基于BIM 新技术的陡坡填方梁场设计方法研究

张 军 高月波 付绍强

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 概述

为保证预制梁加工生产的优质质量，节约建设成本并减少场内的二次搬运，梁场科学合理规划尤为重要。对于处于复杂地形如高陡边坡地区的梁场初步地形探测而言，主要以人工踏勘为主，难以准确评估梁场原始地理条件。随着三维激光扫描技术、无人机倾斜摄影测量等新兴手段的兴起被广泛应用复杂地形及边坡测量中[3]。本文通过BIM新技术提出一套三维地形及地质建模方法，对三维模型进行多视角观察与分析研究，观察地表以下岩土的分布特征并分析地质条件，并采用通用岩土分析软件对带区域地质条件进行精准分析，为预制梁场的规划设计提供可靠分析数据，为预制梁厂的科学合理规划及高效生产提供数据支撑。

2 基于BIM 技术的地形地质信息模型的构建方法

2.1 陡坡地形三维数值建模方法

2.1.1 无人机航空摄影航线规划

为获取复杂地形地貌区域的精确地形地质信息，可以采用无人机倾斜摄影测量技术进行实景模型的精准构建，通过设计规划合理的航线对测量区域进行全景拍摄重建。若扫描区域过大且复杂多变，单次拍摄无法精准全面获取模型细节信息，为使模型更加精细准确，通常采用多航线多视角航飞拍摄，最后将多航线及多视角照片进行融合从而构建全景地形模型。摄影测量技术要求航拍照片具有较高的重叠度要求。在该项目中，旁向重叠度和航向重叠度均为75%（图1）。

图1 无人机航空摄影

2.1.2 三维实景模型的建立

通过无人机按设计航线获取目标区域高精度航空影像数据，采用主流建模软件ContextCapture 进行实景建模，建模流程主要包括：工程准备、空三加密、模型重建、以及模型分析几个步骤。

空三加密和模型重建是倾斜摄影建模中最重要的两个步骤，空三的精度直接决定了重建模型的精度[4]。空三加密采用区域网法，用光束法和多项式法进行整体平差解算，检验解算好坏的重要标志是影像像元的均方根。空三运算完成后，基于ContextCapture的模型求解器，采用集群运算，快速生成测区的密集点云。

2.1.3 地形生成

基于真实影像生成的高密度点云包含地面植被等信息的遮挡及干扰,不能真实反映地表信息，故需对干扰部分进行剔除，首先通过手动方式剔除地表较大植被的干扰，其次采用高斯滤波算法对贴近地表杂草点云进行滤波降噪，高斯滤波降噪优点在于杂乱点云经过滤波处理之后，其主要形貌仍被保留，地貌特征不发生改变[5]。去噪后点云虽然减少了杂点的干扰，但数据量仍是海量性的，需对数据进行精简压缩。本次通过按曲率采样的方式，在不影响曲面重构和保证一定精度的情况下对数据进行精简，从而提高数据处理速度（图2）。

图2 地形点云

2.2 三维地质模型构建

三维地质建模方法按建模数据源的类型不同可以分为基于钻孔、基于地质剖面、基于野外地表地址数据等方法[6]，针对河边大桥的特点以及钻孔分布的疏密程度，本文提出的地质建模方法是基于精确实测数据重构三维精细地质数字模型的方法。主要的建模步骤如下：

2.2.1 以无人机倾斜摄影技术获得的密集点云作为地质模型表面数据，采用曲面拟合法拟合得到地表模型，如图3（a）所示。

图3 地形模型及钻孔分布

2.2.2 在梁场范围内选择合适位置进行地质钻孔，得到场区下的底层分布数据，如图3（b）所示。利用克里金插值法，完成工程范围内地质层面的建立，如图4（a）所示。

图4 地层分布及地质模型

2.2.3 将地层曲面封装为实体三维模型，完成三维地质信息模型的建立（图4-b），并赋予各岩土层相应的属性。

3 陡坡填方梁场地质建模方法及稳定性分析

为更真实的模拟现场地质条件和贴近施工实际，本文采用Midas-GTS 有限元软件对陡坡开挖及挡墙支护进行三维数值模拟分析。边坡数值模拟数值分析主要计算位移和应力应变的空间分布特征及在荷载和环境等作用下的发展过程，采用一定准则进行稳定性评估。

3.1 三维地质模型的建立

利用Midas-GTS 进行数值模拟时，主要流程如下：几何模型的建立-定义材料参数-网格划分-设定分析条件-分析及结果查看。上文采用多源数据的融合建立地质实体模型，将该模型作为Midas-GTS的实体模型，省去相应建模步骤同时更好的模拟现场实际情况。

3.1.1 材料参数。根据钻孔数据及现场勘查资料和相关规范选取合适的岩土力学参数，以及挡墙支护材料的属性参数，相关参数如下表所示。Midas-GTS 提供多种岩土模型，本文采用摩尔-库伦准则，是典型的弹性-完全塑性本构关系，应力达到屈服点前与应变成正比例关系，超过屈服点时为水平线。

图8 x、y、z 方向应力云图

3.1.2 网格模型。Midas-GTS 提供多种网格类型，包括三面题、四面体、六面体等，网格划分越细计算结构越精确，同时耗时越久，考虑到所分析地形场景较大，采用四面体划分网格，同时对重点观测区域如开挖区域以及挡土墙部分进行播种，网格细化加密。考虑到相邻区域的耦合，应在网格划分前对相邻区域进行布尔运算中的差集运算（图5）。

图5 网格模型

3.1.3 边界条件及计算方法。模型底部设置为固定边界约束，土体四周限制其滑动，同时坡面为自由边界，荷载仅为自重。Midas-GTS的强大功能在于可以考虑施工阶段的非线性分析，本次共分为两个施工阶段，第一个施工阶段仅考虑边坡原始状态，同时分析结束进行位移清零，模拟边坡实际未开挖状态。第二个施工阶段对开挖边坡进行钝化，同时激活填土以及挡墙部分（图6）。

图6 施工阶段

3.2 稳定性分析

利用软件“分析工况”功能进行边坡稳定性分析，分析结束可以通过主菜单查看相应结果，本文主要关注Z 方向位移以及总位移和应力的空间分布特征。从总位移云图以及位移线上图可以边坡较大位移出现在开挖坡脚处，该处地形被挤压出现上拱，此处需重点关注并采取相应加固措施，而挡土墙部分出现沉降。从应力等值线云图可以看出看出边坡内部应力为负值及压应力，且压应力从底部向坡顶逐渐变小，坡顶局部范围出现拉应力，说明坡顶因局部滑坡的影响而出现张拉裂缝（图7-8）。

图7 总位移位移云图

4 结论

本文通过无人机航飞摄影技术构建陡坡区域实际地形模型，同时结合地质勘探数据及钻孔数据建立三维可视化地形地质实体模型，将该模型通过通用岩土分析软件对边坡稳定状况以及梁场初步规划区域进行地质稳定性分析，将桥梁梁场设计的主要工作提升至方案设计阶段，提高设计规划的准确性并节约方案变更成本，该方法对于复杂地形及地质模型的构建，以及稳定性分析提供了一种较为高效可靠的方法。