冀東，翟月，劉元賢，卞立民，石東方，呂鳳華

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島巖土工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266032)

1 引 言

在新一輪科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革中，信息化與建筑業(yè)的融合發(fā)展已成為建筑業(yè)發(fā)展的方向，并將對(duì)建筑業(yè)發(fā)展帶來戰(zhàn)略性和全局性的影響。建筑信息模型(Building Information Modeling，以下簡(jiǎn)稱“BIM”)技術(shù)是目前建筑三維虛擬化主要的信息技術(shù)，能夠應(yīng)用于工程規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)制造、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)等各階段，實(shí)現(xiàn)建筑全生命期各參與方和環(huán)節(jié)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)共享及協(xié)同，是實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、促進(jìn)綠色建筑發(fā)展、提高建筑業(yè)信息化水平和推進(jìn)智慧城市建設(shè)的基礎(chǔ)性技術(shù)[1]。BIM技術(shù)的深入應(yīng)用和發(fā)展，將有利于整合設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)維等整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，有利于建筑業(yè)生產(chǎn)組織模式創(chuàng)新，有利于市場(chǎng)資源合理配置，有利于推動(dòng)行業(yè)創(chuàng)新變革[2]。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2016年發(fā)布的《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中對(duì)于工程勘察信息化發(fā)展提出了明確的要求和指導(dǎo)意見[3]。勘察設(shè)計(jì)企業(yè)需加快BIM普及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)勘察設(shè)計(jì)技術(shù)升級(jí)。在工程項(xiàng)目勘察中推進(jìn)基于BIM技術(shù)的數(shù)值模擬、空間分析和可視化表達(dá)，研究構(gòu)建支持異構(gòu)數(shù)據(jù)和多種采集方式的工程勘察信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)工程勘察信息的有效傳遞和共享(如圖1所示)。

目前，BIM技術(shù)的應(yīng)用仍主要局限于建筑與機(jī)電等專業(yè)，仍有很多強(qiáng)大的功能尚未實(shí)現(xiàn)。另外，BIM軟件本地化族資源較少。在巖土工程勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域中勘察成果仍多以二維圖紙表現(xiàn)為主，BIM技術(shù)的應(yīng)用尚屬于起步階段。如何將BIM技術(shù)應(yīng)用在勘察設(shè)計(jì)中，尤其是城市軌道交通的勘察設(shè)計(jì)工作中，實(shí)現(xiàn)巖土工程地質(zhì)勘察成果的三維可視化及地下空間工程信息的整合與多方面應(yīng)用，并與其他專業(yè)進(jìn)行多專業(yè)BIM協(xié)同合作是當(dāng)前巖土工程研究的重點(diǎn)方向[4]。因此，本文基于青島市地鐵6號(hào)線一期工程富春江路站巖土工程勘察項(xiàng)目開展了BIM技術(shù)應(yīng)用與三維地質(zhì)體模型構(gòu)建研究，對(duì)BIM技術(shù)于青島地鐵勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的應(yīng)用研究案例進(jìn)行介紹。

圖1 BIM技術(shù)于建筑全生命周期信息共享與傳遞中的應(yīng)用

2 巖土工程勘察BIM的實(shí)現(xiàn)途徑分析

2.1 巖土工程勘察BIM的特點(diǎn)

巖土工程勘察，是指根據(jù)建設(shè)工程的要求，查明、分析、評(píng)價(jià)建設(shè)場(chǎng)地的地質(zhì)、地理環(huán)境特征和巖土工程條件并提出合理的地基基礎(chǔ)建議，編制建設(shè)工程勘察文件的活動(dòng)。在作業(yè)模式上，巖土工程與關(guān)聯(lián)專業(yè)之間有迥然的差異，關(guān)聯(lián)專業(yè)是為建造提供依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的過程，而巖土工程則是利用工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、物探、試驗(yàn)等手段獲得有限信息、對(duì)不規(guī)則地質(zhì)結(jié)構(gòu)的推演以及對(duì)其工程特性的評(píng)估并為關(guān)聯(lián)專業(yè)提供實(shí)施依據(jù)的過程[5]。因此，巖土工程BIM不僅僅是模型的建立，還包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集匯總、分析評(píng)價(jià)以及與關(guān)聯(lián)專業(yè)相互交換的過程。

