張國明

（新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000）

近年來隨著建筑信息模型（BIM）的發(fā)展，土木工程行業(yè)對BIM 技術(shù)提出了相應(yīng)的要求，尤其在地面建筑行業(yè)，而在巖土工程勘察領(lǐng)域，BIM 技術(shù)的發(fā)展相對緩慢。在設(shè)計行業(yè)BIM 技術(shù)的特點在于參數(shù)化，其各種建筑結(jié)構(gòu)可以由形狀規(guī)則的構(gòu)件組成，基于參數(shù)進行驅(qū)動，可以三維化、動態(tài)化，而地下各種巖土體的形狀無規(guī)則，采用參數(shù)化建模非常困難。想要將地質(zhì)勘察專業(yè)BIM 化、三維化、動態(tài)化，其過程比設(shè)計專業(yè)復(fù)雜的多，地質(zhì)模型建立后不僅只是提供給業(yè)主展示，還要能提供給設(shè)計人員進行建基面開挖、土方計算。

本文基于Civil 3D 土木工程軟件建立三維地質(zhì)模型[1-3]，Civil 3D 對CAD 有很好的繼承性，對建筑領(lǐng)域常用的Revit支持性強，但其三維地質(zhì)建模能力較弱，Geotechnical Module 插件是Keynetix 公司開發(fā)的增強其地質(zhì)建模功能的插件，很好的完善了Civil 3D地質(zhì)建模能力的不足。

地質(zhì)建模數(shù)據(jù)主要為鉆孔、探坑數(shù)據(jù)，勘探工作一般按規(guī)范要求按一定間距布置勘探點，勘探點密度相較與地形高程點數(shù)據(jù)量較為稀疏，隨著勘探階段的推進數(shù)據(jù)也逐步增多。

1 工程概況

某新建電廠架構(gòu)區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣，石河子市以北，屬瑪納斯河沖積、洪積平原中下部，地形南高北低，地勢平緩，地形平坦開闊，起伏變化不大，海拔高程386.3～389.5 m。主要構(gòu)筑物為輸變電架構(gòu)，擬采用獨立基礎(chǔ)。

根據(jù)架構(gòu)柱的布置，按詳勘階段勘察要求在場地中布置了20個鉆孔，鉆孔深度分別為10 m、15 m。

根據(jù)鉆孔揭露其地層如下：①雜填土，厚度0.40～1.20 m，雜色、土黃色，以煤炭、碎石為主，含大量植物根系，松散、干燥。②粉土、粉質(zhì)粘土互層，黃色，埋深0.40～1.20 m，厚為0.50～5.60 m，東薄西厚，濕-飽和，稍密，搖震反應(yīng)中等，無光澤，干強度、韌性低。上部含少量植物根系。③圓礫，青灰色，松散-稍密，場地處分布連續(xù)，埋深1.3～7.5 m，厚度3.00～8.90 m，該層最大可見粒徑60 mm，骨架顆粒5～20 mm，其含量超過50%，顆粒多呈次棱角形，中粗砂充填，級配較好，分選性差。③-1 粉細(xì)砂：青灰色，飽和，稍密，砂質(zhì)純凈，于場地中以透鏡體存在，厚度0.50～3.20 m。③-2 中砂，青灰色，飽和，稍密，砂質(zhì)純凈，于場地中以透鏡體存在。⑤粉質(zhì)粘土，灰黃色、灰黑色，分布較穩(wěn)定，飽和，中密狀，埋深9.4～12.4 m，厚度2.00～9.70 m。

2 勘察數(shù)據(jù)處理

2.1 地形數(shù)據(jù)處理

一般根據(jù)測繪專業(yè)提供的地形圖生成地形曲面，對DWG 地形圖清理與地形無關(guān)圖元，可使用等高線、高程點等創(chuàng)建曲面，其方法較多，各種資料介紹也較多，在此不再詳述。

2.2 工程地質(zhì)數(shù)據(jù)處理

Geotechnical Module 插件中的Data Management模塊主要是數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入、導(dǎo)出，支持Hole BASE SI 的數(shù)據(jù)庫和CSV 文件，一般采用CSV 文件?；緮?shù)據(jù)由2 個文件組成，分別為Location Detail.csv、Field geological Descriptions.csv。其中Location De?tail.csv 是鉆孔的平面位置文件，保存鉆孔的孔口坐標(biāo)、高程等信息；Field geological Descriptions.csv 主要保存每個鉆孔的分層數(shù)據(jù)。

