徐 濤，莫 凡，林細(xì)桃，高宗立，彭伯倫，梁 換，蒙相霖

(1.廣西南寧國際空港綜合交通樞紐建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530300；2.中國建筑第八工程局有限公司廣西分公司，廣西 南寧 530300)

0 引言

BIM技術(shù)作為建筑行業(yè)新興技術(shù)，在計(jì)算機(jī)技術(shù)支撐下發(fā)揮強(qiáng)大的功能。但BIM是信息核心，目前呈現(xiàn)出的3D模型只是信息的表達(dá)方式之一[1]，如今該技術(shù)已成功運(yùn)用于房建等行業(yè)，但對(duì)巖溶區(qū)復(fù)雜巖溶地質(zhì)部分的研究相對(duì)較少。近年來為實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)空間信息的管理、集成、地質(zhì)解譯和可視化預(yù)測(cè)及分析，三維地質(zhì)建模技術(shù)興起并得到發(fā)展。如今有基于鉆孔數(shù)據(jù)生成實(shí)體三維模型的算法和基于地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)三維矢量生成的算法，雖然為三維地質(zhì)建模帶來新的技術(shù)手段，但存在一定局限性，即2種算法能快速生成簡(jiǎn)單的三維地質(zhì)模型，卻無法生成復(fù)雜巖溶地質(zhì)模型，更無法準(zhǔn)確表達(dá)巖溶地質(zhì)信息。

如今不少學(xué)者利用BIM技術(shù)對(duì)地質(zhì)建模進(jìn)行相關(guān)研究，劉莉等[2]通過Civil 3D等工具，自地表而下逐層建立三維地質(zhì)體，并整合生成最終的三維地質(zhì)模型，并基于Civil 3D二次開發(fā)建立三維地質(zhì)補(bǔ)充板塊。夏鋒[3]以張掖軌道工程為例，對(duì)地質(zhì)BIM建模由點(diǎn)到面再到體的工作流程進(jìn)行闡述，為地質(zhì)BIM技術(shù)的開發(fā)與完善提供參考。錢睿[4]基于Civil 3D平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)某煤礦廠的地下地質(zhì)建模進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基于 BIM的三維地質(zhì)建模，同時(shí)開發(fā)數(shù)據(jù)交互、區(qū)域均分和空間插值等模塊。

綜上，利用BIM技術(shù)在三維地質(zhì)建模方面的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，且工程所處地區(qū)地貌相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)復(fù)雜巖溶地區(qū)的應(yīng)用較少，缺少適合于復(fù)雜巖溶地區(qū)的三維地質(zhì)建模方法。因此，基于南寧國際空港綜合交通樞紐工程，提出以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的復(fù)雜巖溶地區(qū)三維地質(zhì)模型建立方法，同時(shí)圍繞三維地質(zhì)模型列舉并介紹相關(guān)模型應(yīng)用。

1 工程概況

南寧國際空港綜合交通樞紐工程位于南寧吳圩國際機(jī)場(chǎng)既有T2航站樓前，是廣西第一個(gè)集民航、城際鐵路、公路、城市軌道交通等功能為一體的大型現(xiàn)代綜合交通樞紐，如圖1所示。主要分為地上1,2層，總建筑面積30.5萬m2，其中地下建筑面積27.2萬m2，地下面積占89%，項(xiàng)目建成后將極大完善南寧交通體系。

圖1 工程建設(shè)項(xiàng)目示意

1.1 工程地質(zhì)條件

工程地區(qū)屬于溶蝕平原區(qū)，其中相對(duì)高差3～5m，地形較平坦。上覆第四系更新統(tǒng)黏土、粉質(zhì)黏土、角礫土，一般厚度為10～20m，個(gè)別地段厚約25m，表層黏土中多含角礫，下伏石炭系下統(tǒng)大塘階白云質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r。

1.2 水文地質(zhì)條件

工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水分為上層滯水、基巖裂隙水、巖溶水，其中巖溶水對(duì)工程有較大影響。巖溶水主要賦存于南崇鐵路DK27+650—DK30+150里程段下伏石炭系下統(tǒng)大塘階白云質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r的溶洞、溶隙、溶孔及溶蝕破碎帶中，因附近有地下暗河，巖溶發(fā)育，溶洞、溶隙貫通性好，補(bǔ)給來源較充足，所以地下水水量較豐富，動(dòng)態(tài)變化相對(duì)穩(wěn)定，因此水位變幅波動(dòng)不大。但場(chǎng)區(qū)巖溶區(qū)段的換乘中心工程多位于巖溶水水位以下，施工中易產(chǎn)生涌水、突水現(xiàn)象，且?guī)r溶水對(duì)施工影響大，所以需在施工前準(zhǔn)確預(yù)判當(dāng)前地質(zhì)情況，在施工時(shí)采取適當(dāng)?shù)慕邓?、止水措施，從而減小巖溶水帶來的影響。

