BIM 技術在土質滑坡三維地質建模中的應用研究

王春燕 鄧永煌 吳亞良

（1、三峽大學科技學院，湖北 宜昌 443002 2、宜昌市地質環境監測站，湖北 宜昌 443000 3、三峽大學，湖北 宜昌 443002）

建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）技術是通過數字計算機技術對工程進行數字化、信息化的整合，形成三維形態數據信息的大型建筑特性數據庫，是以研究對象的各項信息為基礎、構建三維可視化的系統技術，可實現以信息載體為基礎、實現多專業、多工種的相互配合，有著強大的三維可視化和信息處理能力、強大的渲染能力和信息集成能力，可以與眾多數據軟件交互信息。

三峽庫區土質滑坡因受地形地貌、地質條件、水庫水位升降、降雨、人類活動等多種因素的影響，不斷發生變形甚至失穩破壞，極大地威脅著三峽工程與庫區人民生命財產安全以及社會經濟的快速發展。以如何實現三峽庫區土質滑坡體地質模型的三維建模及可視化為研究點，以協調均衡發展理論為支撐，以“共抓大保護、不搞大開發為導向推動長江經濟帶發展”精神為指引，著重對長江全流域生態環境保護與修復為重難點問題和關鍵性瓶頸制約展開精準對標、重點突破。

1 概述

目前，BIM 技術在三峽庫區土質滑坡三維地質建模工程領域應用較少，主要原因是土質滑坡地質體的不規則和不確定性，地質體形態實際是不確定的，空間不規則數據的處理以及行業本身的特點使得BIM地質建模的難度較大。

現下，BIM 技術在土質滑坡體三維地質建模領域存在的主要問題有：a.針對地質領域，無專業的三維地質建模軟件，常規的BIM 建模軟件也較難獨立完成精確的模型搭建，導致目前的土質滑坡建模都是當作一個均值體來做的，而實際中土體是參數不一樣的非均值體，對土質滑坡體地質體建模和可視化分析的針對性不強；b. 土質滑坡體狀況復雜，土質滑坡體三維地質模型與數值分析軟件的耦合、三維構筑物與三維地層的耦合等常存在數據格式轉換困難、信息不兼容等障礙。

針對三峽庫區土質滑坡的三維地質建模，目前大多以鉆孔信息為主、融合地形信息和剖面信息進行建模，但由于地質體空間分布的復雜性、原始地質信息獲取的艱難性以及地質體屬性的不確定性，導致現有三維地質建模難以真實反映災害體特征，尤其是對侵入體、透鏡體等復雜對象的刻畫精度不高；同時目前的三維模型也無法實現各專業間信息的無損傳遞和信息共享，這也極大地影響了災害模型的后期深入應用。

因而，BIM技術是三峽庫區土質滑坡三維地質建模領域值得借鑒和應用的。建立以BIM技術為基礎的三峽庫區土質滑坡三維模型，可以有效展示災害體三維地質空間結構，將災害體三維空間信息和治理工程進行集成，可以有效改善勘查、設計成果的可視化表達，更加高效地支持治理工程施工。總之，基于BIM對庫區土質滑坡進行三維地質建模，可以全方位支持地庫區滑坡災害勘查、設計、效果展示、決策、施工、管理運營等。

因此，采用地質三維建模技術對災害體進行三維建模，若能開展模擬預測并以此為基礎研究滑坡體的穩定性，對于提升三峽庫區地質災害防治能力與水平有著極為重要的意義。

2 BIM Revit 土質滑坡三維地質建模過程

本文選取Autodesk 平臺下的BIM 核心建模軟件Revit，確定基本建模框架依據研究內容和技術路線：

2.1 土質滑坡三維地質數據信息分析與融合

以三峽庫區土質滑坡地質體各種原始數據包，含鉆孔信息、地質剖面、地震數據、等深圖、地質圖、地形圖、物探數據、化探數據、工程勘察數據、水文監測數據等為基礎，基于數值模擬和空間分析，創建可以反映地質結構、結構關系及地層變化規律的數字化模型。

