BIM技術在中心城區超高層建筑勘察中的應用＊

重慶市勘測院 顏玫 明鏡

為在中心城區超高層建筑勘察中實現復雜空間關系的準確模擬，將BIM技術應用到超高層勘察中，實現了重慶塔項目中各類建筑、地理環境、工程地質、巖土設計等數據的集成應用及分析。實踐表明，本文方法有利于對專業巖土工程勘察問題的直觀分析和交流。

1 背景意義

20世紀80年代，航空工業領域為了減少成本和工期，逐漸引入了數字化制造技術，建立了三維設計、產品生命周期管理（PLM）等新的技術[1，2]。受航空業啟發，建筑業也逐漸開始利用BIM技術來提高建筑工程效率，節約項目成本[3，4]。現今的勘察工作中也引入了BIM技術，在關心建筑本身從規劃、設計、施工、直到運營的同時，把數字化技術向前延伸，逐漸構建了勘察信息模型（勘察BIM）技術體系[5]。

所謂勘察信息模型，是指基于勘察工作，將反映場地工程地質和巖土工程的相關信息數據集合起來構成的三維數字化模型，具備數據共享、傳遞和協同功能。

中心城區寸土寸金，核心商業區更是高樓林立。在此開展超高層建筑的巖土工程勘察，往往面臨較大的技術難題。（1）地下空間關系復雜，地下交通、地下管線、地下車庫、人防洞室等地下建構筑物犬牙交錯；（2）環境地質問題突出，中心城區人流密度大，人類活動頻繁，對環境地質有巨大的影響，容易造成重要的環境地質問題；（3）安全風險評估難度大。中心城區超高層建筑出現安全事故造成的影響人數多、危害大，需要在準確把握復雜地質情況的基礎上做出準確的評估預判。

為了更好地服務中心城區超高層建筑勘察，需要在傳統勘察的基礎之上，開展勘察信息模型的制作與應用，以便準確理解、展示和交流復雜地質環境，輔助直觀地分析和解決地質問題。本文探索了中心城區超高層建筑勘察信息模型制作與應用的技術流程和主要方法。

2 技術路線（總體思路）

本文總體技術路線如圖1所示，主要包括8個工作環節。

圖1 總體技術路線Fig.1 Overall system structure

2.1 資料收集

盡可能收集場地及周邊相關工程的規劃、可研及設計資料，收集場地的地質及巖土勘察報告。為了精確表達場地及周邊的地下空間，還要收集地下交通、地下管線、地下車庫、人防洞室等各類型的地下空間數據。

2.2 場地分析

針對場地主要工程地質問題，對場地相關原始資料和數據進行綜合研判，確定其主要類型、坐標精度、可信度等，針對性地確定數據預處理的精度、方法以及后續的BIM模型建模方法，并對場地的技術特征進行綜合分析。

2.3 數據預處理

在建模前，需對原始數據進行預處理，以提高建模效率。對原始數據進行格式轉化和坐標轉換，將空間數據統一坐標體系。對空間數據及其屬性數據需要進行分類處理，空間關系要做到去除矛盾，保持空間一致性，屬性數據做到字段完備、邏輯合理。

2.4 BIM建模

根據擬解決的工程地質問題，結合資料收集、場地分析和數據預處理成果，針對性確定擬建模區域范圍，確定模型元素類型，針對性地對三維地形、地下管線、地質體、基坑設計等BIM模型選取合適的建模精度，建模方法。根據數據類型特點，選擇合適的BIM建模軟件，開展模型制作。

2.5 模型集成

將地形、地質、管線、建筑等各類三維模型集成到統一的三維空間和三維平臺中。集成時，除了要進行模型的數據格式轉換統一以外，還要在集成過程中深化對空間關系和專業地質問題的理解，進行各類模型的相互交叉驗證，消除模型之間存在空間沖突或邏輯矛盾。

2.6 可視化分析

多類型BIM模型集成后，在三維空間統一基準下開展可視化分析，直觀地理解、分析、解決地質問題。模型的可視化分析不限于已有模型，也包括對模型進行虛擬剖切、虛擬開挖等過程產生的衍生分析模型數據。可視化分析可以極大限度的方便對巖土問題空間關系的展示，方便專業思想的交流傳達以及技術問題的綜合解決。

2.7 專業分析

可視化分析對關于三維空間關系的展示和視覺輔助人工判別有較好指導。而對一些專業技術問題，往往需要在可視化分析的基礎上，把分析的中間結果，比如空間形態、數據表格等，導入到專業軟件當中進行進一步地分析計算，包括滑坡推力計算、三維位移等數值分析，以便更好地給出專業分析結果，輔助實際問題的綜合解決。

2.8 咨詢建議

在可視化分析和專業分析的基礎上，梳理巖土工程地質問題的解決方案，提出輔助決策的專業意見，針對性給出設計方案的優化調整建議和施工建議。將咨詢建議形成文字報告。

3 模型制作

3.1 勘察BIM建模方法

與建筑BIM建模不同，勘察BIM建模更多地是從少量的已知準確數據（如鉆探、地面調查等）去反演模擬地下地質界面、三維地質體等，采用的是逆向思維，模型的準確性難以做到完全精確。主要的勘察BIM建模方法包括：

