文｜魏志云 王國(guó)光

BIM技術(shù)是創(chuàng)建并利用數(shù)字模型對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)管理的協(xié)同工作過程。BIM的實(shí)施避免了信息孤島的存在，有效提高效率、節(jié)省資源、降低成本，實(shí)現(xiàn)綠色科技與建筑融合的目標(biāo)。2015年6月，國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，將BIM應(yīng)用提升到了國(guó)家層面。BIM在建筑行業(yè)的發(fā)展已蔚然成風(fēng)，同時(shí)也深刻影響著工程界的其他行業(yè)。

近年來，巖土勘察項(xiàng)目大幅增多，尤其大型的巖土勘察項(xiàng)目不斷涌現(xiàn)，如大型橋梁、地鐵、隧道、大型化工廠等，這對(duì)巖土工程勘察三維成圖和計(jì)算分析的要求越來越高。目前國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)多種三維地質(zhì)建模軟件，比較有影響的有GoCAD、GeoEngine、GeoMo3D，但針對(duì)巖土工程領(lǐng)域而建立的地質(zhì)三維軟件并不多，對(duì)巖土勘察項(xiàng)目中巖土層多且薄以及尖滅、透鏡等地質(zhì)體發(fā)育現(xiàn)象不能很好支持。如何開發(fā)利用現(xiàn)有BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)巖土體與工程對(duì)象的空間耦合，加強(qiáng)巖土工程勘察成果的表達(dá)能力，并將巖土工程勘察融入工程全生命周期管理進(jìn)程中，是值得研究的課題。

華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院（以下簡(jiǎn)稱“華東院”）業(yè)務(wù)范圍涵蓋水利水電、新能源、市政、交通、工民建等領(lǐng)域，目前開發(fā)了地質(zhì)三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)GeoStation，該系統(tǒng)已在水利水電行業(yè)取得廣泛應(yīng)用。隨著華東院巖土項(xiàng)目的不斷增多，對(duì)巖土三維勘察設(shè)計(jì)軟件有極大的內(nèi)在需求?；谌A東院三維設(shè)計(jì)主平臺(tái)MicroStation提供工程各類數(shù)據(jù)的三維可視化、動(dòng)態(tài)展示、空間屬性計(jì)算、超限預(yù)警等分析手段，以及開發(fā)GeoStation的成功經(jīng)驗(yàn)，2013年啟動(dòng)了系統(tǒng)研發(fā)，經(jīng)過長(zhǎng)期調(diào)研和開發(fā)，研制出巖土三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)——GeoStation for City。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)管理、三維建模與分析、輔助繪圖、查詢統(tǒng)計(jì)、計(jì)算分析等模塊構(gòu)成，組成框架如圖1所示。

城市地鐵建設(shè)是當(dāng)前城市建設(shè)的熱點(diǎn)，大量工程實(shí)踐表明，地質(zhì)條件分析結(jié)果的準(zhǔn)確性是決定城市地鐵規(guī)劃與建設(shè)成敗的重要因素之一。為了更好地將GeoStation for City服務(wù)城市地鐵，對(duì)杭州地鐵4號(hào)線南星橋站臺(tái)進(jìn)行三維地層建模，并將三維剖面與二維鉆孔剖面結(jié)果連線進(jìn)行對(duì)比分析，得出二者地層劃分基本趨于一致，三維地層延展性更好等結(jié)論。該研究成果可為地鐵站三維可視化研究提供一種借鑒。

系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

圖1 GeoStation for City系統(tǒng)組成框架

圖2 尖滅示意圖

圖3 透鏡體示意圖

圖4 鉆孔二維智能連線線框效果圖

圖5 鉆孔二維智能連線填充效果圖

圖6 南星橋站地理位置圖

圖7 南星橋站結(jié)構(gòu)平面圖

鉆孔三維地層自動(dòng)建模技術(shù)。對(duì)于根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)生成地層面進(jìn)而生成地質(zhì)體的方法研究的學(xué)者比較多，并且大多數(shù)都是對(duì)鉆孔土層分界面的高程進(jìn)行處理，得到各個(gè)土層面，再通過面與面的剪切、縫合運(yùn)算得到最終的地質(zhì)體。

為了使地層建模過程更加簡(jiǎn)單，應(yīng)用更加方便，本文提出一種新的建模思路，沒有用到面與面的剪切和縫合運(yùn)算，而是先建立鉆孔區(qū)地層實(shí)體，然后利用鉆孔數(shù)據(jù)建立地層網(wǎng)格面，直接利用三維面剪切體技術(shù)，從上至下依次將地層實(shí)體切分，從而最終實(shí)現(xiàn)鉆孔三維地層有序建模。該技術(shù)能較好處理尖滅、透鏡體等特殊地層，基本滿足實(shí)際工程需要。圖2、3分別是尖滅、透鏡體示意圖。