2.2 三峽庫區土質滑坡BIM Revit 建模路線

分析土質滑坡體三維地質建模技術，研究BIM建模技術與三維地質建模理論的集成方法，提出土質滑坡體地質建模的技術路線、確定土質滑坡體BIM地質建模的基本流程，完成三維地質工程對象模型構建、將滑坡體對象三維可視化、實現土質滑坡不規則地質體的數字化。

BIM Revit 的建模框架和路線，融合了BIM對參數、材質信息存儲及可傳遞的優勢，也可彌補地質建模中參數及材質賦值復雜、數據量容納能力弱、所建立的并非真正實體地層的缺點，可實現三峽庫區土質滑坡地層相關技術參數、材質信息的賦值存儲與可傳遞。

BIM Revit 建模框架和路線，數據處理高效、數據容量大，三峽庫區土質滑坡整體挖填方工程量可以實時統計，既擁有強大的曲面編輯、道路、放坡等功能，也可適用于大場景的地質模型創建，支持復雜的地層地形情況，模型成果可用于三維展示。

3 BIM 技術在三峽庫區土質滑坡建模中的應用

3.1 工程概況

湖北省三峽庫區某滑坡為某縣地質災害群測群防點，該滑坡自納入某縣群測群防點以來，較長一段時間未發生明顯變形，直至近期，滑坡受連續降雨影響，開始出現變形破壞，導致滑坡體上的部分住戶的房屋及附屬房夜間倒塌，房屋嚴重受損，已成危房，無法居住等。自此，該滑坡的變形呈現不斷加大的趨勢，已經嚴重威脅到滑坡體上及其周邊常住居民的生命財產安全和滑坡中前部村級公路的正常通行，在降雨的條件下，該滑坡隨時可能再次發生失穩破壞，一旦再次失穩破壞，將會產生更大的經濟損失，甚至可能導致人員傷亡等。該滑坡形態為長舌狀，后緣高程在878m 左右，前緣剪出口位于斜坡前緣季節性沖溝處，高程在840m 左右，左側（東側）以山脊為界，右側（西側）以自然季節性沖溝為界。滑坡的寬度為80m 左右，縱向長160m 左右，其面積約為9766m2，厚度10m 左右，體積9.8×104m3，主滑方向186°。滑坡區地表水系主要為滑坡右邊界的季節性沖溝，流量約1L/s，水質清澈透明，流量受降雨影響較大，為滑坡區外圍地表水的排泄通道。地下水主要為松散介質孔隙水和基巖裂隙水。松散介質孔隙水主要賦存于邊坡上覆的松散土體中，主要接受大氣降雨補給，并沿著地表沖溝流入坡下沖溝，或向下入滲到巖層層面或裂隙中，勘查區調查發現在滑坡左邊界有一處泉水出露點（Q2），泉水清澈透明，流量1L/s。在滑坡右邊界發現有基巖裂隙水出露（Q1），流量2ml/s，水質清澈透明，主要接受大氣降雨和松散介質孔隙水補給。

