青岛地铁勘察设计中BIM技术的研究与应用

冀东，翟月，刘元贤，卞立民，石东方，吕凤华

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032； 2.青岛岩土工程技术研究中心，山东 青岛 266032)

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。建筑信息模型(Building Information Modeling，以下简称“BIM”)技术是目前建筑三维虚拟化主要的信息技术，能够应用于工程规划、勘察、设计制造、施工及运营维护等各阶段，实现建筑全生命期各参与方和环节的关键数据共享及协同，是实现建筑业转型升级、促进绿色建筑发展、提高建筑业信息化水平和推进智慧城市建设的基础性技术[1]。BIM技术的深入应用和发展，将有利于整合设计、生产、施工、运维等整个产业链，有利于建筑业生产组织模式创新，有利于市场资源合理配置，有利于推动行业创新变革[2]。

住房和城乡建设部2016年发布的《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中对于工程勘察信息化发展提出了明确的要求和指导意见[3]。勘察设计企业需加快BIM普及应用，实现勘察设计技术升级。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(如图1所示)。

目前，BIM技术的应用仍主要局限于建筑与机电等专业，仍有很多强大的功能尚未实现。另外，BIM软件本地化族资源较少。在岩土工程勘察设计领域中勘察成果仍多以二维图纸表现为主，BIM技术的应用尚属于起步阶段。如何将BIM技术应用在勘察设计中，尤其是城市轨道交通的勘察设计工作中，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，并与其他专业进行多专业BIM协同合作是当前岩土工程研究的重点方向[4]。因此，本文基于青岛市地铁6号线一期工程富春江路站岩土工程勘察项目开展了BIM技术应用与三维地质体模型构建研究，对BIM技术于青岛地铁勘察设计项目中的应用研究案例进行介绍。

图1 BIM技术于建筑全生命周期信息共享与传递中的应用

2 岩土工程勘察BIM的实现途径分析

2.1 岩土工程勘察BIM的特点

岩土工程勘察，是指根据建设工程的要求，查明、分析、评价建设场地的地质、地理环境特征和岩土工程条件并提出合理的地基基础建议，编制建设工程勘察文件的活动。在作业模式上，岩土工程与关联专业之间有迥然的差异，关联专业是为建造提供依据标准的过程，而岩土工程则是利用工程地质测绘、钻探、物探、试验等手段获得有限信息、对不规则地质结构的推演以及对其工程特性的评估并为关联专业提供实施依据的过程[5]。因此，岩土工程BIM不仅仅是模型的建立，还包括现场数据采集汇总、分析评价以及与关联专业相互交换的过程。

国际上建筑行业BIM技术及其应用仅限于上部结构而不包含地质体，其内在原因是岩土工程BIM技术运用不确定因素过多，难度较大，与上部结构BIM相比，在几乎所有核心要素方面都存在本质差别。以其中的三维建模环节为例，表1给出了二者在所依赖的基础理论、操作方式、工作对象等方面存在的差别。

建筑结构BIM与岩土工程BIM的差异 表1

2.2 软件开发与实现

现阶段，市面上常用的BIM软件包括Autodesk Revit、AECOsim building designer与Autodesk Civil 3D。上述软件于岩土工程勘察设计BIM具体操作与成体系成熟应用层面尚属于探索研究阶段。住建部发布的《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》为岩土工程BIM的架构提出了指导性方向。根据指导意见，岩土工程勘察设计BIM的实现需要四大类软件：

(1)工程勘察阶段基础性工作中的数据采集系统，包括测量数据的导入、勘探点布置、层序检查、成果导出等功能。

(2)基于钻探和物探结果的三维地质建模软件，该软件要求建模操作便捷，能够展现尖灭及透镜体等复杂地质结构，能够批量二维出图。

(3)岩土工程分析软件，包括地基承载力、极限平衡计算、土石方量计算等功能。

(4)岩土工程设计软件，包括开挖场地形态设计、场坪设计等功能。

本文主要关注的是三维地质体BIM模型构建方法的研究。

3 基于BIM的三维地质体模型构建技术

地质体BIM模型本质上是一种三维模型。传统的三维地质体模型主要包括两种表达模式，一类是基于面表示的数据模型，如格网结构(Grid)、不规则三角形格网(TIN)等，这类数据模型不能够真实地再现地下地质体结构，同时难以支撑GIS等相关空间分析功能。另一类是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储存空间，对计算机性能要求很高[6～8]。本文在研究了传统三维地质体模型的构建方法后，将BIM技术与传统的三维地质体构建思想进行融合，提出了基于“点—面—体”基本思想的BIM三维地质体模型构建技术，其技术流程图如图2所示[9]。

图2 三维地质体BIM模型构建流程图

3.1 勘察钻孔BIM模型构建

钻孔BIM模型的构建主要是完成三棱柱模型中点的提取。由于地质勘察钻孔的专业特殊性，现有BIM软件的族库中不包含钻孔族；为此，参照《青岛市区第四系层序划分》标准地层，根据其工程特性制作了18个地质层钻孔族。

在获取了钻孔族后，根据岩土层特性的不同，提取出钻孔中所包含的地层数量，确定每一个地层的层序编号及每一地层的厚度，然后根据地质层编号调用不同的钻孔族；根据其厚度信息确定钻孔族的长度，然后依据钻孔数据将这些不同地层的钻孔族有序连接起来，构建出钻孔BIM模型(如图3所示)。

图3 勘察钻孔BIM模型示意图

3.2 地质界面内插生成

本文选择克里金插值算法用于地质界面的拟合生成。克里金算法，也称空间自协方差最佳插值法，是以南非矿业工程师 D.G.Krige名字命名的一种最优内插法。克里金算法基本思想是根据样本空间位置不同、样本间相关程度的不同，对每个样本的属性赋予不同的权值，进行滑动加权平均，以估计待插值点的某一属性。

