BIM在建筑工程岩土勘察三维虚拟现实可视化中的运用分析

梁勇

身份证号：1201051985＊＊＊＊5436 天津 300384

引言

1988年，Yvantis首次提出用分形方法模拟地质界面，随后Fisher和mallet采用NURBS和离散光滑插值法建立三维实体模型；1999年，dekepm借助三维贝塞尔曲面实现了复杂地质构造的可视化，此后，许多学者对其表达方式进行了研究并对断层错动地层的显示和褶皱岩体的模拟，取得了许多成果。

尽管BIM以其优越性而著称，但它在建筑、结构等领域得到了广泛的应用，而在岩土工程勘察中，仍采用老旧的勘察方法，就是使用钻探获得有关地质的数据。然而，从BIM获得的测量结果主要是二维图纸[1]。在这样的基础上，怎么把BIM集成到其中，保障从二维的图纸到三维虚拟模型的转换，已经是工作人员急需解决的关键问题。因此，有必要探讨基于建筑工程岩土工程勘察的BIM和三维虚拟建模技术。

1 三维地质建模和BlM的关系

结合岩土工程知识，可以建立岩土工程的三维模型。从广义上讲，三维地质建模包括岩土工程勘察成果的三维可视化[2]。将岩土工程勘察资料、地球物理资料、化探资料、水温探测资料、地震资料、剖面图、等高线图、地质图、地形图等有效资料，直接形成数字三维地质模型，它能直观地显示地质构造的内部属性，全面显示地质构造内部的各种变化及数据规律。数字仿真和基本空间分析能够协助使用者判断信息并规避风险。岩土工程中三维地质建模得到了广泛的应用，通过在岩土工程中建立三维地质模型，为工程勘察提供了极佳的基础条件，让地质规划设计人员和岩土工程师能够真实地、准确地、直观地观察施工区域的地质情况，保证工程设计和施工的科学、合理、准确，减少工程建设分担[3]。BIM在岩土工程勘察中，通过构建三维可视化模型，结合建筑结构等专业知识，开展岩土工程各个阶段的工作。从广义上讲，三维地质建模包括岩土工程勘察成果的三维可视化。将岩土工程勘察资料、地球物理资料、化探资料、水温探测资料、地震资料、地质图、地形图、等高线图、剖面图等原始资料，一次形成数字三维地质模型，它能直观地显示地质构造的内部属性，充分显示地质构造内部的各种数据和变化规律。BIM形成的数字模型可以将真实的地理环境转化为虚拟的图像。数字仿真和基本空间分析可以帮助用户推断信息并规避风险。

2 岩土工程勘察概述

从勘察内容来说，具体如下：①地质特征。地形地貌的形成，同岩石特性和土壤内部构造等因素有关。通过地形地貌的调查，掌握表面环境，并且深入分析岩石和土壤等，了解类型和成因等，为工程设计提供参考。对于岩石风化程度，依据表1判断。②地下水调查。开展调查时，要掌握地下水类型与具体分布等情况。同时要进行气候特征以及降水的调查，力求掌握最全面的资料。除此之外，开展水质分析，判断是否会给岩石与土壤等造成腐蚀。③建筑承载力调查。通过岩石和土壤取样的方式，开展试验研究。依据试验的结果，分析地基承载力，实现对地基变形的精准预测，为工程建筑施工，提供高质量的岩土参数。

3 岩土工程勘察领域应用的BlM软件

从BIM软件在岩土工程勘察中的实际应用来看，BIM软件一般分为以下两种形式：一种是基于BIM模型的分析软件，如可视化软件、结构分析软件、概算软件、施工进度管理软件等，处理绘图软件、深化设计软件等；二是目前基于BIM核心的建模软件，如建筑结构设计软件、机电及系统设计软件等，我国许多企业已经开始自主开发和探索三维岩土工程应用软件。但是，需要采用建筑结构交换的专业数据结构，这使得岩土工程软件无法正常工作。为了将BIM技术应用于岩土工程勘察中，应结合相关的操作技术，利用BIM软件实现三维可视化测量效果。例如，Revit软件已广泛应用于建筑行业中，三维建模技术的发展也相对成熟。它摒弃了基于CAD平台的建模程序，利用Revitapi为其提供了强大的编程接口，实现了某类建筑信息的可视化。此外，用户还可以根据自己的需要使用Revit软件进行扩展，生成所需的三维建筑模型。

4 应用BlM完成岩土勘察三维虚拟建模的过程

4.1 岩土勘察

岩土工程勘察三维虚拟建模的过程是：岩土工程勘察三维建模理论研究－分析岩土工程勘察三维建模的各个阶段－采集数据点－建立地表地形－导入钻孔数据－选择和输入空间插值点－逐层插值－导入和导出数据点－构造地质曲线曲面－地层尖灭－考虑褶皱、断层等构造－基本显示地质体－完成三维虚拟模型的建立[4]。

4.2 岩土勘察三维虚拟建模技术的应用

（1）空间插值法。在实际的操作中，不管是钻孔分布位置或是钻孔的数量都不能完全满足建模要求[5]。因此，在原始测量数据的基础上进行插值，可以保证基础测量数据具有相应的要求，其中有些数据是科学的、准确的。

（2）三维地质建模。利用高程点和等高线建立简单的地表模型是地质界面建模的一种常见形式。当然，如果建模对象是一个复杂的曲面，使用者需要根据具体情况重新对底层进行考虑。把三维模型转换为实体的方法有三种：线框造型、曲面造型和截面造型。

（3）地质数据组织。数据建模最需要应用三维地质建模的主要有钻孔数据图及电子地形图，根据实际情况确定插值方法及其应用，可以起到补充地层缺失数据的作用。Kriging插值法是近年来常用的插值方法，也是本文采用的插值方法。

