BIM在上海地区岩土工程勘察中的应用

马钰栋，唐君辉

(上海申元岩土工程有限公司，上海 200011)

1 引 言

在新一轮科技创新和产业变革中，信息化与建筑业的融合发展已成为建筑业发展的方向，并将对建筑业发展带来战略性和全局性的影响[1]。目前，BIM技术的应用仍主要局限于建筑设计，机电，暖通，项目管理等领域，岩土工程勘察是城市建设工程的重要组成部分，是工程建设中一个重要的工作环节[2，3]，但是在岩土工程勘察设计领域中，BIM技术的应用较少。在岩土工程勘察方面，最主流的方式仍是利用传统的勘察方式，通过野外钻探和土工试验获得勘察成果，并主要用二维图纸展示出来。由于BIM数据的丰富性，BIM数据无法完全通过阅读图纸来获得，那么在BIM技术完全成熟的未来，勘察专业与其他专业进行数据整合时，必然也会用到BIM来完成数据的对接。同时，BIM替代CAD已是大势所趋，将BIM运用到岩土工程勘察中，不仅能提升表达信息的效率，还能提升岩土工程勘察的精准性[4，5]。

住房和城乡建设部于2015年发布了《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》，于2016年发布了《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》，文件对于工程勘察信息化发展提出了明确的要求和指导意见，要求工程师在工程项目勘察中推进基于BIM技术的数值模拟、空间分析和可视化表达，研究构建支持异构数据和多种采集方式的工程勘察信息数据库，实现工程勘察信息的有效传递和共享。因此，如何将BIM用于岩土工程勘察，实现岩土工程地质勘察成果的三维可视化及地下空间工程信息的整合与多方面应用，值得进一步的研究。

2 建模流程

2.1 建模软件的选择

本文模型基于Revit软件建立，Revit系列软件为BIM构建，也是建筑、结构、暖通等专业的工程师制作BIM模型最常用的软件。Revit模型中的点、线、面、体都是围绕一个参考点或是参考面来进行各种变化，但是Revit软件本身提供的建模方式比较严谨，且提供的方法较少，所以仅仅基于Revit软件，想要解决符合真实地层的复杂曲面的造型问题，不仅需要花费大量时间通过程序进行逐步造型，有时还需要导入其他软件的实体模型作为参考来创建复杂形体[6]。所以本文选择对Revit软件的子程序Dynamo进行二次开发，使用Dynamo程序进行参数化的模型，通过模型内部参数来控制曲面的生成，也让使用者便于修改，管理，读取其参数。

2.2 建模步骤

本文建模主要分三个步骤，首先处理勘察数据，然后将整理好的勘察数据导入到自编程序，最后对建立好的模型进行后处理，即可得到符合真实地层埋藏情况的三维地质体模型。本文三维地质体建模技术流程如图1所示：

图1 三维地质体建模技术流程图

2.3 处理勘察数据

岩土体界面的数学模拟是基于BIM的岩土工程勘察建模的基础[7]。由于在实际勘察工程中，外业进行数据采集时，采集的数据是离散的，且钻孔间存在一定的距离，在某些勘察工程中，钻孔的孔距较大。在将勘察成果进行可视化表达，建立三维地质体模型时，则需要在勘探点间进行趋势判断，采用离散数据拟合与插值的方法建立三维地质体模型。

本文选择使用克里金方法进行数据拟合与插值。克里金方法(Kriging)是一项实用空间估计技术，该方法着重于权值系数的确定，从而使内插函数处于最佳状态，即对给定点上的变量值提供最优的线性无偏估计[8]。

在以传统勘察手段进行数据处理时，工程师经过对外业实测数据和试验数据分析，结合历史文献中记录的土层信息和地质学知识，对土层进行分层，将每个钻孔中的土层数据连成剖面，再通过多个剖面来反映土层的具体分布。这一系列中最为关键的数据，就是每个钻孔中的土层分层的深度。

本文将勘察成果中钻孔中土层分层的深度作为原始数据，使用克里金方法进行插值计算，得到钻孔之间预测点的土层分层深度的预测数据，这就相当于真实钻孔之间加入了许多虚拟钻孔。将这些真实钻孔和虚拟钻孔的坐标、分层信息和非几何信息(比贯入阻力、含水量、重度、黏聚力、内摩擦角等)以一定顺序写入Excel表格，即完成对勘察数据的处理。

2.4 建模程序

本文利用自编Dynamo程序建立三维地质体模型，先建立土层几何形体，再将非几何信息导入到相应的形体之中。传统的三维地质体模型中，存在一种基于体表示的数据模型，如3D栅格、三棱柱(TP)，广义三棱柱(GTP)等，这类数据模型便于挂接地质体属性和便于储存，但是需要耗费大量的存储空间，对计算机性能要求很高[9～11]。本文模型中土体非几何信息，通过Dynamo程序处理后直接存储于土体族的项目参数之中，不会存在耗费大量存储空间的问题。

在程序控制生成土体几何形体的过程中，本文建模顺序基于“点-面-体”基本思想[12]，将钻孔中单孔分层信息为数据源，通过Kriging插值法生成插值数据，由插值数据生成参数化的地层曲面，再由地层曲面生成参数化的地质实体，将地质实体导入Revit生成地质体族实例，最终形成三维地质体模型，模型中土体所有参数都由程序控制。Dynamo程序生成地质实体的具体分为如下几步：