結(jié)合工程情況，基于勘察鉆探、物探等勘測(cè)技術(shù)手段，綜合BIM技術(shù)對(duì)復(fù)雜巖溶地區(qū)進(jìn)行三維可視化建模[5]，不僅有利于提高復(fù)雜地質(zhì)模型的精度及準(zhǔn)確性，更有利于建設(shè)者基于模型準(zhǔn)確分析地質(zhì)情況，同時(shí)有效減少巖溶水帶來的影響。

2 三維地質(zhì)模型建模方法

2.1 建模思路

為突破傳統(tǒng)地質(zhì)建模方法在復(fù)雜巖溶地區(qū)表達(dá)不清、實(shí)用性不高的弊端，提出基于Revit平臺(tái)，結(jié)合鉆探、RTK，CASS、電磁波CT、微動(dòng)探測(cè)、高密度電法及水文地質(zhì)試驗(yàn)等技術(shù)，并在多源數(shù)據(jù)相互印證下，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜巖溶地區(qū)三維地質(zhì)建模的方案。主要步驟如下：數(shù)據(jù)采集→多源數(shù)據(jù)相互印證→數(shù)據(jù)整合及轉(zhuǎn)化→數(shù)據(jù)修正及細(xì)化→三維地質(zhì)建模。

2.2 數(shù)據(jù)采集

建模使用的數(shù)據(jù)是在既有地質(zhì)勘探資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)場(chǎng)地復(fù)雜程度、地下工程類別和埋深、斷面尺寸等特點(diǎn)，按照相關(guān)規(guī)范要求布置勘探點(diǎn)。結(jié)合本次工程建模范圍，按10～20m間距進(jìn)行布孔，勘探點(diǎn)按結(jié)構(gòu)輪廓線、承重樁的位置布置，結(jié)構(gòu)角點(diǎn)及出入口與通道、風(fēng)口與風(fēng)道、施工豎井與通道等附屬工程部位有勘探點(diǎn)進(jìn)行控制。巖溶地段遇深大溶洞時(shí)，鉆孔周圍增加鉆孔，以便查明溶洞發(fā)育規(guī)模、形態(tài)及空間展布情況等。若在勘測(cè)中發(fā)現(xiàn)其他不良地質(zhì)、特殊巖土，應(yīng)根據(jù)需要加密勘探點(diǎn)，并進(jìn)行專題勘察。

2.3 多源數(shù)據(jù)相互印證

基于地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)建立初步復(fù)雜巖溶地區(qū)BIM模型，同時(shí)將復(fù)雜巖溶地質(zhì)BIM模型結(jié)合電磁波CT法、微動(dòng)探測(cè)、高密度電法及水文地質(zhì)試驗(yàn)等勘測(cè)技術(shù)，依托多種勘察方法相互印證，從而獲取多源、可靠的地質(zhì)情況及地下水?dāng)?shù)據(jù)，為分析地質(zhì)數(shù)據(jù)及應(yīng)用地質(zhì)模型基礎(chǔ)。

2.4 數(shù)據(jù)整合及轉(zhuǎn)化

在原始地質(zhì)BIM模型及多方勘測(cè)技術(shù)手段的基礎(chǔ)上，借助軟件接口整合勘測(cè)數(shù)據(jù)，以提高地質(zhì)模型精度，步驟如下。

1)首先利用RTK技術(shù)快速采集現(xiàn)場(chǎng)高程及平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，應(yīng)用CASS軟件生成地形圖，并建立數(shù)字地形模型(DTM)，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)高程及平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)

2)使用電磁波CT技術(shù)探測(cè)溶洞平面、空間分布情況及內(nèi)部構(gòu)造，并應(yīng)用Voxler軟件構(gòu)建相應(yīng)的三維數(shù)字模型。

3)通過將Revit結(jié)合CASS,Voxler軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)橫向傳遞，發(fā)揮各軟件優(yōu)勢(shì)并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜巖溶地質(zhì)三維可視化、數(shù)字化、信息化。根據(jù)軟件提供的信息表明以上軟件均可提供一定格式的文本數(shù)據(jù)文件(ASCⅡ碼文本格式文件)，從而達(dá)到傳遞數(shù)據(jù)的可能性。

