馬鈺棟，唐君輝

(上海申元巖土工程有限公司，上海 200011)

1 引 言

在新一輪科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革中，信息化與建筑業(yè)的融合發(fā)展已成為建筑業(yè)發(fā)展的方向，并將對建筑業(yè)發(fā)展帶來戰(zhàn)略性和全局性的影響[1]。目前，BIM技術的應用仍主要局限于建筑設計，機電，暖通，項目管理等領域，巖土工程勘察是城市建設工程的重要組成部分，是工程建設中一個重要的工作環(huán)節(jié)[2，3]，但是在巖土工程勘察設計領域中，BIM技術的應用較少。在巖土工程勘察方面，最主流的方式仍是利用傳統(tǒng)的勘察方式，通過野外鉆探和土工試驗獲得勘察成果，并主要用二維圖紙展示出來。由于BIM數(shù)據(jù)的豐富性，BIM數(shù)據(jù)無法完全通過閱讀圖紙來獲得，那么在BIM技術完全成熟的未來，勘察專業(yè)與其他專業(yè)進行數(shù)據(jù)整合時，必然也會用到BIM來完成數(shù)據(jù)的對接。同時，BIM替代CAD已是大勢所趨，將BIM運用到巖土工程勘察中，不僅能提升表達信息的效率，還能提升巖土工程勘察的精準性[4，5]。

住房和城鄉(xiāng)建設部于2015年發(fā)布了《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》，于2016年發(fā)布了《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，文件對于工程勘察信息化發(fā)展提出了明確的要求和指導意見，要求工程師在工程項目勘察中推進基于BIM技術的數(shù)值模擬、空間分析和可視化表達，研究構建支持異構數(shù)據(jù)和多種采集方式的工程勘察信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)工程勘察信息的有效傳遞和共享。因此，如何將BIM用于巖土工程勘察，實現(xiàn)巖土工程地質(zhì)勘察成果的三維可視化及地下空間工程信息的整合與多方面應用，值得進一步的研究。

2 建模流程

2.1 建模軟件的選擇

本文模型基于Revit軟件建立，Revit系列軟件為BIM構建，也是建筑、結構、暖通等專業(yè)的工程師制作BIM模型最常用的軟件。Revit模型中的點、線、面、體都是圍繞一個參考點或是參考面來進行各種變化，但是Revit軟件本身提供的建模方式比較嚴謹，且提供的方法較少，所以僅僅基于Revit軟件，想要解決符合真實地層的復雜曲面的造型問題，不僅需要花費大量時間通過程序進行逐步造型，有時還需要導入其他軟件的實體模型作為參考來創(chuàng)建復雜形體[6]。所以本文選擇對Revit軟件的子程序Dynamo進行二次開發(fā)，使用Dynamo程序進行參數(shù)化的模型，通過模型內(nèi)部參數(shù)來控制曲面的生成，也讓使用者便于修改，管理，讀取其參數(shù)。

2.2 建模步驟

本文建模主要分三個步驟，首先處理勘察數(shù)據(jù)，然后將整理好的勘察數(shù)據(jù)導入到自編程序，最后對建立好的模型進行后處理，即可得到符合真實地層埋藏情況的三維地質(zhì)體模型。本文三維地質(zhì)體建模技術流程如圖1所示：

圖1 三維地質(zhì)體建模技術流程圖

2.3 處理勘察數(shù)據(jù)

巖土體界面的數(shù)學模擬是基于BIM的巖土工程勘察建模的基礎[7]。由于在實際勘察工程中，外業(yè)進行數(shù)據(jù)采集時，采集的數(shù)據(jù)是離散的，且鉆孔間存在一定的距離，在某些勘察工程中，鉆孔的孔距較大。在將勘察成果進行可視化表達，建立三維地質(zhì)體模型時，則需要在勘探點間進行趨勢判斷，采用離散數(shù)據(jù)擬合與插值的方法建立三維地質(zhì)體模型。

