BIM技术在山地城市岩土工程勘察中的应用研究

徐 刚， 魏 来， 杨 洵， 刘 智， 任亚楠

(1.重庆市地勘局南江水文地质工程地质队，重庆 401121；2.重庆南江工程勘察设计集团有限公司，重庆 401121)

0 引 言

近年来随着计算机技术的发展，BIM技术在中国基础设施建设领域的应用飞速发展，产生了巨大的经济效益及社会效益。国家住建部在《2016-2020 年建筑业信息化发展纲要》中明确提出要加快 BIM技术在勘察设计类企业中的应用，提高信息化水平和生产效率[1]。

虽然目前BIM技术在中国已经取得了丰硕成果，但国内大部分关于 BIM技术的研究和应用都是集中在上部建筑结构及设施，而对地下地质部分的研究则相对较少[2]。相对于设计、施工等专业的BIM技术应用的飞速发展，岩土工程勘察专业的BIM技术应用却进展缓慢。究其原因，一方面是地质建模的复杂性决定的，地质建模需要大量运用插值算法、虚拟钻孔等方法，而现实工作中只能以有限的工作量去尽量还原真实的地质环境，并且地层尖灭、断层、褶皱等地质构造在BIM软件中还都没有很好的实现方式[3]，另一方面也缺少成熟适用的三维地质建模软件，现有的BIM软件与岩土勘察工作相脱节，难以推广应用。

构建三维地质模型是表达地质信息的有效方法[4]，也是在岩土工程勘察中应用BIM技术的关键。目前常用的专业三维地质建模软件包括GOCAD、Earth Vision、Petrel、Dimine、Datamine等[5-9]，多为国外产品，在油气、矿产、水利等行业使用较多,其建模程序复杂、约束条件要求严格[10]，推广使用成本较高。国内软件开发起步较晚，但近年来也形成了一股热潮，开发出了如理正地质GIS 、MapGIS、GeoView等[11-13]一些三维地质建模软件，虽然在建模及模型可视化方面取得了一些进展，但模型应用及软件商业化方面仍未完善，且在实现三维构筑物与三维地层的耦合上存有缺陷[14]，与实际岩土工程勘察工作脱节。

除此之外，由Autodesk (Revit、Civil 3D等)、Bentley(Architecture、Structural等)、Nemetschek Graphisoft (ArchiCAD等)以及Gery Technology Dassault (CATIA等)四家公司推出的BIM核心建模软件平台已逐渐成为主流[3,11]，同平台各软件间的兼容性较好，配合使用可以满足一系列工程BIM技术应用，但此类平台软件缺乏专业的三维地质建模软件，需要进行二次开发来满足相关工作。国内已有单位或个人基于上述平台软件进行二次开发，如中国电建集团华东勘测设计研究院基于Bentley平台软件开发出三维地质勘察设计系统Geostation软件；中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司基于Autodesk平台软件开发出地质内外业一体化平台；中国水电顾问集团贵阳勘测设计院利用CATIA软件进行三维精确建模和参数化设计，并对软件进行二次开发，都取得了一些应用成果[3,15-17]。但由于不是专业的三维地质建模软件，此类软件对于深厚第四系地质区，建模效果较好；而对于覆盖层较薄，存在大量褶皱构造、地层尖灭的山地丘陵城市，则还没有很好的建模手段。

本文选用Autodesk平台BIM软件Civil 3D 2019版进行三维地质建模。AutoCAD软件在二维岩土工程勘察时代应用广泛，使用费用低廉，Civil 3D软件集成了AutoCAD软件几乎所有功能，操作习惯相近，软件学习成本低，与相关专业衔接顺畅(项目岩土设计拟采用Revit软件完成)，模型适用性强。本文以典型山地丘陵城市——重庆的某岩土工程勘察项目为例，使用Civil 3D软件完成三维地质建模，叙述建模基本流程以及其中关键技术，并探讨了三维地质模型的几种应用，可为研究BIM技术在山地城市岩土工程勘察中的应用提供参考。

