BIM技术在溶洞概率分析中的应用

吴海祥

（广东省建筑设计研究院有限公司）

1 引言

BIM技术广泛应用于建筑设计行业的信息化过程中，已在国际范围内得到认可。很长时间以来，由于勘察专业工作性质的特殊性，其成果交付以二维柱状图及相关报告为主。设计单位、建设单位、施工单位对勘察成果难以形成全面有效的认知，难以了解到工程地质条件带来的工程地质风险，以及易产生的各类工程问题和安全隐患。BIM技术可运用于勘察成果的三维地质模型中，有利于增强上下游信息交流，减少工程地质风险。

三维地质模型可以直观反映地层、地质构造、岩性的空间分布，在采矿、水利、交通、油藏等行业已得到广泛应用[1-3]。其有多种建模方式[4-7]，以基于钻孔数据的建模方式为主。EVS（Earth Volumetric Studio）软件是一款功能强大的三维地质建模软件，有多年的发展历史，能够建立可实现数据筛选的真三维地质模型，可对模型进行切割、旋转观察，可反映复杂地质体、特殊地质构造的真实情况并进行动画展示。

本文采用Earth Volumetric Studio 软件(以下简称EVS)对广州市某工程进行三维地质建模，建立场地及溶洞三维地质模型，根据溶洞概率分析，为溶洞风险性分析和处理提供参考和依据。

2 BIM建模步骤及模块组合

EVS软件内置了诸如评价、地层、展示、分析、标注、子集化等具有不同功能的模块，模块间的组合类似于可视化编程。不同模块的组合可以建立差异化的地质模型，基于复杂勘察项目建立的地质模型可具有层次化的展示效果。钻孔数据文件主要包括各地层的深度标高等，可以通过excel转换而来，主要数据格式为PGF等。

表1是将钻孔数据Excel导入到EVS中，通过软件自带的工具生成PGF文件。图1为EVS软件基本模块组合。

Post samples：导入钻孔数据生成的PGF文件。

Krig 3d geology：根据钻孔PGF文件设置场地拟建模型的网格形式、范围和网格精度。

Indicator geology：建立三维地质模型，建模方法为指示克里金方法。在此模块中可选择估算类型Estimation Type。估算类型有多种，主要利用到自然临近点法Nearest Neighbor和克里金法Kriging。自然临近点法可以快速建立起场地的粗糙模型用于比对实际数据观察模型是否合理。克里金法可建立含节点数据的平滑岩性模型，但用时较长。

Explode and scale：可对模型进行炸开和缩放，具有较好的展示效果。

External faces：输出模型的外表面，如需对数据进行筛选，需要选择其他模块。

Legend：模型的图例。

Viewer：所有需要展示的模型内容都可以通过连接线连接到viewer模块。Post samples模块连接viewer可将钻孔可视化，External faces模块连接到viewer可展示模型外表面。Legend模块连接到viewer可展示模型的图例。

3 BIM技术特点

3.1 数据集成及可视化

外业钻孔等数据可以通过三维地质建模软件EVS生成场地三维地质模型，提供给业主、设计、施工人员使用。三维地质模型的精度直接取决于数据量，钻孔基本数据、原位测试数据、水文地质信息、特殊性岩体等数据越多，模型集成的信息越丰富，设计、施工人员便能最大限度利用勘探工作提供的资料。

表1 根据钻孔数据生成的PGF文件

图1 EVS软件基本模块组合

3.2 优化性

基于BIM技术的三维地质模型包含的众多信息能直观反映建设工程场地地质构造、特殊性岩土层及周边不良地质的发育情况。依据上一阶段的勘察成果建立的三维地质模型对下一阶段的勘察方案有指导作用，可优化场地不良地质作用较发育地段钻孔布置，合理确定钻探的位置和范围。设计和施工亦可根据三维地质模型确定地质构造、特殊性岩土、场地不良地质作用发育的重点区域，优化设计和施工方案，减少工程造价。

3.3 风险管控

三维地质模型可以较好地反映对场地影响较大的地质构造、特殊性岩土、不良地质作用在场地的发育情况，直观揭示场地地质条件可能带来的工程地质风险，能够提高业主、设计、施工对工程地质风险的认识，做好工程风险规避措施，加强风险管控。

4 工程实例

4.1 工程概况

以广州市某岩土工程勘察项目为例，利用EVS软件建立项目的三维地质模型。该项目场地为珠江三角洲冲洪积地貌，交通较便利，地势较平坦。根据场地61个钻孔的揭露情况，本场地上部第四系覆盖土层主要有人工堆积成因的素填土（松散—稍压实），冲洪积成因的粉质黏土（可塑）、淤泥质土（流塑）、粉细砂（稍密为主，局部松散）、中粗砂（稍密）；残积成因的粉质黏土（软塑—硬塑）；下伏基岩为石炭系灰岩（C）。

4.2 不良地质作用

该项目的不良地质作用主要为溶洞，在勘察的钻探深度范围内，在共29个钻孔中揭露41个溶洞，约半数钻孔揭露溶洞。其中5个钻孔揭露了2个溶洞， 2个钻孔揭露了3个溶洞，1个钻孔揭露了4个溶洞。洞顶标高-25.40m～-2.02m，洞顶埋深19.00m～40.50m，洞高0.24m～28.50m，平均洞高4.46m。

本次勘察揭露的溶洞大部分全充填或半充填软塑状的粉质黏土，呈黄褐、褐黄色，主要由粉黏粒组成，夹较多灰岩碎屑和碎块，少量溶洞无充填，少数溶洞为串珠状溶洞。

4.3 三维地质模型

基于EVS软件，结合项目实际情况，按照前述流程建立了三维地质模型。在模型的使用过程中，可以任意查看项目钻孔分布、整体地质模型、各岩性空间分布、地表高程、溶洞概率模型等（见图2—图5）。EVS是真三维建模软件，模型中每一个节点都存储数据，所以能对数据进行筛选。本项目地表起伏较大，在地表高程模型中有所展示（见图3）。EVS模型的概率跟钻孔的分布有关，钻孔越密集，模型越精确，模型局部区域的概率越高。模型概率为100%的区域一般是钻孔位置，距离钻孔越远，模型的概率越小（见图3）。从而可知，三维模型的概率、可靠度取决于钻孔的分布和密度。EVS溶洞概率模型能够根据已有钻孔资料判断出场地最有可能是溶洞的区域，方便后期进行针对性处理。如图5所示，在溶洞概率大于80%空间分布模型中，场地南侧溶洞风险最大，须建议施工单位、设计单位注意风险。

5 结语

图2 各岩土层空间分布

图3 整体模型、考虑地表高程的整体模型、整体概率模型

图4 溶土洞的空间分布

图5 溶洞概率模型分析

BIM 技术对于工程建设具有重大影响，对已有的岩土工程勘察项目建立三维地质模型是现有BIM技术应用的重要补 充。EVS（Earth Volumetric Studio） 是一款适用于地球科学领域的可视化3D建模分析软件，可实现真三维的地质体数据建模、分析及可视化，可积极运用于市政工程及隧道工程等大型复杂项目的勘察工作中，能够对勘察钻孔布置、设计和施工方案进行优化，减少不良地质作用等引起的工程地质风险，为工程项目顺利建设提供保障。