岩土BIM 模型在丘陵山区场地工程勘察中的应用

成词峰，戴仕鹏，顾 兢

（中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，昆明 650051）

数字经济时代下，信息技术已经广泛地融入到工程建设全过程中，深刻地影响着工程建造方式。BIM 技术通过模拟现实建筑物的属性信息，是数字经济的一部分，为整个建筑行业带来了巨大变化，其在工程勘察、建筑设计、施工管理、项目协同与运营维护方面的巨大优势，成为继CAD 后建筑行业的第二次科技革命[1]。岩土工程作为建筑全生命周期的一个重要环节，在国家政策及市场需求的推动下，岩土BIM 模型具有广阔的市场应用前景。

虽然BIM 技术在中国有很多成功的应用，但国内BIM 技术的发展并不均衡，应用主要集中在建筑设计和建造施工方面，BIM 技术在岩土工程领域的应用进展缓慢[2-3]。究其原因，地质建模的复杂性是一个决定性因素。相对于建筑结构的梁、板、柱等人造物体，自然界的地质体是在漫长地质过程中形成的各物质随机组合体，具有复杂的空间不均匀性和变异性，如地质体中普遍存在的地层尖灭、透镜体、断层、褶皱及溶洞等地质构造在BIM 软件中还没有很好的实现方式[4-5]。而实际勘察采集的地形、地质、钻孔、物探、取样和试验等各种数据，具有多种来源、多种类型、多种数据格式等多元数据的特点，更加剧了地质建模的难度[6]。本文以某丘陵山区场地工程勘察为例，通过应用BIM 技术与三维地质建模方法，将多元的数据耦合集成，实现工程勘察成果的三维可视化表达。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

1.1.1 地形地貌概况

研究区原始地貌属于低山丘陵地貌，因前期挖土作业及人类生产居住活动，场地东北部为人工挖填地貌，较为平缓，其余地段地貌受挖土破坏较严重。现状地形为场地西、南侧高，北、东侧低，其中东北角最低，南端坡顶最高，地面标高在约951～1 009 m 之间，场地高差约58 m。除东北部较平缓外，其余地段地形起伏较大，研究区地形整体较复杂，如图1 所示。

图1 研究区地形地貌照片

1.1.2 地层结构特征

研究区勘察深度范围内主要由以下地层组成。

（1）第四系人工堆积层（Q4ml）。①杂填土：主要由黏性土混建筑垃圾组成，层厚0.5～10.0 m，分布于场地北部及南部零星地段。

（2）第四系湖沼积层（Q4l+h）。②1粉质黏土：可塑状态，干强度及韧性一般，层厚0.5～9.4 m，主要分布于场地东北角。②2泥炭质黏土：软塑，局部流塑状态，层厚0.5～5.2 m，主要分布于拟建场地东北角。

（3）第四系坡残积层（Q4dl+el）。③粉质黏土：硬塑状态，稍湿，切面稍有光泽，干强度及韧性中等，局部含10%～30%砂砾，钻孔揭露层厚0.5～12.4 m，主要分布于场地南部坡顶地段。

（4）第三系上新统芒棒组（N2m）。④1粉质黏土：硬塑，局部坚硬状态，干强度中等，稍湿，局部相变为粉土或薄层粉砂，钻孔揭露层厚0.5～41.2 m，该层广泛分布于整个场地。④2粗砂：密实状态，长石石英质，分选性较差，局部相变为中砂、砾砂或薄层黏性土，钻孔揭露层厚0.4～14.3 m，该层广泛分布于整个场地。研究区典型地层岩芯如图2 所示。

1.2 研究方法

1.2.1 数据处理

本研究采用的数据为勘察数据，基础数据包括空间位置X、Y、Z 坐标信息、钻孔揭露地层信息及试验数据。深度不同的钻孔参照相邻深孔揭露的地层做加深处理，以确保模型底边界位于相同高程面，各钻孔间的地层数据建模时采用线性插值法处理。地层数据分层处理后的剖面示意图如图3 所示。

图3 地层数据分层处理后的剖面示意图

1.2.2 建模方法

（1）三维地表模型（TIM）建模方法。环境条件是工程建设方案的基础，岩土BIM 需要构建项目场地直观、清晰的地形地貌、周边建筑物、道路、地下管线及其他地物等环境条件[7]。所涉及的建筑信息、地质资料、地形地貌、管网及其他地物资料，都是由不同的专业人员和特定的软件所完成。受各专业软件数据采集及输入、不同专业人员对信息加工处理的影响，这些来源广泛、类型多样、专业不一、精度不同的各类数据源在三维建模框架下往往会暴露出各种问题，必须先对这些基础数据进行核查和预处理，才可进行后续建模。

本研究通过分析各数据之间的专业分类、从属关系、层次关系及关联关系，运用数字地面高程模型，采用不规则三角网曲面法[8]，结合现有商业三维建模软件，建立多元数据耦合的三维地表信息模型TIM（Terrain Information Model），准确、形象、直观地反映和表达场地的地形地貌等周边环境条件。

（2）三维地质模型（GIM）建模方法。三维地质信息模型GIM（Geotechnical Information Modeling）是岩土BIM 的核心，其也是岩土BIM 模型区别于上部结构BIM 的重要特征之一[9]，岩土BIM 模型的绝大多数应用都离不开地质模型。基于现有的商业三维地质建模软件，对于有规律性分布的地层，采用逐层成体法，通过合并运算，由计算机完成三维连层。对透镜体、地层尖灭等特殊构造，将建模过程抽象为数学问题，采用增设虚拟钻孔法，对钻孔采集的数据进行人工插值拟合[10]，然后将插值数据和采集的原始数据进行整合，对地质体的几何信息与属性、岩土层物理力学性质的信息进行整合，采用“点—线—面—体”的建模顺序，从局部已知的地质体反演整个空间地质体[11]，构建与客观地层空间分布相一致的三维地质信息模型GIM。

2 岩土BIM 技术路线及建模结果

2.1 岩土BIM 建模技术路线

研究区勘察面积约14.1 万m2，199 个钻孔总进尺约4 936 m。岩土BIM 建模技术路线如图4 所示。

图4 岩土BIM 建模技术路线

2.2 岩土BIM 建模结果

通过三维地表信息模型（TIM），可以直观地看到场地挖、填方情况，可直接读取挖、填方体积，准确估算挖填方量，进行场平及挖填方案设计、进行总图布置及分析、进行施工场地布置与施工方案分析，有效提高各专业间的沟通效率，为山地工程场平全过程实现多专业协同提供基础。

所建的三维地质信息模型（GIM），可以进行任意剖分，直观展示地层分布及构造细节，实现所建三维地质模型可查询属性、可任意切剖、可数字化出图（图5—图9），实现基于岩土BIM 的勘察成果数字化交付。

图5 研究区三维地面高程模型

图9 研究区透镜体及地层三维空间分布

图6 研究区岩土BIM 三维地质模型

图7 岩土BIM 三维地质模型剖面

图8 基于岩土BIM 模型的任意切剖

3 结束语

通过对丘陵山区勘察项目所涉及的多元信息进行预处理，建立多元数据耦合的三维地表信息模型（TIM），准确、形象、直观地反映和表达场地的地形地貌，建立可表达透镜体及地层尖灭等符合真实地层情况的三维地质信息模型（GIM），进行地质信息模型与建筑信息模型（BIM）的融合，基于岩土BIM 可实现勘察成果数字化交付、多专业三维协同设计及优化、进行施工过程模拟及建造过程数字化管理，加快岩土工程向信息化、数字化和智能化方向发展，促进数字经济发展和提高工程建设技术水平。