1 项目简介

项目为重庆某小区岩土工程地质勘察项目，位于重庆市巴南区，拟建建筑为一栋33F塔楼及-2F地下车库，车库基坑深9.2 m，用地面积7 818 m2，工程勘察等级为甲级。场地位于川东平行褶皱岭谷区，原始地貌为浅丘剥蚀地带，后经城市建设开挖平场，场地地形整体平缓，坡角为1～8°，局部斜坡地段较陡，坡角可达35～60°。整平区域由第四系人工素填土覆盖，局部斜坡地段可见基岩出露，第四系覆盖土层与下伏侏罗系中统沙溪庙组的泥岩、砂岩呈不整合接触，岩层产状292°∠53°。第四系覆盖层厚度为0.3～18.6 m，基岩面起伏不平，倾角为1～45°；根据山地城市勘察规范及重庆地区经验，将场地基岩划分为强风化带和中等风化带，强风化带起伏与基岩面基本一致，强风化带底面随基岩面起伏而变化。本场地为典型的山地城市工程场地，覆盖层整体较薄，基岩为沉积岩地层，岩层产状陡倾，内含透镜体，东侧存在基坑顺向坡，且基坑边坡影响相邻建筑，具体如图1、图2所示。

图1 勘察平面简图

图2 勘察区典型地质剖面

本项目在勘察方案布置时考虑BIM建模的需要，进行方案优化，并根据任务要求开展相关工作，较好地支撑了勘察工作，并对BIM技术在岩土工程勘察中的应用潜力进行了摸索，整个过程历时2个月。

2 三维地质建模

2.1 技术路线

为了使三维地质模型能更好地反映重庆山地城市的地质特点，达到高精度建模要求，本项目的建模过程可以总结为以下步骤：数据采集→建模准备→构建地形曲面→添加虚拟钻孔→构建地质曲面→构建三维地质实体模型→模型渲染展示。

2.2 数据采集

建模数据采集主要包括现场测量、测绘、勘探、试验等数据，并将勘探及试验数据同步上传至我单位自主研发的勘察软件QuickGEE数据库平台，该数据库软件可以将勘探等数据导入Civil 3D中建模使用。采集数据时如发现异常，及时复核勘探点坐标高程及施工情况，做到数据采集与现场勘察的交互和校核，可以使勘察工作更为准确，也为后续建模工作打下基础。

2.3 建模准备

建模准备工作主要包括建模平面范围确定、建模平面范围内高程数据处理、平面地质界线的确定。

为了模型美观以及便于展示场地三维地质特点，确定模型范围为矩形，建模范围包括勘探点数据以及场地基坑威胁的相邻建筑，具体如图1所示，并将此建模范围作为后续建模中的曲面边界。

对建设方提供的dwg格式二维地形图进行整理：首先对建模范围内地形图中如房屋边线、各种管线等无用图元进行剔除；由于建设方所提供的二维地形图高程点数据未进行Z赋值，继而对图中高程数据进行高程Z赋值，此步骤可通过Civil 3D软件中的修改-曲面功能快速实现；最后,由于局部建模范围高程点数据较稀疏，应通过现场测量进行加密处理，在此基础上构建高精度地形曲面。

通过野外地质调绘，确定基岩出露范围，在平面图中绘制平面地质界线-岩土分界线，此线在之后步骤中可用以确定岩土分界面曲面尖灭位置。

2.4 构建地形曲面

Civil 3D软件具有强大的曲面创建功能，适合地质建模的特点和需要。构建地形三角网曲面是Civil 3D建模中的关键步骤，后续构建地质曲面皆需以地形曲面为基准。通过已准备好的地形高程点数据、文本数据等图形对象，或等高线数据、特征线数据，单独使用或联合使用以创建、定义曲面，或直接采用DEM、点云、GIS数据创建曲面。

