BIM技术在中心城区超高层建筑勘察中的应用＊

重庆市勘测院 颜玫 明镜

为在中心城区超高层建筑勘察中实现复杂空间关系的准确模拟，将BIM技术应用到超高层勘察中，实现了重庆塔项目中各类建筑、地理环境、工程地质、岩土设计等数据的集成应用及分析。实践表明，本文方法有利于对专业岩土工程勘察问题的直观分析和交流。

1 背景意义

20世纪80年代，航空工业领域为了减少成本和工期，逐渐引入了数字化制造技术，建立了三维设计、产品生命周期管理（PLM）等新的技术[1，2]。受航空业启发，建筑业也逐渐开始利用BIM技术来提高建筑工程效率，节约项目成本[3，4]。现今的勘察工作中也引入了BIM技术，在关心建筑本身从规划、设计、施工、直到运营的同时，把数字化技术向前延伸，逐渐构建了勘察信息模型（勘察BIM）技术体系[5]。

所谓勘察信息模型，是指基于勘察工作，将反映场地工程地质和岩土工程的相关信息数据集合起来构成的三维数字化模型，具备数据共享、传递和协同功能。

中心城区寸土寸金，核心商业区更是高楼林立。在此开展超高层建筑的岩土工程勘察，往往面临较大的技术难题。（1）地下空间关系复杂，地下交通、地下管线、地下车库、人防洞室等地下建构筑物犬牙交错；（2）环境地质问题突出，中心城区人流密度大，人类活动频繁，对环境地质有巨大的影响，容易造成重要的环境地质问题；（3）安全风险评估难度大。中心城区超高层建筑出现安全事故造成的影响人数多、危害大，需要在准确把握复杂地质情况的基础上做出准确的评估预判。

为了更好地服务中心城区超高层建筑勘察，需要在传统勘察的基础之上，开展勘察信息模型的制作与应用，以便准确理解、展示和交流复杂地质环境，辅助直观地分析和解决地质问题。本文探索了中心城区超高层建筑勘察信息模型制作与应用的技术流程和主要方法。

2 技术路线（总体思路）

本文总体技术路线如图1所示，主要包括8个工作环节。

图1 总体技术路线Fig.1 Overall system structure

2.1 资料收集

尽可能收集场地及周边相关工程的规划、可研及设计资料，收集场地的地质及岩土勘察报告。为了精确表达场地及周边的地下空间，还要收集地下交通、地下管线、地下车库、人防洞室等各类型的地下空间数据。

2.2 场地分析

针对场地主要工程地质问题，对场地相关原始资料和数据进行综合研判，确定其主要类型、坐标精度、可信度等，针对性地确定数据预处理的精度、方法以及后续的BIM模型建模方法，并对场地的技术特征进行综合分析。

2.3 数据预处理

在建模前，需对原始数据进行预处理，以提高建模效率。对原始数据进行格式转化和坐标转换，将空间数据统一坐标体系。对空间数据及其属性数据需要进行分类处理，空间关系要做到去除矛盾，保持空间一致性，属性数据做到字段完备、逻辑合理。

2.4 BIM建模

根据拟解决的工程地质问题，结合资料收集、场地分析和数据预处理成果，针对性确定拟建模区域范围，确定模型元素类型，针对性地对三维地形、地下管线、地质体、基坑设计等BIM模型选取合适的建模精度，建模方法。根据数据类型特点，选择合适的BIM建模软件，开展模型制作。

2.5 模型集成

将地形、地质、管线、建筑等各类三维模型集成到统一的三维空间和三维平台中。集成时，除了要进行模型的数据格式转换统一以外，还要在集成过程中深化对空间关系和专业地质问题的理解，进行各类模型的相互交叉验证，消除模型之间存在空间冲突或逻辑矛盾。

2.6 可视化分析

多类型BIM模型集成后，在三维空间统一基准下开展可视化分析，直观地理解、分析、解决地质问题。模型的可视化分析不限于已有模型，也包括对模型进行虚拟剖切、虚拟开挖等过程产生的衍生分析模型数据。可视化分析可以极大限度的方便对岩土问题空间关系的展示，方便专业思想的交流传达以及技术问题的综合解决。

2.7 专业分析

可视化分析对关于三维空间关系的展示和视觉辅助人工判别有较好指导。而对一些专业技术问题，往往需要在可视化分析的基础上，把分析的中间结果，比如空间形态、数据表格等，导入到专业软件当中进行进一步地分析计算，包括滑坡推力计算、三维位移等数值分析，以便更好地给出专业分析结果，辅助实际问题的综合解决。

2.8 咨询建议

在可视化分析和专业分析的基础上，梳理岩土工程地质问题的解决方案，提出辅助决策的专业意见，针对性给出设计方案的优化调整建议和施工建议。将咨询建议形成文字报告。

3 模型制作

3.1 勘察BIM建模方法

与建筑BIM建模不同，勘察BIM建模更多地是从少量的已知准确数据（如钻探、地面调查等）去反演模拟地下地质界面、三维地质体等，采用的是逆向思维，模型的准确性难以做到完全精确。主要的勘察BIM建模方法包括：