Location Detai.csv（鉆孔的平面位置文件）文件格式為每個鉆孔為1 行，共6 列，分別代表鉆孔的編號、類型、X 坐標(biāo)、Y 坐標(biāo)、孔口高程、孔深。根據(jù)文件格式分別錄入20個勘探鉆孔的平面數(shù)據(jù)。

Field geological Descriptions.csv（鉆孔地層文件）文件中每一地層為一行，一個鉆孔有幾層就輸入幾行，第一列為鉆孔編號，與Location Detail.csv文件的標(biāo)號一致，第二列表示地層的層頂深度，第一層層頂為0，其余地層不能為0；第三列表示地層的層底深度，最后一層的層底深度即為鉆孔深度。上一層的層底深度要與下一層的層底深度一致，否則會報錯。第四列為地層的圖例代碼，是插件自帶的圖例代碼，可作為分層標(biāo)簽，第五列為地質(zhì)代碼，可作為分層標(biāo)簽。第六、第七列與第五列類似，采用不同分層標(biāo)注代碼，對第四、五、六、七列不必全部輸入，但至少要輸入一列。

Civil 3D是曲面建模，采用自上而下逐層建模的方法。因為不是每一個鉆孔都能揭露場地的全部地層，有些地層是以透鏡體形式存在的，為了建模方便，對于場地中所有鉆孔揭露的地層進行統(tǒng)計，按地質(zhì)規(guī)律建立自上而下的層序，即全部地層的標(biāo)準(zhǔn)層序，并編制地層唯一序號。層底深度減去層頂深度代表層厚，層頂、層底深度相同代表厚度為零，對于某鉆孔中未揭露到的地層可按層頂、層底深度相同錄入處理。經(jīng)這樣處理后的所有鉆孔將有相同的地層分布，按處理后的鉆孔地層數(shù)據(jù)錄入生成Field geological Descriptions.csv文件。

3 生成地質(zhì)模型

利用Geotechnical Module 插件建立工程數(shù)據(jù)庫，并導(dǎo)入Location Detail.csv、Field geological De?scriptions.csv 文件，生成三維地質(zhì)鉆孔柱狀模型。Geotechnical Module 插件 的Asset Management 模塊Stratac按鈕，進行地質(zhì)曲面的快速生成，需要選擇曲面標(biāo)識為Geology Code，注意要勾選生成地層的頂、底曲面，以便剖切剖面的順利填充。生成后可利用Civil 3D自身功能菜單調(diào)正修改曲面樣式，通過動態(tài)觀察器旋轉(zhuǎn)不同角度查看地質(zhì)曲面。

4 三維地質(zhì)模型驗證

利用勘察數(shù)據(jù)建立的模型直觀的反應(yīng)了場地的地層分布情況，為驗證地質(zhì)建模結(jié)果的準(zhǔn)確性，對三維模型通過剖切生成地質(zhì)剖面圖（圖1），與勘察報告中地質(zhì)工程師人工繪制的剖面（圖2）進行相應(yīng)對比。

從圖1、圖2中可以看出，基于鉆孔勘探數(shù)據(jù)建立的地質(zhì)模型可以較好的展示地層，在勘探點處兩圖的地層分層信息一致，對第三層粉細(xì)砂透鏡體均能反應(yīng)其趨勢，但其尖滅位置不同，勘察報告剖面由地質(zhì)工程師根據(jù)地質(zhì)規(guī)律及經(jīng)驗手工尖滅在兩鉆孔中間位置，地質(zhì)模型其根據(jù)插值尖滅在相鄰鉆孔厚度為零的位置。雖然其尖滅位置不同，但從整體看三維地質(zhì)模型能夠較為準(zhǔn)確的表現(xiàn)地層的分布。

