基于BIM技术的复杂岩溶地区三维地质建模方法研究与应用

徐 涛，莫 凡，林细桃，高宗立，彭伯伦，梁 换，蒙相霖

(1.广西南宁国际空港综合交通枢纽建设有限公司，广西 南宁 530300；2.中国建筑第八工程局有限公司广西分公司，广西 南宁 530300)

0 引言

BIM技术作为建筑行业新兴技术，在计算机技术支撑下发挥强大的功能。但BIM是信息核心，目前呈现出的3D模型只是信息的表达方式之一[1]，如今该技术已成功运用于房建等行业，但对岩溶区复杂岩溶地质部分的研究相对较少。近年来为实现三维地质空间信息的管理、集成、地质解译和可视化预测及分析，三维地质建模技术兴起并得到发展。如今有基于钻孔数据生成实体三维模型的算法和基于地质剖面数据三维矢量生成的算法，虽然为三维地质建模带来新的技术手段，但存在一定局限性，即2种算法能快速生成简单的三维地质模型，却无法生成复杂岩溶地质模型，更无法准确表达岩溶地质信息。

如今不少学者利用BIM技术对地质建模进行相关研究，刘莉等[2]通过Civil 3D等工具，自地表而下逐层建立三维地质体，并整合生成最终的三维地质模型，并基于Civil 3D二次开发建立三维地质补充板块。夏锋[3]以张掖轨道工程为例，对地质BIM建模由点到面再到体的工作流程进行阐述，为地质BIM技术的开发与完善提供参考。钱睿[4]基于Civil 3D平台进行二次开发，对某煤矿厂的地下地质建模进行应用，实现基于 BIM的三维地质建模，同时开发数据交互、区域均分和空间插值等模块。

综上，利用BIM技术在三维地质建模方面的应用仍处于初级阶段，且工程所处地区地貌相对简单，对复杂岩溶地区的应用较少，缺少适合于复杂岩溶地区的三维地质建模方法。因此，基于南宁国际空港综合交通枢纽工程，提出以BIM技术为基础的复杂岩溶地区三维地质模型建立方法，同时围绕三维地质模型列举并介绍相关模型应用。

1 工程概况

南宁国际空港综合交通枢纽工程位于南宁吴圩国际机场既有T2航站楼前，是广西第一个集民航、城际铁路、公路、城市轨道交通等功能为一体的大型现代综合交通枢纽，如图1所示。主要分为地上1,2层，总建筑面积30.5万m2，其中地下建筑面积27.2万m2，地下面积占89%，项目建成后将极大完善南宁交通体系。

图1 工程建设项目示意

1.1 工程地质条件

工程地区属于溶蚀平原区，其中相对高差3～5m，地形较平坦。上覆第四系更新统黏土、粉质黏土、角砾土，一般厚度为10～20m，个别地段厚约25m，表层黏土中多含角砾，下伏石炭系下统大塘阶白云质灰岩夹灰岩。

1.2 水文地质条件

工程场区内地下水分为上层滞水、基岩裂隙水、岩溶水，其中岩溶水对工程有较大影响。岩溶水主要赋存于南崇铁路DK27+650—DK30+150里程段下伏石炭系下统大塘阶白云质灰岩夹灰岩的溶洞、溶隙、溶孔及溶蚀破碎带中，因附近有地下暗河，岩溶发育，溶洞、溶隙贯通性好，补给来源较充足，所以地下水水量较丰富，动态变化相对稳定，因此水位变幅波动不大。但场区岩溶区段的换乘中心工程多位于岩溶水水位以下，施工中易产生涌水、突水现象，且岩溶水对施工影响大，所以需在施工前准确预判当前地质情况，在施工时采取适当的降水、止水措施，从而减小岩溶水带来的影响。

结合工程情况，基于勘察钻探、物探等勘测技术手段，综合BIM技术对复杂岩溶地区进行三维可视化建模[5]，不仅有利于提高复杂地质模型的精度及准确性，更有利于建设者基于模型准确分析地质情况，同时有效减少岩溶水带来的影响。

2 三维地质模型建模方法

2.1 建模思路

为突破传统地质建模方法在复杂岩溶地区表达不清、实用性不高的弊端，提出基于Revit平台，结合钻探、RTK，CASS、电磁波CT、微动探测、高密度电法及水文地质试验等技术，并在多源数据相互印证下，实现复杂岩溶地区三维地质建模的方案。主要步骤如下：数据采集→多源数据相互印证→数据整合及转化→数据修正及细化→三维地质建模。

2.2 数据采集

建模使用的数据是在既有地质勘探资料的基础上，根据场地复杂程度、地下工程类别和埋深、断面尺寸等特点，按照相关规范要求布置勘探点。结合本次工程建模范围，按10～20m间距进行布孔，勘探点按结构轮廓线、承重桩的位置布置，结构角点及出入口与通道、风口与风道、施工竖井与通道等附属工程部位有勘探点进行控制。岩溶地段遇深大溶洞时，钻孔周围增加钻孔，以便查明溶洞发育规模、形态及空间展布情况等。若在勘测中发现其他不良地质、特殊岩土，应根据需要加密勘探点，并进行专题勘察。