鉆孔二維智能連線技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)鉆孔之間地層界線的自動(dòng)連接，從各種地層結(jié)構(gòu)中抽象出地層連續(xù)分布、地層透鏡體、地層間斷缺失和地層尖滅等四種地層空間分布類型，分別用不同的連線規(guī)則進(jìn)行連接處理。

鉆孔地層連線時(shí)，可根據(jù)MicroStation軟件提供的B樣條繪制方法對(duì)地層連線進(jìn)行圓滑處理，效果更美觀，其連線效果如圖4所示。連線完成后，把相鄰鉆孔之間，上下相鄰地層界線之間具有相同屬性的地層區(qū)域使用MicroStation軟件提供的泛填充方法填充為地層面，并在面的中心位置標(biāo)注地層編號(hào)，其填充效果如圖5所示。至此，完成了二維剖面鉆孔地層智能連線。

三維應(yīng)用實(shí)例

南星橋站是杭州地鐵4號(hào)線一期工程與遠(yuǎn)期5號(hào)線的換乘站，位于杭州市上城區(qū)錢江路與飛云江路交叉路口，4號(hào)線沿錢江路東西向敷設(shè)，5號(hào)線沿飛云江路南北向敷設(shè)，地理位置以及結(jié)構(gòu)平面圖分別如圖6以及圖7所示。

車站西北側(cè)為新建鳳凰城小區(qū)，西南側(cè)為贊成太和廣場(chǎng)高層公建，東南側(cè)為太和廣場(chǎng)的舊售樓中心，東北側(cè)為2層左右的臨時(shí)建筑以及年代較為久遠(yuǎn)的鳳凰南苑多層建筑群。

地質(zhì)條件分析。經(jīng)地層勘測(cè)研究，結(jié)果表明工程區(qū)沿線地貌屬于沖海積沉積平原，地勢(shì)開闊較平坦，第四紀(jì)地層發(fā)育，厚度較大，且層位較穩(wěn)定，從上更新世至全新世地層發(fā)育齊全。主要成因類型有河流相、沖海相及海相等，從老到新是由一套陸相堆積～海陸交替堆積～海相堆積地層組成。因此不存在滑坡、危巖和崩塌、泥石流、采空區(qū)等不良地質(zhì)作用。

地震地質(zhì)調(diào)查與資料研究結(jié)果表明，擬建場(chǎng)區(qū)大地構(gòu)造隸屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)錢塘江臺(tái)褶帶的余杭～嘉興臺(tái)陷東北端，浙西北大復(fù)向斜的翼部，區(qū)內(nèi)以斷裂構(gòu)造為主，褶皺不明顯。綜合上述，工程區(qū)地屬較穩(wěn)定場(chǎng)地，適宜建造本工程地鐵車站建（構(gòu)）筑物。

三維建模。基于GeoStation for City巖土三維勘察設(shè)計(jì)平臺(tái)鉆孔三維地層自動(dòng)建模技術(shù)，并結(jié)合勘測(cè)得到的大量鉆孔數(shù)據(jù)形成了鉆孔數(shù)據(jù)模型，所建模型如圖8所示。并在鉆孔數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，最終快速、高效的實(shí)現(xiàn)了南星橋站附近鉆孔三維地層有序模型的創(chuàng)建，地層模型如圖9所示。在地層模型圖中，不同地層用不同色塊表示，兩色塊交界面即為地層界面。在形成地層界面過程中，由于軟件采用的是克里金插值算法，并借助TIN三角網(wǎng)技術(shù)擬合而成，因此地層界面過渡平滑、自然，尖滅、透鏡體等特殊地層得到了較好處理。

二維出圖。在GeoStation for City巖土三維勘察設(shè)計(jì)平臺(tái)上，對(duì)創(chuàng)建的地鐵站地層三維模型進(jìn)行了切片處理，最終得到了該切面三維垂直勘探剖面圖，剖面圖效果如圖10所示。圖中，程序自動(dòng)對(duì)不同地層進(jìn)行了編號(hào)標(biāo)注，同時(shí)還做了填充渲染，形成了直觀、生動(dòng)、逼真的地層剖面效果圖。圖11則為直接利用鉆孔數(shù)據(jù)形成的二維垂直勘探剖面圖，與三維垂直勘探剖面圖形成了對(duì)比驗(yàn)證。從圖中可以看出，兩者形成的剖面圖在層序、層頂?shù)酌嫘螒B(tài)以及尖滅位置大致上相當(dāng)，只有少部分存在微小差異，這一現(xiàn)象驗(yàn)證了巖土三維勘察設(shè)計(jì)平臺(tái)所創(chuàng)建的地質(zhì)模型準(zhǔn)確、可靠。此外，觀察三維垂直勘探剖面圖，可以發(fā)現(xiàn)其地層具有更好的連續(xù)性，層與層之間過渡平滑，沒有突變現(xiàn)象的發(fā)生，更加接近于真實(shí)的地層巖土數(shù)據(jù)。