通过前文处理好的地形图高程点数据，利用Civil 3D软件创建、定义地形曲面，再利用曲面特性对高程出差点进行筛除，建立好的地形曲面如图3所示。

图3 地形曲面

2.5 添加虚拟钻孔

将钻孔分层数据导入Civil 3D软件，为下步构建地质曲面做基础。项目钻孔数据导入到Civil 3D软件后生成的三维展示如图4所示。

图4 钻孔数据三维展示

对于建模范围内局部钻孔数据稀疏处，国内主要有用克里金插值法[3,18,19]或增设虚拟钻孔[17,20]来加密建模数据。本项目存在相邻影响建筑区域，且局部存在基岩陡壁、深坑位置无法实施钻探，可采用钻探资料结合现场地质调查、测绘，以及参考相邻工程地质资料，对建模范围内钻孔稀疏处及岩土分界线处添加虚拟钻孔,如图5所示，揭示场地地质细部特点，提高模型精度。

图5 添加部分虚拟钻孔

2.6 构建地质曲面

以地形曲面为基准，结合钻孔分层数据、野外地质测绘数据，构建项目高精度三维地质曲面模型。

如前文所述，地层尖灭、断层、褶皱等地质构造在现今BIM软件中，都没有很好的实现方式。而重庆位于川东平行褶皱岭谷区，基岩褶皱构造发育，且存在较多地层尖灭、透镜体，为典型的山地城市地质特征。如何将其在三维地质模型中构建出来，是高精度建模的重要环节，也是建模难点。

本模型利用Civil 3D软件曲面隐藏功能来实现。首先利用钻孔土层分层数据创建初步的岩土分界面曲面，继而通过图5中所示岩土分界线，以此线作为岩土分界面曲面与地形曲面等值线，并作为曲面隐藏边界。最后对初步创立的岩土分界面曲面，选择曲面→边界→隐藏，完成操作后曲面如图6所示，此曲面结合地形曲面，可准确反映岩土分界面于基岩出露处地层尖灭。

图6 岩土分界面曲面

对于构建陡倾沉积岩层中的地层尖灭、透镜曲面，本模型除了充分利用钻孔分层数据及野外地质测绘资料外，结合Civil 3D软件中对任意曲线拉伸、放样功能，可以生成各种地层尖灭、透镜曲面，再利用软件的曲面布尔运算功能，得到较为精确的岩层分界面曲面，如图7所示。

图7 岩层分界面曲面

综合地形曲面、岩土分界面曲面、强风化底界面曲面与岩层分界面曲面，得到场地三维曲面模型，如图8所示。三维曲面模型可使用对象查看器功能进行展示，也可用特定格式导出，与其他软件进行交互。

图8 三维曲面模型

2.7 构建三维地质实体模型

项目曲面模型构建好之后，可在此基础上构建三维地质实体模型。运用Civil 3D软件功能，选择修改→曲面→从曲面提取，然后可以在提取实体对话框设置所需实体提取参数，可以设置从已有某曲面到某曲面提取实体，以及从某曲面到某深度或固定高程处提取实体。同时所提取的实体可以通过Civil 3D软件三维建模模块中布尔运算功能，根据场地特点构建出较为精确的三维地质实体模型，如图9所示。

图9 三维地质实体模型

2.8 模型渲染展示

三维地质实体模型可以在Civil 3D中进行简单的颜色、属性赋值以及模型材质贴图渲染，然后使用3D ORBIT命令或软件三维坐标系统对模型进行基本的三维交互，使用“ObjectViewer”对象查看器功能，也可对三维模型进行缩放、旋转、移动等操作，全方位直观展示模型三维可视化效果。

3 三维地质模型分析应用

3.1 模型任意剖切

运用Civil 3D纵断面功能，或借助已有的Civil 3D插件，例如Geotechnical Module[21]等，可对三维曲面模型做任意剖切，生成二维地质剖面图，方便项目开展与交流。但是目前利用软件剖切三维曲面模型得到二维剖面图，格式、内容上与现阶段勘察剖面图还有较大差距，例如格式上需要增加剖面图个性化定制模板，内容上缺少岩性花纹等地质内容，需要后期对软件进行二次开发，才能满足生产需要。