2.3 多源数据相互印证

基于地质勘测数据建立初步复杂岩溶地区BIM模型，同时将复杂岩溶地质BIM模型结合电磁波CT法、微动探测、高密度电法及水文地质试验等勘测技术，依托多种勘察方法相互印证，从而获取多源、可靠的地质情况及地下水数据，为分析地质数据及应用地质模型基础。

2.4 数据整合及转化

在原始地质BIM模型及多方勘测技术手段的基础上，借助软件接口整合勘测数据，以提高地质模型精度，步骤如下。

1)首先利用RTK技术快速采集现场高程及平面坐标数据，应用CASS软件生成地形图，并建立数字地形模型(DTM)，如图2所示。

图2 现场高程及平面坐标数据

2)使用电磁波CT技术探测溶洞平面、空间分布情况及内部构造，并应用Voxler软件构建相应的三维数字模型。

3)通过将Revit结合CASS,Voxler软件实现数据横向传递，发挥各软件优势并实现复杂岩溶地质三维可视化、数字化、信息化。根据软件提供的信息表明以上软件均可提供一定格式的文本数据文件(ASCⅡ码文本格式文件)，从而达到传递数据的可能性。

应用C语言编制接口程序，该程序读取CASS及Voxler软件中的RTK.txt,VOXL.txt文件数据﹐然后输出Revit识别的文件RTK.csv,VOXL.csv，打开Revit软件读入这2个.csv文件，最后生成三维数字模型。

2.5 数据修正及细化

基于CASS，Voxler，Revit软件中生成的BIM模型，为提高模型精度，需进一步修正细化模型数据。根据高密度地震映像法、瞬态面波法、地质雷达法等物探数据及溶洞区域加密勘察孔钻探数据，修正地质数据及地质横纵剖面图，细化并完善溶洞、裂隙、断层破碎带的空间信息、边界线、走向及发育趋势，最后得到细化后的三维地质模型，如图3所示。

图3 三维地质模型

3 三维地质模型应用

3.1 基于BIM模型的岩溶区灌注桩技术

由于BIM模型具有可视化特点，通过借助三维模型可有效预判地下岩溶分布位置、埋深、大小及串联情况，从而实现隐伏溶洞三维空间不规则形态可视化，如图4所示。

图4 三维溶洞分布模型

通过分析三维地质模型，能在一定程度上预警串珠型溶洞，同时为复杂岩溶地区排桩施工方案制定提供数据支撑。此外利用Revit二次开发平台，还可获得读取数据的岩溶区排桩取值技术，使排桩参数化自动伸长至持力层，从而精准识别溶洞，自动深入溶洞并满足入岩要求，获得桩长数据，指导现场施工，避免由于多溶洞发育带、夹层存在而造成的错误。

3.2 基于BIM模型的锚索贯穿溶洞技术

在三维地质模型基础上进行深入分析，可智能识别群聚型溶洞、串珠型溶洞、超长型溶洞、无填充溶洞、流塑状含碎石黏土的半填充及全填充溶洞，如图5所示，进而对不同溶洞针对性地采取措施，进行超长型锚索贯穿溶洞成孔施工[6]。

图5 不同类型的溶洞

3.3 基于BIM模型的高埋深岩溶裂隙水控制技术

基于BIM的三维地质模型，结合抽水、提水等试验，综合岩溶地段地下水运动特征、覆盖型岩溶发育情况及基岩面埋深在地下水的季节变动带等特点，能深度揭露岩溶水肌理，有效判断岩溶水的分布情况、稳定水位、埋深、透水性及渗透系数，从而为降水井布置提供数据基础，如图6所示。

图6 三维降水井分析

4 结语

BIM技术将二维图纸向三维可视化、立体化转变，改善建筑业上中下游企业间的通信联系，实现整个生命周期的信息管理，极大提高建设项目的集成度。同时,为建筑业发展带来效益，提高设计乃至整个工程的质量和效率、降低成本。

准确了解施工区域内地质情况为基坑施工前重要环节，目前基于BIM技术的三维地质建模应用仍比较缺乏，本文基于南宁国际空港综合交通枢纽工程，介绍在Revit平台下，结合钻探RTK，CASS、电磁波CT、微动探测、高密度电法及水文地质试验等技术，在多源数据相互印证下，实现复杂岩溶地区三维地质建模的方法。此外围绕复杂岩溶地区阐述三维地质模型应用。将BIM技术应用于复杂岩溶地区，不仅可有效解决复杂岩溶治理问题，且绿色环保、高效建造，具有显著的社会效益、经济效益和环保效益。