圖1 模型剖切地質(zhì)剖面

圖2 勘察報告剖面

5 模型的精細(xì)化調(diào)整

由于2 種方式形成的剖面在勘探孔處地層一致，在透鏡體推測尖滅處不一致，地質(zhì)勘察工作是由各勘探點經(jīng)地質(zhì)經(jīng)驗推測形成地質(zhì)剖面，由各地質(zhì)剖面形成整個場地的地質(zhì)情況，說明準(zhǔn)確的勘察才能建立準(zhǔn)確的模型。對這種不同可以采用在地質(zhì)工程師推斷的尖滅位置放置虛擬鉆孔的形式解決，在虛擬孔中使透鏡體厚度為零，在后期加入虛擬鉆孔后透鏡體尖滅位置一致。這也說明建模工作離不開地質(zhì)工程師繪制的地質(zhì)剖面，通過地質(zhì)工程師繪制主要剖面控制整個場地的地層趨勢就可較為準(zhǔn)確的建立地質(zhì)模型，而通過地質(zhì)模型任意剖切剖面又可以極大的減少地質(zhì)工程師繪制剖面的工作。

6 三維地質(zhì)模型的應(yīng)用

通過建立的地質(zhì)曲面模型可方便的進行地質(zhì)剖面任意剖切、不同類別土石方計算、與設(shè)計專業(yè)BIM協(xié)同等。

6.1 任意剖切剖面

使用Geotechnical Module 插件的剖切功能，實現(xiàn)對地質(zhì)模型的任意剖切。以往勘察工作是按照設(shè)計建筑物的布置勘探工作并繪制工程地質(zhì)剖面，如建筑物進行了平面調(diào)整但未超出勘察范圍，需要重新繪制剖面圖，費時費力。建立地質(zhì)模型后可以很快的任意剖切剖面。設(shè)計人員通過模型也可以更好的理解場地的地質(zhì)條件。

6.2 開挖算量

結(jié)合Civil 3D 在土木工程中強大的設(shè)計縱斷面功能，可以在設(shè)計斷面中加入各地層曲面的相關(guān)內(nèi)容，以往縱橫段面圖只有原始地面線和設(shè)計線，現(xiàn)在可加入地層分界線；通過土方計算功能可以計算挖方總量中不同地層的方量，根據(jù)不同開挖等級賦予不同材質(zhì)，其不同土石分級計算更準(zhǔn)確，利用Civil 3D 生成土方報告。

6.3 多專業(yè)協(xié)同

通過Civil 3D 的“從曲面提取實體功能”，可以方便的根據(jù)地層頂、底面建立三維地質(zhì)實體，地質(zhì)實體可導(dǎo)入Revit 中，設(shè)計專業(yè)在Revit 中可根據(jù)地質(zhì)體進行基礎(chǔ)設(shè)計、基坑開挖等，地質(zhì)信息與上部建筑信息的融合，實現(xiàn)勘察、設(shè)計、建筑等多專業(yè)的BIM協(xié)同。

7 結(jié)語

利用Geotechnical Module 插件在Civil 3D 進行地質(zhì)建模是完全可行的，插件的使用很簡單，軟件可自動生成地層簡單、連續(xù)的地質(zhì)模型，透鏡體較多、層序復(fù)雜的地層需要地質(zhì)工程師根據(jù)地質(zhì)經(jīng)驗增加虛擬孔或?qū)︺@孔間進行地質(zhì)插值，才能建立準(zhǔn)確的地質(zhì)模型。說明準(zhǔn)確的勘察才能建立準(zhǔn)確的模型，建模工作離不開地質(zhì)工程師繪制的地質(zhì)剖面，通過地質(zhì)工程師繪制主要剖面控制整個場地的地層趨勢就可較為準(zhǔn)確的建立地質(zhì)模型，而通過地質(zhì)模型任意剖切剖面又可以極大的減少地質(zhì)工程師繪制剖面的工作。

常規(guī)的地質(zhì)建模軟件缺乏數(shù)值計算分析能力，研究地質(zhì)模型在數(shù)值計算方面的應(yīng)用是地質(zhì)模型研究的方向之一，將地質(zhì)模型導(dǎo)入數(shù)值計算模型直接進行數(shù)值分析計算將大大節(jié)約數(shù)值計算的建模時間。

隨著BIM技術(shù)的發(fā)展將產(chǎn)生更多的地質(zhì)建模方式，使單一項目的地質(zhì)模型匯成巖土工程大數(shù)據(jù)，基于巖土大數(shù)據(jù)的工程應(yīng)用是未來發(fā)展的潮流。