在对于x1，x2，……，xn为区域上一系列的样本点数据，可得到样本数值Z(x1)，Z(x2)，……，Z(xn)，根据克里金原理，对于待差值点的数值Z*(x0)可采用一个线性组合来估计，其表达式为：

(1)

式(1)中，k代表样本个数，α代表样本点的值，若以无偏性和估计方差最小作为权值αk的选取标准，则有：

(2)

式(2)中，E代表均值，Var代表方差。根据上述条件并结合拉格朗日乘数法求条件极值，可以得到αk。具体计算原理与步骤可参考文献[10]～文献[11]，本文不再赘述。

将所有钻孔提取出地质层厚度信息作为样本数据，然后针对钻孔范围进行栅格化；根据克里金原理插值出栅格网中每一个点的地层厚度信息，进而依据位置及厚度信息构建出三角网，最终获取该地层界面。针对每一个地层都做相同处理后，即可获取多个地质界面的信息。

3.3 地质体模型的提取

对于三棱柱模型，其地质体是上下2个三角面之间的部分，由3个四边形与上下2个三角面围绕而成。由于地质界层的本质是不规则的三角网，由多个三角形构成，同时对于每一个三角形的构建都是由钻孔点构成，所以对于相邻的地质界层，相同位置上2个三角网直接相连便构成了一个三维地质体模型；同理将地质界层中每一个三角形都向相邻的地质界层寻找相对应的三角形并且连接，最终提取出地质体模型(如图4所示)。

图4 三维地质体模型示意图

4 青岛地铁勘察项目应用实例

4.1 工程概况

青岛市地铁6号线富春江路站为明挖两层地下车站，车站主体结构位于黄岛区富春江路和江山南路交叉口东北侧的绿化用地范围内，沿江山南路南北方向布置，西侧为江山南路车行道，东侧为东河河道(图5，虚线范围内为车站位置)。车站长度约为 118 m，宽度约 11 m；车站轨面埋深约 18 m，轨面标高 -10.02 m，总建筑面积约 14 500 m2。车站共设置3个出入口，2组风亭，2个安全出入口，1部无障碍电梯和1座消防水池。由于车站位于重要市政道路和绿化带内，受地形和线路的限制，结合车站地质条件、站位布置、周边交通、管线情况以及基坑安全风险综合影响，拟采用明挖法施工，基坑支护方式为灌注桩+钢管(混凝土)支撑+预应力锚索。

图5青岛地铁6号线富春江路站全景图

图6富春江路站典型地质剖面图

4.2 三维BIM模型构建

选取青岛市地铁6号线富春江路站周边区域内的近60个勘察钻孔数据，在VS2012开发平台上，调用Autodesk Revit提供的API函数进行二次开发。按照图1所示的地质体BIM模型构建流程，对上述勘察钻孔进行处理，并提取地质体BIM模型；依据《青岛市区第四系层序划分》标准地层，将不同地层按照不同的纹理进行映射，生成了车站场区地下三维地质体模型。

在模型体的构建过程中，还综合考虑了对后期结构设计、土建施工具有影响的场区各种地上及地下环境要素。依据场区范围内的综合勘测资料，将地下市政管线、重要沿线建筑及构筑物、地表水系等要素与场区地下三维地质体模型进行融合，最终得到了车站周边场区的综合BIM模型如图7所示。

图7青岛地铁6号线富春江路站三维地质体BIM模型

在工程地质方面，构建的地质体模型可直观地展示场区勘察揭露的第四系地层、基岩各风化带的空间分布；对地下水分布数据、断裂构造及岩脉的发育产状及宽度等特殊地质信息也进行了较为合理的展示分析；通过该模型可以快速查询所有岩土层的空间展布信息以及岩土设计参数，包括地质勘察的取样、原位测试、室内等细节数据也采用短圆柱的方式进行了展示，便于快速查询。

由于模型实现了勘察成果由面到体的跨越式转换，可大大降低地铁建设项目各参建单位之间交流协作的困难，有效提升勘察、设计、施工等工作的效率，缩短出图时间；通过综合考虑对结构设计与土建施工具有重要影响的地上及地下各类要素信息，可以使建设单位及设计单位更加直观、全面地对各类项目建设风险源进行分析与控制，有利于确保实现项目安全、工期、质量与成本的预期目标，助力地铁建设项目的科学高效推进。

5 结 语

工程实践应用成果表明，BIM技术应用于地铁建设项目岩土工程勘察设计工作中是可行的，本文的研究成果对于工程地质信息的三维展示处理与勘察设计工作的优化具有一定的指导意义。但是，鉴于岩土工程BIM有别于建筑结构BIM的特殊性与不确定性，要将BIM技术完美地应用于岩土工程勘察设计中，仍有一些技术难点需要格外关注：一是地质模型中透镜体、夹层和岩脉等特殊信息的三维立体表达与空间展布情况为二维勘察成果推测而来，其准确的形态有待进一步验证；二是如何快捷地实现与后期的结构设计、现场施工、机电安装等工程的交互融合、多专业综合应用的问题。

总体来看，BIM技术应用于岩土工程勘察设计是大势所趋，其他专业BIM技术的整合也是势在必行的。随着应用经验的积累，新技术、新设备的产生，各类技术难点必将一一攻克。BIM技术在岩土工程勘察设计中广泛有效的应用，将极大地推动勘察设计行业的信息化进程，改变作业方式的同时极大地提升工作效率，进而促进整个建筑业工业化、信息化、智能化的发展。