4.3 Civil3D软件的应用

Civil3D是一种基于AutoCAD的面向基础设计行业的BIM建模方案。该软件通过与多个专业建筑软件的数据交互，完成三维虚拟模型的设计。将Civil3D技术应用于延迟测量过程中，可以实现剖面、场地采集和地表物体的可视化设计。但在实际应用过程中发现，该软件还有一些问题尚未解决，具体表现在以下几个方面：一是不能获取断层、地层反演等地质层特殊的信息资料；二是在插值过程中，不可能随机选择插补点对应的位置空间，插补方案有明显的约束；三是运算速度慢，效率难以大幅度提高。

5 岩土工程勘察BlM应用及实践

为了将BIM技术与建筑结构等专业有机结合，本文将以revitarchitecture建模软件为例，探讨BIM的工作时间。具体操作内容如下：第一步是收集岩土工程勘察施工现场的地质资料。在建筑建模软件中，借助苏街的地质资料，利用“内建模型”组件绘制“三维网格剖面”，并用不同的颜色逐一标注岩土层，实现钻孔数据的三维可视化和分布岩层的规律是直接反映的。第二步，利用绘制的“三维网格剖面”建立该岩土工程地质模型。为了简化三维模型的制作过程，不需要表达岩土层内透镜体的地质表达。在建立三维地质模型后，利用建模软件中的剖面切割工具，得到工程地质剖面图。此过程不同于二维轮廓显示的信息。由建筑软件得到的剖面图代表了一个长方体在岩土层上的投影内容信息。第三步，根据岩土工程的具体情况，在施工现场设置五个桩基础，利用RealGeA软件对建筑物的基础结构进行显示，以达到可视化效果。如果桩基础的承重层位于强风化花岗岩上，则可以直接实现桩基础在承重层上的三维效果图。第四步利用Revita体系结构软件可视化三维地质模型的开挖过程。由于建模软件的局限性，在基坑开挖区选择了表层以下的杂填土、粉土、粉质黏土等。具体施工要求一定程度上决定了岩土工程，对岩土剖面进行了截图处理。在使用revitarchitecture软件进行岩土工程勘察时，由于外物的限制，还有一些问题：一是钻孔数据的输入和岩土模型的建立都需要依靠人工操作。为了保障BIM技术在岩土工程中的有效应用，有必要提高某类施工的效率，保证模型施工的准确性。第二，BIM三维地质建模系统只能处理常规的岩土层。如果岩土层中存在透镜体或尖灭体，BIM技术将不能对底层岩土进行后处理，这将降低测量结果的精度。第三，使用Realga结构软件对基坑开挖进行模拟，只能手动操作。第四，岩土工程勘察模型的输出接口和计算存在一些不足。鉴于岩土工程中BIM技术的应用，为实现可视化勘察效果，解决软件使用的局限性，应建立与岩土工程勘察区一致的岩土数据库，并利用Revitapi实现岩土工程二次开发工程勘察成果，从而解决了岩土工程模型的输出与构造的接口问题。除此以外，在利用Revitapi技术进行岩土工程二次开发时，需要建立精确的岩土底部模型，并参考三维地质模型的相关研究成果。

6 三维虚拟建模对岩土勘测的措施

6.1 开发模块的原则

在使用BIM完成再次开发的过程中，要精确按照面向对象、独立功能、用户友好作为前提条件。面向对象的功能是保障软件的高度集成；功能独立的功能是提高软件系统的稳定性，可以为代码展现更广泛的使用范围；友好的界面是帮助用户学会三维建模软件的使用方法时间不能太长，以及操作和操作软件模式更容易被人们接受。

6.2 模块的功能

（1）生成插值点。大量的实例表明，岩土工程钻探调查的钻孔点分布是不均匀的，而且较为稀松。因此，必须开发插值点的功能，为以后的相关工作提供有力支持。插值点的生成过程包括两部分：用户操作及功能开发。功能开发的过程是：将建模软件与excel对接，在事物中增加插值面积和数量，在事物中增加自动平均循环，提交事物；用户操作过程如下：首先将软件绘图状态确定，然后建模工作完成；选择插值区域；确定具体的插值点数；导出xlsx文件。实际的操作情况下，使用者应注意：确定插值面积和插值点数是保证后续工作顺利开展的前提。

（2）空间插值。空间插值的主要目的是保证生成的地形和地层表面的精度、逼真度和光滑度。它与插值点相同。具体设计过程包括功能开发和用户操作。功能开发过程为：将建模软件与excel对接，设计接口程序，将设计数据导入模块，设计插值函数，完成结果生成程序的设计。用户操作过程如下：完成软件建模工作－输入插补命令－根据实际需要确定插补方法：出现插补窗口，导入xlsx数据，生成相应的插补结果文件。

（3）导出取点。在设计导出取点功能时，还需要考虑两个方面，即功能开发和用户操作。功能开发过程为：建模软件与excel对接－确定空间数据点属性－交易处理与选框结合－提交物品；用户操作流程为：确定空间数据点－输入导出点命令－选择逐帧空间数据点－导出生成的xlsx文件。

7 结束语

总而言之，作为一种全新的勘测技术，BIM的应用范围较大，并得到了国内外众多研究者的认可，由此BIM可以运用在每一个不同的建筑区域，它的发展和巨大潜力是不可能估量的。近年来，随着BIM技术在建筑行业中的逐步运用，有效增加企业之间的沟通与交流，对项目周期进行动态化管理，提升建筑工程集成化水平。BIM作为新的测量技术，它广泛的应用范围，得到了很多研究人员的承认。它可以高效应用于建筑业的各个发展领域，其影响是不可估量的。