國(guó)際上建筑行業(yè)BIM技術(shù)及其應(yīng)用僅限于上部結(jié)構(gòu)而不包含地質(zhì)體，其內(nèi)在原因是巖土工程BIM技術(shù)運(yùn)用不確定因素過多，難度較大，與上部結(jié)構(gòu)BIM相比，在幾乎所有核心要素方面都存在本質(zhì)差別。以其中的三維建模環(huán)節(jié)為例，表1給出了二者在所依賴的基礎(chǔ)理論、操作方式、工作對(duì)象等方面存在的差別。

建筑結(jié)構(gòu)BIM與巖土工程BIM的差異 表1

2.2 軟件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)階段，市面上常用的BIM軟件包括Autodesk Revit、AECOsim building designer與Autodesk Civil 3D。上述軟件于巖土工程勘察設(shè)計(jì)BIM具體操作與成體系成熟應(yīng)用層面尚屬于探索研究階段。住建部發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》為巖土工程BIM的架構(gòu)提出了指導(dǎo)性方向。根據(jù)指導(dǎo)意見，巖土工程勘察設(shè)計(jì)BIM的實(shí)現(xiàn)需要四大類軟件：

(1)工程勘察階段基礎(chǔ)性工作中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括測(cè)量數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、勘探點(diǎn)布置、層序檢查、成果導(dǎo)出等功能。

(2)基于鉆探和物探結(jié)果的三維地質(zhì)建模軟件，該軟件要求建模操作便捷，能夠展現(xiàn)尖滅及透鏡體等復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠批量二維出圖。

(3)巖土工程分析軟件，包括地基承載力、極限平衡計(jì)算、土石方量計(jì)算等功能。

(4)巖土工程設(shè)計(jì)軟件，包括開挖場(chǎng)地形態(tài)設(shè)計(jì)、場(chǎng)坪設(shè)計(jì)等功能。

本文主要關(guān)注的是三維地質(zhì)體BIM模型構(gòu)建方法的研究。

3 基于BIM的三維地質(zhì)體模型構(gòu)建技術(shù)

地質(zhì)體BIM模型本質(zhì)上是一種三維模型。傳統(tǒng)的三維地質(zhì)體模型主要包括兩種表達(dá)模式，一類是基于面表示的數(shù)據(jù)模型，如格網(wǎng)結(jié)構(gòu)(Grid)、不規(guī)則三角形格網(wǎng)(TIN)等，這類數(shù)據(jù)模型不能夠真實(shí)地再現(xiàn)地下地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，同時(shí)難以支撐GIS等相關(guān)空間分析功能。另一類是基于體表示的數(shù)據(jù)模型，如3D柵格、三棱柱(TP)、廣義三棱柱(GTP)等，這類數(shù)據(jù)模型便于掛接地質(zhì)體屬性和便于儲(chǔ)存，但是需要耗費(fèi)大量的儲(chǔ)存空間，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求很高[6～8]。本文在研究了傳統(tǒng)三維地質(zhì)體模型的構(gòu)建方法后，將BIM技術(shù)與傳統(tǒng)的三維地質(zhì)體構(gòu)建思想進(jìn)行融合，提出了基于“點(diǎn)—面—體”基本思想的BIM三維地質(zhì)體模型構(gòu)建技術(shù)，其技術(shù)流程圖如圖2所示[9]。

圖2 三維地質(zhì)體BIM模型構(gòu)建流程圖

3.1 勘察鉆孔BIM模型構(gòu)建

鉆孔BIM模型的構(gòu)建主要是完成三棱柱模型中點(diǎn)的提取。由于地質(zhì)勘察鉆孔的專業(yè)特殊性，現(xiàn)有BIM軟件的族庫中不包含鉆孔族；為此，參照《青島市區(qū)第四系層序劃分》標(biāo)準(zhǔn)地層，根據(jù)其工程特性制作了18個(gè)地質(zhì)層鉆孔族。

在獲取了鉆孔族后，根據(jù)巖土層特性的不同，提取出鉆孔中所包含的地層數(shù)量，確定每一個(gè)地層的層序編號(hào)及每一地層的厚度，然后根據(jù)地質(zhì)層編號(hào)調(diào)用不同的鉆孔族；根據(jù)其厚度信息確定鉆孔族的長(zhǎng)度，然后依據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)將這些不同地層的鉆孔族有序連接起來，構(gòu)建出鉆孔BIM模型(如圖3所示)。