3.2 BIM Revit 土質滑坡三維地質建模步驟

3.2.1 場地設置

3.2.1.1 顯示等高線并定義間隔，如圖1 所示。

圖1

3.2.1.2 將自定義等高線添加到平面，如圖2 所示。

圖2

3.2.1.3 指定剖面圖形，如圖3 所示。

圖3

3.2.1.4 制定屬性數據設置。

3.2.2 場地建模

3.2.2.1 創建地形表面，如圖4 所示。

圖4

3.2.2.2 通過放置點來創建地形表面，如圖5 所示。

圖5

3.2.2.3 使用導入的三維等高線數據，如圖6 所示。

圖6

3.2.2.4 使用點文件，如圖7 所示。

圖7

3.2.2.5 簡化地形表面。

3.2.3 建模成果

根據以上建模步驟完成湖北省三峽庫區某土質滑坡的BIM Revit 三維建模，如圖8 所示。

圖8

3.3 BIM Revit 土質滑坡三維地質建模應用

3.3.1 建模分析

通過調查，發現該滑坡體上總共發育有三十多條可見的地表裂縫，裂縫類型多為張拉裂縫和剪切縫，長度一般在5～30m 之間，寬度一般在5～30cm 之間。經過多次到災害現場的地質調查，并詢問當地村民該滑坡的變形發展過程，得知該滑坡從發生變形破壞截至到現在一直處于蠕動變形狀態，通過對比前后到災害現場觀察裂縫的發展情況，可以明顯的觀察出拉張裂縫有加劇變寬的跡象。說明滑坡從出現首次變形開始，一直處于不甚穩定的狀態。如果發生降雨的條件，如果不對滑坡采取相應的工程支護措施，極有可能導致滑坡再次發生失穩破壞，嚴重影響災區人民的正常生活，危及坡體上及周圍常住村民的生命財產安全。該滑坡總共發育有多條可見地表裂縫，滑坡產生變形的部位主要集中在滑坡的后緣和左右邊界，主要以緩慢的蠕動變形為主，具體表現為拉張裂縫、地面沉降等，遵循地質災害防治的基本原則，在對災害現場進行勘查的基礎上，應用BIM Revit 建模技術，通過對三峽庫區土質滑坡實現三維地質建模和可視化，對湖北省三峽庫區某滑坡治理的必要性及防治工程的安全有效性、技術可行性、經濟合理性、美觀適用性進行科學的論證起到輔助作用，進而助力提出具有針對性、系統性的優化的綜合治理方案。

3.3.2 趨勢預測

滑坡上出現裂縫的變形跡象來看，拉張裂縫有明顯變寬的跡象，表明滑坡從出現變形截止到到目前，滑坡一直處于蠕動的狀態，隨時都有可能發生失穩破壞。大氣降雨往往是誘發滑坡發生失穩破壞的主要因素，滑坡所在地降雨充沛，且正處于全年降雨高峰期，持續的降雨會使滑坡的穩定性降低，增大滑坡失穩破壞的概率。若不及時對滑坡進行合理的工程支護，在降雨的條件下，會使滑坡的穩定程度進一步惡化，極易引發滑坡再次失穩破壞。

3.3.3 防治目標原則

該滑坡已產生明顯變形，根據定性與定量評價方法，滑坡目前處于欠穩定狀態，安全儲備嚴重不足。因此，對滑坡進行治理是十分必要的。根據該滑坡變形特征、穩定性及勘查區工程地質條件，經分析論證，滑坡目前處于蠕動變形階段。在天然工況下雖然滑坡處于基本穩定狀態，但一旦發生降雨，對滑坡的穩定性有很大的不利影響。若不及時對滑坡做相應的工程措施，提高滑坡的安全儲備，則該滑坡隨時都有可能再次發生失穩破壞，嚴重威脅災區人民的生命財產安全。針對羅家埡滑坡的變形情況及穩定狀態，對滑坡的治理建議如下：治理工程以保障災區居民及過往行人的生命財產安全和公路正常通行等為首要目標，防治方案制定的基本原則是：（1）防治須安全可靠、經濟合理、技術可行、施工簡易，確保工程質量，提高工程效益，達到減災防災的目的；（2）防治應與環境保護、土地利用相結合，與社會、環境和經濟的發展相適應，盡可能優化改善周邊的環境；（3）防治須遵循各類工程綜合治理、配合使用的原則，做到突出重點，分項治理；（4）應加強地質環境的保護和防治工程的養護。（5）防治治理方案建議可采用抗滑樁+截排水溝工程，或削坡減載+截排水溝工程。

4 結論

本文采用BIM Revit 技術，結合三峽庫區土質滑坡三維地質模型，提取三維模型數據、處理繁瑣的數據程序、提高建模效率；同時實現三維建筑物（構筑物）對象與三維地層的耦合，加強土質滑坡體的表達能力、將土質滑坡體三維可視化。但還存在不足之處：三峽庫區土質滑坡BIM三維建模無滑坡土體結構及材質等基礎數據信息、土質滑坡體建模中所采用的結構和建筑結構有較大區別，導致在建模時不能建立地層模型；建模方法采用相似構件代替，若能有針對性的建立所需構件基礎信息并參數化、便可應用在不同的項目中。建立適合三峽庫區土質滑坡體的結構和材質的基本數據信息，為BIM三維建模技術和土質滑坡地質體建模成果對接作鋪墊，提高滑坡體建模的精確性，亦是一個亟待拓展的關鍵技術問題。