(1)将原始勘探孔单孔分层视为空间中的点，点的x，y属性为其平面坐标，z属性为其高程。然后对点进行插值，得到插值点数据。

(2)将钻孔数据和插值数据进行整理，将其录入Excel中，再利用将该表格导入Dynamo程序中，程序读取各点数据，生成点云。

(3)通过Dynamo程序，由点云生成各层的地形曲面，再从各地形曲面提取曲面，每个曲面由若干三角网拟合而成。相邻各曲面创建实体，再将这些实体导入Revit中，生成地质体族，对各地质体族命名，族名即为其土层层号。

(4)通过Dynamo程序，获取地质体族，再根据层号索引，对各地质体族导入其物理力学性质。

(5)通过Dynamo程序，利用各勘探孔数据，生成勘探孔族，并对每个勘探孔族按其孔号一一命名。最后导入地形数据，在Revit中生成首层地形曲面，即完成三维地质体模型的建立。

本文结合某岩土工程勘察实例，将该工程勘察数据导入Dynamo自编程序建立了三维地质体模型，以此例对程序建模过程进行说明。该模型根据勘察数据生成的点、根据点生成的地形曲面、最后形成三维地质体模型如图2～图4所示：

图2 根据勘察数据生成的点

图3 根据点生成的地形曲面

图4 三维地质体模型

点击选中三维地质体模型中的具体土体图元，在属性栏即可看到该土层的名称和非几何信息(比贯入阻力、含水量、重度、黏聚力、内摩擦角)，通过偏移量可计算其具体埋深。

3 应用案例

本文结合岩土工程勘察实例建立了上海地区某工程的三维地质体模型。该工程位于上海市嘉定区，场地地基土在勘察深度范围内均为第四系松散沉积物，主要由饱和黏性土、粉性土和砂土组成，具有成层分布的特点。该场地的土层可分为6层，共11个亚层，为Q4和Q3沉积物。在该场地北侧分布有堆土，场地南侧存在一片厚填土区域，场地东侧存在一片地下障碍物。且受到古河道切割的影响，在该场地地下 27 m～35 m处交错分布有三种土层，分别为第⑤3层灰色粉质黏土、第⑤4层灰绿色粉质黏土、第⑥层暗绿～草黄色粉质黏土。其中，第⑤3层局部缺失，第⑤4层在场地北侧分布，第⑥层在场地南侧分布。

本文建模方法中，首先对原始勘察数据进行插值处理，遍历各勘探点坐标，得到最小坐标点Pmin(Xmin，Ymin)和最大坐标点Pmax(Xmax，Ymax)，通过这个两点作为矩形对角，生成矩形，对矩形进行均分，所生成网格的交点便为插值点，由然后进行Kringing插值，得到各插值点的高程。插值点示意图如图5所示：

图5 插值点示意图

插值完成后，该工程的钻孔及由插值点构成的虚拟钻孔的坐标、孔深、孔口高程、各土层层底深度数据如表1所示：

勘探孔数据 表1

将插值数据与原始数据进行整理，将整理好的勘察数据导入Dynamo自编程序中，由此数据生成点云，再由点云生成地层曲面，各地层曲面如图6所示。再由地层曲面两两进行放样，便生成了Dynamo空间的地质体，将地质体导入Revit中，生成地质体族的实例，最后再由Dynamo程序批量生成勘探孔族并将土的物理力学性质导入地质体族，如此便建立了该工程符合真实地层的三维地质体模型，该模型如图7所示。

图6 地层曲面

图7 三维地质体模型

成果使用单位在使用该模型时，可任意拉剖面以便查看模型内部土层走向。勘察报告中剖面图和模型剖面如图8、图9所示。由剖面图对比可知，三维地质体模型的剖面所反映的各土层的分布及走向与勘察报告中的剖面图一致；各土层层面由插值点生成，其拟合的层面的高程与勘探点揭露的土层的高程相吻合，如选中⑤3层所代表的地质体族实例，该地质体表面在勘探孔C2处的高程与勘察报告中C2孔所揭露的⑤3层的层面高程一致。由此可知，该模型能较好地模拟勘察报告中的地层分布。

图8 勘察报告中的剖面图

图9 模型剖面

除此之外，通过观察模型，能直接看到其模型层面较高的区域，这片区域反映了该场地的堆土区。选中模型中的厚填土图元，能看到其在场地具体的分布，在属性栏可读取其体积，以便设计单位在考虑换填方案时估计填土的土方量。本工程若使用桩基础，且桩端入土深度在 27 m～35 m之间，那么设计单位将桩直接置于三维地质体模型之中，就能判断每根桩桩底具体置于哪一层土中，选中该土层，能在属性栏中直接读出其物理力学性质，便于设计单位进行承载力的计算。

4 结 论

岩土工程勘察数据是建筑BIM模型的重要组成部分，将岩土工程勘察数据信息整合进BIM模型具有现实的工程需要和广阔的应用前景[13]。目前BIM在勘察领域中的应用较少，市场上存在建模软件可以建立符合真实地层的三维地质体模型，但这种模型不能导出来供设计单位直接使用。本文根据勘察工作的特点，整理一套基于Revit建立三维地质体模型的方法：首先选择了适合对勘察数据进行拟合的插值方法，然后编写了可以在Revit中生成三维地质体模型的Dynamo程序。利用该方法，本文根据上海地区的岩土工程勘察实例，建立了三维地质体模型，该模型中地层走向与已出具的勘察报告中的对土层的描述基本吻合，并将原来二维图纸中的勘察数据直观地展现在模型之中。本文提供的建模方法，建立了能直接供设计单位使用的三维地质体模型，该方法对于今后BIM在勘察领域中的应用提供了新的思路和建模理论的参考。