基于BIM的岩土工程勘察信息模型快速建模方法

2020-04-30郑国栋

福建建筑 2020年3期

郑国栋

(福建省建筑设计研究院有限公司福建福州 350001)

0 引言

岩土工程勘察是工程建设全生命期不可或缺的一个重要阶段，其成果是工程地基基础设计、施工的重要技术依据。随着BIM(Building Information Modeling)技术在工程建设领域的应用越来越广泛、越来越成熟，运用三维可视化信息模型集合工程全生命周期不同阶段各参与方的数据、信息资源，使不同阶段各参与方之间的数据信息得到共享和协同工作[1-6]。岩土工程勘察运用BIM技术势在必然。但由于地质成因以及在不良地质作用条件下，其所构成的建构筑物地基的岩土体在三维空间分布形态上均是无规则的非几何体，显然难以直接采用由不同几何体组合的建构筑物BIM三维建模软件和方法，这对于进一步深入而广泛推进岩土工程勘察BIM技术的应用，无疑是一个必须面对和亟待解决的一大难题。

基于此，本研究立足实现基于BIM应用条件下岩土工程勘察信息模型快速建模[7-15]和建立岩土工程勘察数据标准，利用现有可构建非几何体的三维建模软件，研发相关联的插件，以快速实现在BIM应用条件下的岩土工程勘察信息模型，促进岩土工程勘察在工程建设全生命期BIM平台上协同工作以及数据和信息共享。

1 基于BIM条件下的工程勘察信息模型建模条件

目前，国内外研发的三维地质建模软件产品已有数十款，主要都是为满足某个专业领域应用而开发的三维可视化建模软件，尚未有基于BIM应用条件下适用于岩土工程勘察领域且被普遍接受和广泛应用的三维信息模型应用软件。由于现有的三维可视化地质信息模型应用软件均不是基于BIM理念下开发的，因此无法实现多专业的数据信息共享和协同工作，所建立的三维可视化地质信息模型于是都形成了信息孤岛。因此，基于BIM条件下的勘察信模型应具备以下条件：

(1)勘察数据标准化和数据库建立。首先应实现勘察现场测量、勘探、测试、试验等各专业源数据的自动采集、传输和存储，构建满足BIM应用条件的数据库系统，建立数据标准和交换标准。所有进入数据库共享层的模型数据均应具备三维属性，并应符合数据交换标准要求，这是实现快速建模的先决条件，才能使所建立的岩土工程勘察信息模型满足工程全生命期各参与方之间的数据无损传递、信息共享和协同工作。

(2)工程地质分析推演系统与和快速建模共存。目前所有的三维地质体均是根据有限的勘探数据源进行划分和推演。地质模型的数据源主要由钻孔、物探以及地质测绘等野外勘察手段获取的原始数据组成。建筑信息模型是根据设计图纸进行建模，模型的尺寸是已知的。与建筑信息模型不同，工程勘察信息模型需要根据有限的数据进行分析推演，即工程勘察信息模型的建模过程也是对地质体空间的推演过程，特别是当地质体复杂或出现异常的情况下，需要专业技术人员从工程地质学的角度进行分析并适当地进行人工干预。创建工程勘察信息模型应能够高效快捷，如果创建一个模型历时过长，甚至远大于绘制传统二维剖面的耗时，这显然违背了创建三维模型的初衷。

(3)数据分析处理和协同工作。岩土工程勘察信息模型除了应具备三维可视化功能外，还要充分发挥其协调性，对数据进行分析处理，为其他专业提供协同工作的可能性。在所建立的层级数据库里，可随时根据需求调用工程勘察数据信息进行分析处理，在同一平台下满足设计阶段和施工阶段项目不同参与方的使用需求。如基础的设计、基础方案优化、岩土工程设计、岩土工程监测等，达到协同工作的目的。将工程勘察数据库、基于BIM条件下的岩土工程勘察信息模型、设计分析模块有机结合起来，达到数据信息统一标准、数据共享和协同工作。

(4)标准化出图。BIM目前的应用正向设计，由于软件操作复杂、硬件设备要求高、工效慢等原因，这也正是目前工程设计还离不开传统二维CAD制图方式的主要原因，更多是由于业主或其他项目参与方的需求，不得不采用逆向BIM设计即翻模方式，无形之间增加了设计人员不少的工作量，也失去了BIM指导设计目的。真正基于BIM条件下的工程勘察应该摆脱这种困境，应采取正向设计方式建立基于BIM条件下的工程勘察信息模型，然后通过三维信息模型任意剖切导入CAD软件进行标准化出图。传统采用CAD软件绘制工程地质剖面图，地层分析主要采用内连外推的方式进行简单处理，仅根据剖面内的钻孔信息推演出来的地质体在空间上解释往往是多解性，同时给设计人员设计时造成一定的困扰。而通过工程勘察信息模型推导的地质体在空间上具有唯一解释，因此由三维信息模型任意剖切导入CAD软件自动生成的二维剖面图，具有唯一性，设计人员可以充分利用三维可视化岩土工程勘察信息模型进行精细量化设计。