圖8 鉆孔模型

圖9 南星橋站三維地層模型

圖10 Ⅳ-Ⅳ’ 三維垂直勘探剖面圖

圖11 Ⅳ-Ⅳ’ 二維垂直勘探剖面圖

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。相對(duì)于水電項(xiàng)目而言，巖土項(xiàng)目建設(shè)周期較短，因此巖土項(xiàng)目具有工期緊、工序精細(xì)等特點(diǎn)。這直接帶給設(shè)計(jì)人員的挑戰(zhàn)就是要在最短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的錄入、處理以及出圖工作，而大量數(shù)據(jù)的手工錄入以及處理過程相當(dāng)繁瑣，并且容易出錯(cuò)。

表1 南星橋站參數(shù)建議值表

為解決上述巖土項(xiàng)目上碰到的困局，減輕設(shè)計(jì)人員工作量，提高數(shù)據(jù)處理效率，減少錯(cuò)誤出現(xiàn)的機(jī)率，GeoStation for City在數(shù)據(jù)入庫(kù)和數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口上增加了更多的便捷工具，導(dǎo)出統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能就是其中一項(xiàng)重要內(nèi)容。

導(dǎo)出統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能將數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中的數(shù)據(jù)按照指定要求，以一定的格式導(dǎo)出到Excel表格中，成倍的提高了數(shù)據(jù)錄入以及輸出的效率。統(tǒng)計(jì)報(bào)表包括地層統(tǒng)計(jì)表、靜力觸探表、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)表、動(dòng)力觸探表、扁鏟試驗(yàn)表等，這些成果統(tǒng)計(jì)可為設(shè)計(jì)人員提供參數(shù)建議值。通過以上成果統(tǒng)計(jì)得出參數(shù)建議值表，如表1所示。

三維綜合場(chǎng)景。對(duì)南星橋站的地鐵結(jié)構(gòu)、地面建筑和地質(zhì)三維模型進(jìn)行合成，得到綜合展示圖，如圖12所示。通過綜合展示，各個(gè)建筑物、地鐵結(jié)構(gòu)和地質(zhì)體的位置關(guān)系清晰可見，并且可以通過局部放大、剖切等功能，了解地鐵路線路穿透的地層性質(zhì)，便于工程師及時(shí)處理軟弱地層等特殊地層，為工程設(shè)計(jì)提供有力支撐。

基于MicroStation平臺(tái)，華東院研究開發(fā)了巖土三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)GeoStation for City，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)框架、關(guān)鍵技術(shù)和地鐵應(yīng)用。目前GeoStation for City遵循“一個(gè)平臺(tái)、一個(gè)模型、一個(gè)數(shù)據(jù)架構(gòu)”的理念，在實(shí)際工程中大大提高了巖土勘察三維協(xié)同設(shè)計(jì)效率。

首先，GeoStation for City數(shù)據(jù)庫(kù)中包含巖土勘察、土工試驗(yàn)、地球物理勘探、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、施工地質(zhì)等工程綜合信息，使項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)和各專業(yè)團(tuán)隊(duì)都能遠(yuǎn)程獲取和共享最新工程數(shù)據(jù)，幫助各方工程參與人員及早發(fā)現(xiàn)和快速分析工程施工技術(shù)與安全問題，為工程動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、消除工程風(fēng)險(xiǎn)提供可信的決策依據(jù)。

其次，GeoStation for City在數(shù)據(jù)綜合、鉆孔三維地層建模和鉆孔二維智能連線等關(guān)鍵技術(shù)上的突破，使得該軟件具有實(shí)用性強(qiáng)、真三維、操作便捷的特點(diǎn)。利用三維地層建模技術(shù)得到地層數(shù)據(jù)所具有的優(yōu)點(diǎn)在于研究者能在不用部署大量鉆孔情況下，就能獲取任意感興趣地層剖面數(shù)據(jù)，達(dá)到了解地層的目的。即能從多方位、多角度、多途徑獲取多層次、大批量關(guān)鍵工程數(shù)據(jù)，為工程決策提供了科學(xué)、專業(yè)以及強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

第三，GeoStation for City在杭州地鐵4號(hào)線上的成功應(yīng)用，進(jìn)一步檢驗(yàn)軟件的適用性。通過三維建模剖切面與二維鉆孔連線比對(duì)，發(fā)現(xiàn)二者基本趨于一致，說明三維地層建模技術(shù)能將空間地層進(jìn)行合理劃分，對(duì)于尖滅、透鏡體等特殊復(fù)雜地層也能進(jìn)行有效處理。

盡管巖土三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)在三維地層建模上取得重大突破，但是在城市三維場(chǎng)景應(yīng)用、BIM技術(shù)結(jié)合等方面有待進(jìn)一步研究。下一步將從巖土高級(jí)計(jì)算、地鐵保護(hù)、城市地質(zhì)等領(lǐng)域拓展，實(shí)現(xiàn)城市地下空間合理利用。

圖12 三維模型綜合展示圖