本文選擇使用克里金方法進行數(shù)據(jù)擬合與插值?？死锝鸱椒?Kriging)是一項實用空間估計技術，該方法著重于權值系數(shù)的確定，從而使內(nèi)插函數(shù)處于最佳狀態(tài)，即對給定點上的變量值提供最優(yōu)的線性無偏估計[8]。

在以傳統(tǒng)勘察手段進行數(shù)據(jù)處理時，工程師經(jīng)過對外業(yè)實測數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)分析，結合歷史文獻中記錄的土層信息和地質(zhì)學知識，對土層進行分層，將每個鉆孔中的土層數(shù)據(jù)連成剖面，再通過多個剖面來反映土層的具體分布。這一系列中最為關鍵的數(shù)據(jù)，就是每個鉆孔中的土層分層的深度。

本文將勘察成果中鉆孔中土層分層的深度作為原始數(shù)據(jù)，使用克里金方法進行插值計算，得到鉆孔之間預測點的土層分層深度的預測數(shù)據(jù)，這就相當于真實鉆孔之間加入了許多虛擬鉆孔。將這些真實鉆孔和虛擬鉆孔的坐標、分層信息和非幾何信息(比貫入阻力、含水量、重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等)以一定順序?qū)懭隕xcel表格，即完成對勘察數(shù)據(jù)的處理。

2.4 建模程序

本文利用自編Dynamo程序建立三維地質(zhì)體模型，先建立土層幾何形體，再將非幾何信息導入到相應的形體之中。傳統(tǒng)的三維地質(zhì)體模型中，存在一種基于體表示的數(shù)據(jù)模型，如3D柵格、三棱柱(TP)，廣義三棱柱(GTP)等，這類數(shù)據(jù)模型便于掛接地質(zhì)體屬性和便于儲存，但是需要耗費大量的存儲空間，對計算機性能要求很高[9～11]。本文模型中土體非幾何信息，通過Dynamo程序處理后直接存儲于土體族的項目參數(shù)之中，不會存在耗費大量存儲空間的問題。

在程序控制生成土體幾何形體的過程中，本文建模順序基于“點-面-體”基本思想[12]，將鉆孔中單孔分層信息為數(shù)據(jù)源，通過Kriging插值法生成插值數(shù)據(jù)，由插值數(shù)據(jù)生成參數(shù)化的地層曲面，再由地層曲面生成參數(shù)化的地質(zhì)實體，將地質(zhì)實體導入Revit生成地質(zhì)體族實例，最終形成三維地質(zhì)體模型，模型中土體所有參數(shù)都由程序控制。Dynamo程序生成地質(zhì)實體的具體分為如下幾步：

(1)將原始勘探孔單孔分層視為空間中的點，點的x，y屬性為其平面坐標，z屬性為其高程。然后對點進行插值，得到插值點數(shù)據(jù)。

(2)將鉆孔數(shù)據(jù)和插值數(shù)據(jù)進行整理，將其錄入Excel中，再利用將該表格導入Dynamo程序中，程序讀取各點數(shù)據(jù)，生成點云。

(3)通過Dynamo程序，由點云生成各層的地形曲面，再從各地形曲面提取曲面，每個曲面由若干三角網(wǎng)擬合而成。相鄰各曲面創(chuàng)建實體，再將這些實體導入Revit中，生成地質(zhì)體族，對各地質(zhì)體族命名，族名即為其土層層號。

(4)通過Dynamo程序，獲取地質(zhì)體族，再根據(jù)層號索引，對各地質(zhì)體族導入其物理力學性質(zhì)。

(5)通過Dynamo程序，利用各勘探孔數(shù)據(jù)，生成勘探孔族，并對每個勘探孔族按其孔號一一命名。最后導入地形數(shù)據(jù)，在Revit中生成首層地形曲面，即完成三維地質(zhì)體模型的建立。

本文結合某巖土工程勘察實例，將該工程勘察數(shù)據(jù)導入Dynamo自編程序建立了三維地質(zhì)體模型，以此例對程序建模過程進行說明。該模型根據(jù)勘察數(shù)據(jù)生成的點、根據(jù)點生成的地形曲面、最后形成三維地質(zhì)體模型如圖2～圖4所示：