應(yīng)用C語言編制接口程序，該程序讀取CASS及Voxler軟件中的RTK.txt,VOXL.txt文件數(shù)據(jù)﹐然后輸出Revit識(shí)別的文件RTK.csv,VOXL.csv，打開Revit軟件讀入這2個(gè).csv文件，最后生成三維數(shù)字模型。

2.5 數(shù)據(jù)修正及細(xì)化

基于CASS，Voxler，Revit軟件中生成的BIM模型，為提高模型精度，需進(jìn)一步修正細(xì)化模型數(shù)據(jù)。根據(jù)高密度地震映像法、瞬態(tài)面波法、地質(zhì)雷達(dá)法等物探數(shù)據(jù)及溶洞區(qū)域加密勘察孔鉆探數(shù)據(jù)，修正地質(zhì)數(shù)據(jù)及地質(zhì)橫縱剖面圖，細(xì)化并完善溶洞、裂隙、斷層破碎帶的空間信息、邊界線、走向及發(fā)育趨勢(shì)，最后得到細(xì)化后的三維地質(zhì)模型，如圖3所示。

圖3 三維地質(zhì)模型

3 三維地質(zhì)模型應(yīng)用

3.1 基于BIM模型的巖溶區(qū)灌注樁技術(shù)

由于BIM模型具有可視化特點(diǎn)，通過借助三維模型可有效預(yù)判地下巖溶分布位置、埋深、大小及串聯(lián)情況，從而實(shí)現(xiàn)隱伏溶洞三維空間不規(guī)則形態(tài)可視化，如圖4所示。

圖4 三維溶洞分布模型

通過分析三維地質(zhì)模型，能在一定程度上預(yù)警串珠型溶洞，同時(shí)為復(fù)雜巖溶地區(qū)排樁施工方案制定提供數(shù)據(jù)支撐。此外利用Revit二次開發(fā)平臺(tái)，還可獲得讀取數(shù)據(jù)的巖溶區(qū)排樁取值技術(shù)，使排樁參數(shù)化自動(dòng)伸長至持力層，從而精準(zhǔn)識(shí)別溶洞，自動(dòng)深入溶洞并滿足入巖要求，獲得樁長數(shù)據(jù)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，避免由于多溶洞發(fā)育帶、夾層存在而造成的錯(cuò)誤。

3.2 基于BIM模型的錨索貫穿溶洞技術(shù)

在三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行深入分析，可智能識(shí)別群聚型溶洞、串珠型溶洞、超長型溶洞、無填充溶洞、流塑狀含碎石黏土的半填充及全填充溶洞，如圖5所示，進(jìn)而對(duì)不同溶洞針對(duì)性地采取措施，進(jìn)行超長型錨索貫穿溶洞成孔施工[6]。

圖5 不同類型的溶洞

3.3 基于BIM模型的高埋深巖溶裂隙水控制技術(shù)

基于BIM的三維地質(zhì)模型，結(jié)合抽水、提水等試驗(yàn)，綜合巖溶地段地下水運(yùn)動(dòng)特征、覆蓋型巖溶發(fā)育情況及基巖面埋深在地下水的季節(jié)變動(dòng)帶等特點(diǎn)，能深度揭露巖溶水肌理，有效判斷巖溶水的分布情況、穩(wěn)定水位、埋深、透水性及滲透系數(shù)，從而為降水井布置提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，如圖6所示。

圖6 三維降水井分析

4 結(jié)語

BIM技術(shù)將二維圖紙向三維可視化、立體化轉(zhuǎn)變，改善建筑業(yè)上中下游企業(yè)間的通信聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生命周期的信息管理，極大提高建設(shè)項(xiàng)目的集成度。同時(shí),為建筑業(yè)發(fā)展帶來效益，提高設(shè)計(jì)乃至整個(gè)工程的質(zhì)量和效率、降低成本。

準(zhǔn)確了解施工區(qū)域內(nèi)地質(zhì)情況為基坑施工前重要環(huán)節(jié)，目前基于BIM技術(shù)的三維地質(zhì)建模應(yīng)用仍比較缺乏，本文基于南寧國際空港綜合交通樞紐工程，介紹在Revit平臺(tái)下，結(jié)合鉆探RTK，CASS、電磁波CT、微動(dòng)探測(cè)、高密度電法及水文地質(zhì)試驗(yàn)等技術(shù)，在多源數(shù)據(jù)相互印證下，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜巖溶地區(qū)三維地質(zhì)建模的方法。此外圍繞復(fù)雜巖溶地區(qū)闡述三維地質(zhì)模型應(yīng)用。將BIM技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜巖溶地區(qū)，不僅可有效解決復(fù)雜巖溶治理問題，且綠色環(huán)保、高效建造，具有顯著的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。