同时,可以将三维地质模型导入到NavisWorks软件，启用软件剖分功能，可以任意角度对三维模型进行无极剖分，直观展示场地地质细节。

3.2 基坑开挖与土石方算量

运用Civil 3D放坡功能，可以在已有三维地质曲面上创建项目基坑开挖曲面(图10a)，继而可以生成基坑实体，与原有三维地质模型布尔运算，得到场地三维基坑模型(图10b)，在此基础上运用软件自带放坡体积工具，快速进行基坑土石方挖填算量(图10c)，与二维设计相比，此操作可直观展示场地基坑开挖方案，精确指导下一步施工工作。

图10 三维基坑建模及土石方算量

3.3 模型数值模拟

将Civil 3D创建好的三维地质模型数据以特定格式导出到专业的数值分析软件中，例如MIDAS、FLAC 3D、ANSYS等，对模型做进一步分析模拟，供设计人员参考或进行项目深度展示。

本项目采用MIDAS软件对场地基坑边坡直立开挖方案进行数值模拟分析。将三维模型地形曲面、关键地质曲面数据导入到MIDAS软件，在软件中进行建模、网格划分(图11a)，经过计算得到基坑直立开挖应变云图(图11b)，由应变云图可见基坑直立开挖时，东侧顺向岩质边坡段及南侧岩土混合质边坡段应变较大，将会对相邻建筑产生较大影响。因此场地基坑需要逆作法施工，分阶开挖支挡，优化支挡方案，顺层岩质边坡段存在相邻建筑，采用桩锚体系支挡，岩土混合质边坡段采用抗滑桩支挡。

图11 基坑直立开挖数值模拟

3.4 模型同平台交互

将创建好的三维模型导入到欧特克平台同版本的BIM软件中，例如Revit、NavisWorks、Infraworks、3 ds Max等专业BIM软件，同平台BIM软件同Civil 3D兼容性好(除曲面导入到Infraworks需要转换为IMX格式外，其余可直接读取dwg格式文件)，格式转换便捷，能保留模型属性。平台软件可以协助完成模型渲染、漫游、设计、轻量化集成、施工模拟等工作，以便更好地实现项目全流程全周期三维模型应用。

本项目基坑支护模型采用Revit软件完成，将三维基坑模型直接以dwg格式导入Revit软件辅助完成支护设计。然后将三维支护模型(fbx格式)及三维基坑模型(dwg格式)导入到NavisWorks软件中，进行坐标定位及模型缩放、移动调整，完成三维基坑与支护设计模型轻量化集成(图12)，同时利用NavisWorks软件完成了三维模型漫游、基坑施工模拟演示，达到了较好的预期效果。

图12 三维基坑支护设计集成模型

4 结束语

本文简述了BIM技术在我国岩土工程勘察及三维地质建模方面的发展，介绍了国内外较常用的三维地质建模软件及几种核心建模软件平台，分析其优劣，在此基础上选择Autodesk平台BIM软件Civil 3D，对重庆市某岩土工程勘察项目进行三维地质建模，叙述建模基本流程以及其中关键技术，建立了较为精细的三维地质模型，最后介绍了模型的几种重要应用。

笔者认为使用Civil 3D软件进行岩土工程勘察项目的建模工作，以及对模型进行进一步分析应用是可行的，鉴于Autodesk平台的学习成本以及经济成本，Civil 3D软件应用前景较为广阔。本文能为研究BIM技术在山地城市岩土工程勘察中的应用及相关研究提供一定参考。

限于时间及人力，本次三维建模工作中也存在一些不足：①对于Civil 3D软件在三维地质建模中的应用潜力还未完全发掘；②数据采集上传工作还是传统模式，耗时耗力，未能实现智能化采集；③单位自研QuickGEE软件基于二维AutoCAD平台开发，与Civil 3D软件交互性较差；④三维模型数据库挂接、属性赋值查询修改以及二维出图方面还未达到预期效果。下一步还需要针对软件做大量探索实践，以及基于软件平台的二次开发工作，充分发掘Civil 3D软件三维地质建模中的应用潜力，以便更好地服务于山地丘陵城市的工程勘察工作。