圖3 勘察鉆孔BIM模型示意圖

3.2 地質(zhì)界面內(nèi)插生成

本文選擇克里金插值算法用于地質(zhì)界面的擬合生成?？死锝鹚惴?，也稱空間自協(xié)方差最佳插值法，是以南非礦業(yè)工程師 D.G.Krige名字命名的一種最優(yōu)內(nèi)插法?？死锝鹚惴ɑ舅枷胧歉鶕?jù)樣本空間位置不同、樣本間相關(guān)程度的不同，對(duì)每個(gè)樣本的屬性賦予不同的權(quán)值，進(jìn)行滑動(dòng)加權(quán)平均，以估計(jì)待插值點(diǎn)的某一屬性。

在對(duì)于x1，x2，……，xn為區(qū)域上一系列的樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)，可得到樣本數(shù)值Z(x1)，Z(x2)，……，Z(xn)，根據(jù)克里金原理，對(duì)于待差值點(diǎn)的數(shù)值Z*(x0)可采用一個(gè)線性組合來估計(jì)，其表達(dá)式為：

(1)

式(1)中，k代表樣本個(gè)數(shù)，α代表樣本點(diǎn)的值，若以無偏性和估計(jì)方差最小作為權(quán)值αk的選取標(biāo)準(zhǔn)，則有：

(2)

式(2)中，E代表均值，Var代表方差。根據(jù)上述條件并結(jié)合拉格朗日乘數(shù)法求條件極值，可以得到αk。具體計(jì)算原理與步驟可參考文獻(xiàn)[10]～文獻(xiàn)[11]，本文不再贅述。

將所有鉆孔提取出地質(zhì)層厚度信息作為樣本數(shù)據(jù)，然后針對(duì)鉆孔范圍進(jìn)行柵格化；根據(jù)克里金原理插值出柵格網(wǎng)中每一個(gè)點(diǎn)的地層厚度信息，進(jìn)而依據(jù)位置及厚度信息構(gòu)建出三角網(wǎng)，最終獲取該地層界面。針對(duì)每一個(gè)地層都做相同處理后，即可獲取多個(gè)地質(zhì)界面的信息。

3.3 地質(zhì)體模型的提取

對(duì)于三棱柱模型，其地質(zhì)體是上下2個(gè)三角面之間的部分，由3個(gè)四邊形與上下2個(gè)三角面圍繞而成。由于地質(zhì)界層的本質(zhì)是不規(guī)則的三角網(wǎng)，由多個(gè)三角形構(gòu)成，同時(shí)對(duì)于每一個(gè)三角形的構(gòu)建都是由鉆孔點(diǎn)構(gòu)成，所以對(duì)于相鄰的地質(zhì)界層，相同位置上2個(gè)三角網(wǎng)直接相連便構(gòu)成了一個(gè)三維地質(zhì)體模型；同理將地質(zhì)界層中每一個(gè)三角形都向相鄰的地質(zhì)界層尋找相對(duì)應(yīng)的三角形并且連接，最終提取出地質(zhì)體模型(如圖4所示)。

圖4 三維地質(zhì)體模型示意圖

4 青島地鐵勘察項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

青島市地鐵6號(hào)線富春江路站為明挖兩層地下車站，車站主體結(jié)構(gòu)位于黃島區(qū)富春江路和江山南路交叉口東北側(cè)的綠化用地范圍內(nèi)，沿江山南路南北方向布置，西側(cè)為江山南路車行道，東側(cè)為東河河道(圖5，虛線范圍內(nèi)為車站位置)。車站長(zhǎng)度約為 118 m，寬度約 11 m；車站軌面埋深約 18 m，軌面標(biāo)高 -10.02 m，總建筑面積約 14 500 m2。車站共設(shè)置3個(gè)出入口，2組風(fēng)亭，2個(gè)安全出入口，1部無障礙電梯和1座消防水池。由于車站位于重要市政道路和綠化帶內(nèi)，受地形和線路的限制，結(jié)合車站地質(zhì)條件、站位布置、周邊交通、管線情況以及基坑安全風(fēng)險(xiǎn)綜合影響，擬采用明挖法施工，基坑支護(hù)方式為灌注樁+鋼管(混凝土)支撐+預(yù)應(yīng)力錨索。