2 三维快速建模方法

2.1 建模思路

三维快速建模流程如图1所示，大体可以分为以下6个步骤：

图1 快速建模流程图

①地形测绘、周边已有建筑和构筑物的收集，创建地表模型。

②将原始勘探资料(钻探、物探、地质测绘等野外勘察手段)录入到标准化的层级数据库内。

③根据层级数据库创建勘探点模型，并根据预设的控制剖面，生成初始化剖面资料。

④对地层进行界面的分析，通过数据库的数据和勘探点模型在空间展示的情况，利用空间插值和基于地质成因机理进行地层曲面修正相结合的方式，将地质界面在三维空间的延展和收敛，该部分在三维建模中是核心技术部分。

⑤划分地层界面和特殊地质体分布情况，分别生成相应的地质曲面与地质体，结合地表模型，生成岩土工程勘察信息模型。

⑥根据勘察标准出图的要求对三维地质体进行剖切，获取剖面资料并标准化出图，还可根据设计需求生成等深线图。

2.2 勘探点模型

调用层级数据中库存储的勘探点数据信息，在模型三维软件中生成钻孔模型，如图2所示，同时将勘探平面位置图从CAD导入到模型中，通过不同角度核对模型数据的合理性，并为下一步地质体三维建模提供依据。

图2 钻孔模型及勘探点平面位置图

2.3 空间插值方法

岩土体界面的数学模拟是建立三维地质模型的基础。构建建设场地岩土体三维岩土工程信息模型时，不宜直接采用Dulauny三角剖分法构造空间不规则三角网(TIN)来构建地质界面。由于在满足现行国家技术标准的基础上工程勘察勘探点间距往往相距较远，所获取的地层原始数据信息尚不能满足构建信息模型所需精度要求，需要从地质学的观点和工程实践经验出发对相邻勘探点间的地层界面的变化趋势进行判断；另一方面，如果插值曲面不光滑，则，无法求出地层界面上某点坐标轴的坡向、坡度和曲率。故应采用离散数据拟合与空间插值方法建立三维岩土工程勘察信息模型。

2.3.1反距离加权插值法

反距离加权[16-20](inverse distance weighted, IDW)是一种确定性方法，用于已知散点集的多变量插值。其基本原理是已知钻孔数据点的三维空间信息，即坐标和高程值，勘察区域内所有钻孔数据均对插值点的数据值有影响，距离未知点近的点的影响力(权重)大于距离远的点。若待插值点X的周围有N个钻孔数据点，则X点的高程值为：

(1)

2.3.2克里金插值法

克里金法[16-21](kriging method)是依据协方差函数对随机过程/随机场进行空间建模和预测(插值)的回归算法。克里金法是引入了包括概率模型在内的统计模型，从已知数据的相关性和变异性出发，对有限区域内的位置点取值进行无偏、最优估计的插值方法。在已知的有限区域范围内对待插值点进行估计：

(2)

式中：z(S0)为待插值点数值；λi为第i个钻孔数据的权重；z(Si)为第i个钻孔数据值；N为钻孔的总数。

对于权重系数λi，可以利用如下克里金方程组求解：

(3)

式中γ(xi,xj)为钻孔数据点xi与xj之间的变异函数值；μ为拉格朗日常数。

2.4 基于地质成因机理进行地层曲面修正

由于不同地质成因和不良地质作用，地质体在地下三维空间中的表现形式都是不规则的非几何形体。即使在一个有限空间范围内的建设场地，也会因其成因和不良地质作用使地层存在诸多的不连续、非几何形体的地质界面，如地下空洞、透镜体、夹层、孤石、断层等。因此，采用传统的建模技术和三维BIM设计软件都难以快速有效地拟合出理想且符合地质学的实际地层分布情况。由于受常规勘察点间距偏大的约束，无法完全揭示地层空间分布情况，必须由岩土工程勘察技术人员根据地质学原理地质成因机理，通过相邻勘探点之间勘探成果进行合理的推导和判断，以进一步确定地质体的延伸和分布，对地层曲面进行修正，最终形成地层曲面信息模型，如图3(a)所示。具体做法：可将勘探孔三维信息模型和地层三维曲面模型进行叠加，检查地层三维曲面信息模型和钻孔三维信息模型之间是否契合，并判断地层曲面的合理性(图3(b))，对不合理的曲面进行局部加权系数调整，再插值。检查完毕后，按照曲面间的逻辑关系形成实体三维勘察信息模型(如图3(c)所示)，并交付设计人员使用。为方便设计人员使用，可以把三维实体勘察信息模型中可作为基础持力层的地层曲面单独提取出来，作等深线处理，如图3(d)所示。