（1）钻孔建模方法。利用勘察钻孔，在对钻孔各分层点位进行层位编号的基础上，依次形成三维空间曲面，经相互交切，封闭形成三维地质体。其特点特别是建模自动化程度较高。

（2）剖面建模方法。利用一系列竖直方向的剖面进行模型构建，从剖面上提取相同层位的地层线（主要是剖面线）作为约束，然后在空间中插值形成三维曲面，最后利用层位的上下关系进行交切，进而封闭成体。其难点在于剖面线的空间对应。

勘察BIM模型除了要利用上述的方法来进行空间几何形态的构建之外，还要附加相应的岩土工程属性信息。

3.2 主要勘察BIM软件

（1）GOCAD。已经在石油开采、地球物理勘探、工程地质等领域广泛应用。将三维空间要素抽象为点、线、面对象，并基于其核心的离散光滑插值技术，能交互生成不规则三角网，实现复杂的地质对象建模。

（2）EVS。它属于C Tech系列软件，提供真三维的体数据建模、分析以及可视化工具。可以利用钻孔数据半交互式生成勘察BIM模型，支持模型的三维剖切和爆炸显示等。其特点在于强大的三维可视化效果和动画模拟功能。

（3）理正岩土BIM。它是由北京理正公司开发，结合其在工程勘察领域的专业技术经验，支持三维连层，在多层交互的地质条件下，可实现地层的自动化分层、快速处理地层分叉和复杂地层关系对应。

3.3 模型集成

勘察BIM模型主要类型包括三维地形、工程地质和岩土设计模型。不同类型的模型数据，往往会选取不同软件进行各类型BIM模型的构建，其数据格式会有不同。为了能够进行集成，需要进行数据转换。一般来说，通过常用空间数据交换格式进行数据导入，如RVT、OBJ、STL等。

4 应用案例

本文选取重庆塔项目作为中心城区超高层建筑勘察信息模型制作与应用的实际案例。

4.1 项目概况

重庆塔位于重庆市渝中区较场口，场地周边高层建筑密集，人口密度大，距离重庆市中心地标建筑——解放碑仅300m，为重庆全市在建第一高楼。主塔地上共98层，建筑高度431m。地下8层，基坑开挖深度43m，为超限深基坑。

4.2 主要难点

（1）相邻建构筑物众多。重庆塔项目场地位于重庆市区最繁华的解放碑CBD，拟建场地被众多高层建筑包围。此外，轨道交通2号线较场口车站也紧邻场地。场地将开挖形成深基坑和超高边坡，工程建设对周边建筑物的安全影响评价难度大。

（2）地下空间关系复杂。除地下建构筑除轨道交通2号线外，还包括解放碑地下环道、临江干道和人行通道，同时周边建筑物基础复杂，地下管网密布（如图2所示）。在勘察过程准确查明其位置与性状，对于保障其安全至关重要。

图2 基坑周边复杂地下空间关系Fig.2 Complicated underground space relationship

（3）地形地质条件复杂。该项目历史较长，2002年时为低矮的居民区，2003年开挖形成基坑，2005年建成部分裙楼。现在将原有建筑拆除后建设重庆塔项目，需对原有基坑继续加深。场地内砂岩和泥岩互层现象突出。

4.3 建模内容

地形BIM建模。利用1∶500高精度地形图，并参考孔口坐标，应用单一界面建模流程和DSI插值算法，可生成网格均匀、曲面精细的地形模型，可真实反映地表的复杂起伏变化。

工程地质BIM。利用自主研发的三维地质建模软件，基于层位标定，实现钻孔分层信息的快速解译，经过边界圈定、空间插值与拟合计算，可快速高效地生成透镜体模型，构建整个场地的地质体模型和立方网模型。

岩土工程设计BIM方面，应用放样法、拉伸法和模型交切方法，快速生成了锚杆、基坑挡墙、桩基础等岩土工程设计BIM模型。

4.4 集成效果

在自主研发的三维可视化平台中，实现了勘察BIM模型的集成（如图3所示），对场地内空间关系进行了三维精细模拟，包括地上地下建构筑物（地上建筑、基坑边坡及支护、地质模型、钻孔、桩基础、管网、场地周边地下建筑及基础、隧道及地下车站等）的空间形态及属性信息等。勘察BIM还实现了复杂交互地层的准确高效模拟，精确刻画了砂泥岩互层尖灭、透镜体等地质现象。

图3 模型集成效果图Fig.3 Integrated effect of models

4.5 应用分析

在三维模型基础上，开展了虚拟钻孔、勘察方案比选、空间量测、基坑虚拟开挖、模型切割、碰撞检测等可视化分析应用（如图4所示），直观辅助了各类实际地质问题的解决。勘察BIM模型还可导出到专业计算软件中进行数值模拟分析，提供专题分析结果。

图4 可视化分析Fig.4 Visualization analysis

5 结语

将BIM技术应用到中心城区超高层建筑勘察工作中，实现了对建筑、地形、地下管线、相邻建构筑物基础、钻孔、剖面、地质体、岩土设计等多类型空间数据的集成展示和可视化分析。在对复杂地下空间关系的精确刻画的基础上，辅助中心城区超高层建筑岩土工程地质问题的交流和分析，实现工程地质信息的共享和流通。BIM技术在重庆塔项目中的成功应用，也证明了该技术路径的可行性和实用性，有效节约了社会资源，保障了工程建设安全。