圖5青島地鐵6號(hào)線富春江路站全景圖

圖6富春江路站典型地質(zhì)剖面圖

4.2 三維BIM模型構(gòu)建

選取青島市地鐵6號(hào)線富春江路站周邊區(qū)域內(nèi)的近60個(gè)勘察鉆孔數(shù)據(jù)，在VS2012開發(fā)平臺(tái)上，調(diào)用Autodesk Revit提供的API函數(shù)進(jìn)行二次開發(fā)。按照?qǐng)D1所示的地質(zhì)體BIM模型構(gòu)建流程，對(duì)上述勘察鉆孔進(jìn)行處理，并提取地質(zhì)體BIM模型；依據(jù)《青島市區(qū)第四系層序劃分》標(biāo)準(zhǔn)地層，將不同地層按照不同的紋理進(jìn)行映射，生成了車站場(chǎng)區(qū)地下三維地質(zhì)體模型。

在模型體的構(gòu)建過程中，還綜合考慮了對(duì)后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、土建施工具有影響的場(chǎng)區(qū)各種地上及地下環(huán)境要素。依據(jù)場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)的綜合勘測(cè)資料，將地下市政管線、重要沿線建筑及構(gòu)筑物、地表水系等要素與場(chǎng)區(qū)地下三維地質(zhì)體模型進(jìn)行融合，最終得到了車站周邊場(chǎng)區(qū)的綜合BIM模型如圖7所示。

圖7青島地鐵6號(hào)線富春江路站三維地質(zhì)體BIM模型

在工程地質(zhì)方面，構(gòu)建的地質(zhì)體模型可直觀地展示場(chǎng)區(qū)勘察揭露的第四系地層、基巖各風(fēng)化帶的空間分布；對(duì)地下水分布數(shù)據(jù)、斷裂構(gòu)造及巖脈的發(fā)育產(chǎn)狀及寬度等特殊地質(zhì)信息也進(jìn)行了較為合理的展示分析；通過該模型可以快速查詢所有巖土層的空間展布信息以及巖土設(shè)計(jì)參數(shù)，包括地質(zhì)勘察的取樣、原位測(cè)試、室內(nèi)等細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)也采用短圓柱的方式進(jìn)行了展示，便于快速查詢。

由于模型實(shí)現(xiàn)了勘察成果由面到體的跨越式轉(zhuǎn)換，可大大降低地鐵建設(shè)項(xiàng)目各參建單位之間交流協(xié)作的困難，有效提升勘察、設(shè)計(jì)、施工等工作的效率，縮短出圖時(shí)間；通過綜合考慮對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與土建施工具有重要影響的地上及地下各類要素信息，可以使建設(shè)單位及設(shè)計(jì)單位更加直觀、全面地對(duì)各類項(xiàng)目建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行分析與控制，有利于確保實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目安全、工期、質(zhì)量與成本的預(yù)期目標(biāo)，助力地鐵建設(shè)項(xiàng)目的科學(xué)高效推進(jìn)。

5 結(jié) 語

工程實(shí)踐應(yīng)用成果表明，BIM技術(shù)應(yīng)用于地鐵建設(shè)項(xiàng)目巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作中是可行的，本文的研究成果對(duì)于工程地質(zhì)信息的三維展示處理與勘察設(shè)計(jì)工作的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。但是，鑒于巖土工程BIM有別于建筑結(jié)構(gòu)BIM的特殊性與不確定性，要將BIM技術(shù)完美地應(yīng)用于巖土工程勘察設(shè)計(jì)中，仍有一些技術(shù)難點(diǎn)需要格外關(guān)注：一是地質(zhì)模型中透鏡體、夾層和巖脈等特殊信息的三維立體表達(dá)與空間展布情況為二維勘察成果推測(cè)而來，其準(zhǔn)確的形態(tài)有待進(jìn)一步驗(yàn)證；二是如何快捷地實(shí)現(xiàn)與后期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工、機(jī)電安裝等工程的交互融合、多專業(yè)綜合應(yīng)用的問題。

總體來看，BIM技術(shù)應(yīng)用于巖土工程勘察設(shè)計(jì)是大勢(shì)所趨，其他專業(yè)BIM技術(shù)的整合也是勢(shì)在必行的。隨著應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，新技術(shù)、新設(shè)備的產(chǎn)生，各類技術(shù)難點(diǎn)必將一一攻克。BIM技術(shù)在巖土工程勘察設(shè)計(jì)中廣泛有效的應(yīng)用，將極大地推動(dòng)勘察設(shè)計(jì)行業(yè)的信息化進(jìn)程，改變作業(yè)方式的同時(shí)極大地提升工作效率，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)建筑業(yè)工業(yè)化、信息化、智能化的發(fā)展。