察階段所需要承載的地質數據。

表3 地質數據對應表

3 地質BIM 建模技術研究

地質BIM 建模與其他專業BIM 建模的最大區別之處是，地質BIM 是自然形態，其他專業BIM 是人為設計。這決定了兩種模型的創建方式不同，地質BIM 需要通過有限的信息經過專業的推測而得到，這就提升了其建模的難度。同時，從二維到三維，對應的精度要求也相應地要提升，二維情況下各種圖件均獨立繪制，除非明顯錯誤，一般細節沖突較難發現。但在三維情況下，相關聯的平面圖件表達信息必須一致，因此對勘察質量提出了較高的要求。

地質BIM 模型的建立不能超出勘察人員的專業技能，還是依據現有勘察人員的工作方式和習慣，以平面推斷為主，輔以三維的建模方式和推斷方式，通過鉆孔數據和剖面圖數據創建地質BIM 模型。

地質BIM 建模流程包括地形模型的創建、鉆孔模型的創建、地層模型的創建，整個流程如圖3 所示。

圖3 地質BIM 模型建模流程圖

3.1 鉆孔模型建立

鉆孔模型的建立主要依靠CATIA 中用戶特征功能（UDF）。用戶特征（UserFeature）是CATIA 中的一種強大的復制工具，可以在不同的上下文當中復制和重用一組設計數據，在實例化的同時可以修改參數。但與超級副本不同的是，用戶特征實例化出來的對象是以一種黑盒形式存在，在特征樹上顯示的是一種獨特的特征，隱藏了設計的過程步驟。因此，用戶特征可以保護設計者的設計思路及設計知識。

通過創建鉆孔模板，并進行工程模板實例化，完成鉆孔模型的自動建立，如圖4 所示。

圖4 鉆孔模型

3.2 地層模型建立

地質界面的模擬是地層模型建立中最重要的內容之一。由于地質界面的幾何形態往往是復雜多變的，不同界面也存在著差異性，現運用DACE 工具箱的克里金模型進行插值計算[7]，并結合CATIA 的曲面造型功能，完成地層界面的擬合。

在CATIA 中新建地層模型的物理產品，插入“3D 零件”，以存放地質分層成果數據。切換至Terrain Preparation 模塊，點擊“導入”—“地形文件”，選擇DACE 工具箱處理完成的地質分層成果數據，設置與地形數據偏移相同的幾何位置偏移值，最終生成地質界面點云數據，完成地質界面數據導入，運用創建地形功能，選擇對應的地質界面點云數據，形成地形，最終完成地層界面的創建，如圖5 所示。

圖5 地層界面圖

新建3D 零件，以儲存地層界面和地質體的模型。在地層建模過程中，保證單個地層對應單個3D零件。通過導出測試，不同的地層儲存于相同3D 零件中，在其他平臺展示時將不能顯示分層模型。

在3D 零件新建幾何體用以存儲地層模型，切換至Civil 3D Design 模塊，根據生成的地質界面進行地層模型的建立。

4 地質BIM 模型應用開發

地質BIM 模型最終需在應用中產生價值，應用范圍越廣其價值就越大。BIM 貫穿項目全生命周期，在勘察、設計和施工階段均能發揮作用，比如設計階段中的碰撞檢查、施工階段中的施工模擬等。

4.1 模型開挖

通過開發實現地質BIM 模型開挖，通過挖去其他結構專業模型，查看地層內部分布情況。后期衍生應用包括自定義路徑開挖、導入外部路徑的模型開挖等，如圖6 所示。

圖6 模型開挖圖示

4.2 虛擬樁基

在已有地質體模型任意處生成帶有屬性信息的虛擬樁基，一方面進行可視化展示，查看地層分布情況，并可將虛擬鉆孔與真實鉆孔資料做對比，實現模型準確性檢驗與校正。另一方面結合該處的地層分布情況，通過經驗參數法確立單樁承載力，為后期巖土設計提供依據，如圖7 和圖8 所示。

圖7 部分代碼圖示

圖8 虛擬樁基圖示

5 項目案例

項目為上海市某服務區擴建項目，通過勘察院提供的32 個鉆孔數據，完成地質BIM 模型，其中主層共6 層，亞層共9 層，具體模型如圖9 所示。在勘探深度范圍內，地基土分布基本穩定，土層自上而下：①1、①2層填土為近代填土；②層～⑤層為全新世Q4 沉積層；⑥、⑦1、⑦2層為上更新世Q3 沉積層，場地主要特殊性巖土表現為軟土及填土。

圖9 地質模型

擬建場地地勢較為平坦，無影響場地穩定性的大型活動性斷裂、顯著的地面沉降等不良地質作用。另外，場區淺層存在軟土、液化土、明暗浜等不良地質條件，對設計施工存在一定影響，但采取適當的措施進行處理后，可進行項目建設。

6 結 論

BIM 技術改善了建筑、市政等行業的信息傳遞，實現了工程項目設計、施工、運維階段的信息化管理，極大提高了工程項目的質量和效率，降低了成本。地質勘察階段作為設計、施工、運維的前置條件，目前應用相對較為匱乏。本文分析了現階段常用的地質建模軟件的發展情況和建模特點，尋求了一條高效的地質BIM 模型創建方法。該方法運用了克里金模型生成地層界面，保證模型的有效性和建模質量，還運用了CATIA 的曲面造型和數據傳遞的優勢，保證了模型數據的有效傳遞和后期項目實際應用的需求。

（1）研究了地質數據成果中的地質數據分類，較好地解決了地質數據提取、清理和管理等數據處理過程中遇到的問題，形成了一套相對完整的數據集成解決方案。

（2）研究了基于CATIA 的地質BIM 模型的關鍵技術，將克里金模型和CATIA 的曲面造型能力相結合，彌補CATIA 平臺地質模塊的短板的同時，形成了一套地質BIM 模型建模流程，對勘察BIM 信息化發展具有重要推動作用。

（3）針對在二維環境下地質成果存在的局限性，完成地質BIM 模型的展示方案，并運用3DE 平臺和CATIA 的協同設計功能，保證了模型數據的有效傳遞，增強勘察專業與其他專業的協同，較好地解決了巖土相關的實際應用需求。