（1）鉆孔建模方法。利用勘察鉆孔，在對鉆孔各分層點位進行層位編號的基礎上，依次形成三維空間曲面，經相互交切，封閉形成三維地質體。其特點特別是建模自動化程度較高。

（2）剖面建模方法。利用一系列豎直方向的剖面進行模型構建，從剖面上提取相同層位的地層線（主要是剖面線）作為約束，然后在空間中插值形成三維曲面，最后利用層位的上下關系進行交切，進而封閉成體。其難點在于剖面線的空間對應。

勘察BIM模型除了要利用上述的方法來進行空間幾何形態的構建之外，還要附加相應的巖土工程屬性信息。

3.2 主要勘察BIM軟件

（1）GOCAD。已經在石油開采、地球物理勘探、工程地質等領域廣泛應用。將三維空間要素抽象為點、線、面對象，并基于其核心的離散光滑插值技術，能交互生成不規則三角網，實現復雜的地質對象建模。

（2）EVS。它屬于C Tech系列軟件，提供真三維的體數據建模、分析以及可視化工具。可以利用鉆孔數據半交互式生成勘察BIM模型，支持模型的三維剖切和爆炸顯示等。其特點在于強大的三維可視化效果和動畫模擬功能。

（3）理正巖土BIM。它是由北京理正公司開發，結合其在工程勘察領域的專業技術經驗，支持三維連層，在多層交互的地質條件下，可實現地層的自動化分層、快速處理地層分叉和復雜地層關系對應。

3.3 模型集成

勘察BIM模型主要類型包括三維地形、工程地質和巖土設計模型。不同類型的模型數據，往往會選取不同軟件進行各類型BIM模型的構建，其數據格式會有不同。為了能夠進行集成，需要進行數據轉換。一般來說，通過常用空間數據交換格式進行數據導入，如RVT、OBJ、STL等。

4 應用案例

本文選取重慶塔項目作為中心城區超高層建筑勘察信息模型制作與應用的實際案例。

4.1 項目概況

重慶塔位于重慶市渝中區較場口，場地周邊高層建筑密集，人口密度大，距離重慶市中心地標建筑——解放碑僅300m，為重慶全市在建第一高樓。主塔地上共98層，建筑高度431m。地下8層，基坑開挖深度43m，為超限深基坑。

4.2 主要難點

（1）相鄰建構筑物眾多。重慶塔項目場地位于重慶市區最繁華的解放碑CBD，擬建場地被眾多高層建筑包圍。此外，軌道交通2號線較場口車站也緊鄰場地。場地將開挖形成深基坑和超高邊坡，工程建設對周邊建筑物的安全影響評價難度大。

（2）地下空間關系復雜。除地下建構筑除軌道交通2號線外，還包括解放碑地下環道、臨江干道和人行通道，同時周邊建筑物基礎復雜，地下管網密布（如圖2所示）。在勘察過程準確查明其位置與性狀，對于保障其安全至關重要。

圖2 基坑周邊復雜地下空間關系Fig.2 Complicated underground space relationship

（3）地形地質條件復雜。該項目歷史較長，2002年時為低矮的居民區，2003年開挖形成基坑，2005年建成部分裙樓。現在將原有建筑拆除后建設重慶塔項目，需對原有基坑繼續加深。場地內砂巖和泥巖互層現象突出。

4.3 建模內容

地形BIM建模。利用1∶500高精度地形圖，并參考孔口坐標，應用單一界面建模流程和DSI插值算法，可生成網格均勻、曲面精細的地形模型，可真實反映地表的復雜起伏變化。

工程地質BIM。利用自主研發的三維地質建模軟件，基于層位標定，實現鉆孔分層信息的快速解譯，經過邊界圈定、空間插值與擬合計算，可快速高效地生成透鏡體模型，構建整個場地的地質體模型和立方網模型。

巖土工程設計BIM方面，應用放樣法、拉伸法和模型交切方法，快速生成了錨桿、基坑擋墻、樁基礎等巖土工程設計BIM模型。

4.4 集成效果

在自主研發的三維可視化平臺中，實現了勘察BIM模型的集成（如圖3所示），對場地內空間關系進行了三維精細模擬，包括地上地下建構筑物（地上建筑、基坑邊坡及支護、地質模型、鉆孔、樁基礎、管網、場地周邊地下建筑及基礎、隧道及地下車站等）的空間形態及屬性信息等。勘察BIM還實現了復雜交互地層的準確高效模擬，精確刻畫了砂泥巖互層尖滅、透鏡體等地質現象。

圖3 模型集成效果圖Fig.3 Integrated effect of models

4.5 應用分析

在三維模型基礎上，開展了虛擬鉆孔、勘察方案比選、空間量測、基坑虛擬開挖、模型切割、碰撞檢測等可視化分析應用（如圖4所示），直觀輔助了各類實際地質問題的解決。勘察BIM模型還可導出到專業計算軟件中進行數值模擬分析，提供專題分析結果。

圖4 可視化分析Fig.4 Visualization analysis

5 結語

將BIM技術應用到中心城區超高層建筑勘察工作中，實現了對建筑、地形、地下管線、相鄰建構筑物基礎、鉆孔、剖面、地質體、巖土設計等多類型空間數據的集成展示和可視化分析。在對復雜地下空間關系的精確刻畫的基礎上，輔助中心城區超高層建筑巖土工程地質問題的交流和分析，實現工程地質信息的共享和流通。BIM技術在重慶塔項目中的成功應用，也證明了該技術路徑的可行性和實用性，有效節約了社會資源，保障了工程建設安全。