圖2 根據(jù)勘察數(shù)據(jù)生成的點

圖3 根據(jù)點生成的地形曲面

圖4 三維地質(zhì)體模型

點擊選中三維地質(zhì)體模型中的具體土體圖元，在屬性欄即可看到該土層的名稱和非幾何信息(比貫入阻力、含水量、重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角)，通過偏移量可計算其具體埋深。

3 應用案例

本文結合巖土工程勘察實例建立了上海地區(qū)某工程的三維地質(zhì)體模型。該工程位于上海市嘉定區(qū)，場地地基土在勘察深度范圍內(nèi)均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成，具有成層分布的特點。該場地的土層可分為6層，共11個亞層，為Q4和Q3沉積物。在該場地北側分布有堆土，場地南側存在一片厚填土區(qū)域，場地東側存在一片地下障礙物。且受到古河道切割的影響，在該場地地下 27 m～35 m處交錯分布有三種土層，分別為第⑤3層灰色粉質(zhì)黏土、第⑤4層灰綠色粉質(zhì)黏土、第⑥層暗綠～草黃色粉質(zhì)黏土。其中，第⑤3層局部缺失，第⑤4層在場地北側分布，第⑥層在場地南側分布。

本文建模方法中，首先對原始勘察數(shù)據(jù)進行插值處理，遍歷各勘探點坐標，得到最小坐標點Pmin(Xmin，Ymin)和最大坐標點Pmax(Xmax，Ymax)，通過這個兩點作為矩形對角，生成矩形，對矩形進行均分，所生成網(wǎng)格的交點便為插值點，由然后進行Kringing插值，得到各插值點的高程。插值點示意圖如圖5所示：

圖5 插值點示意圖

插值完成后，該工程的鉆孔及由插值點構成的虛擬鉆孔的坐標、孔深、孔口高程、各土層層底深度數(shù)據(jù)如表1所示：

勘探孔數(shù)據(jù) 表1

將插值數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進行整理，將整理好的勘察數(shù)據(jù)導入Dynamo自編程序中，由此數(shù)據(jù)生成點云，再由點云生成地層曲面，各地層曲面如圖6所示。再由地層曲面兩兩進行放樣，便生成了Dynamo空間的地質(zhì)體，將地質(zhì)體導入Revit中，生成地質(zhì)體族的實例，最后再由Dynamo程序批量生成勘探孔族并將土的物理力學性質(zhì)導入地質(zhì)體族，如此便建立了該工程符合真實地層的三維地質(zhì)體模型，該模型如圖7所示。

圖6 地層曲面

圖7 三維地質(zhì)體模型

成果使用單位在使用該模型時，可任意拉剖面以便查看模型內(nèi)部土層走向?？辈靾蟾嬷衅拭鎴D和模型剖面如圖8、圖9所示。由剖面圖對比可知，三維地質(zhì)體模型的剖面所反映的各土層的分布及走向與勘察報告中的剖面圖一致；各土層層面由插值點生成，其擬合的層面的高程與勘探點揭露的土層的高程相吻合，如選中⑤3層所代表的地質(zhì)體族實例，該地質(zhì)體表面在勘探孔C2處的高程與勘察報告中C2孔所揭露的⑤3層的層面高程一致。由此可知，該模型能較好地模擬勘察報告中的地層分布。

圖8 勘察報告中的剖面圖

圖9 模型剖面

除此之外，通過觀察模型，能直接看到其模型層面較高的區(qū)域，這片區(qū)域反映了該場地的堆土區(qū)。選中模型中的厚填土圖元，能看到其在場地具體的分布，在屬性欄可讀取其體積，以便設計單位在考慮換填方案時估計填土的土方量。本工程若使用樁基礎，且樁端入土深度在 27 m～35 m之間，那么設計單位將樁直接置于三維地質(zhì)體模型之中，就能判斷每根樁樁底具體置于哪一層土中，選中該土層，能在屬性欄中直接讀出其物理力學性質(zhì)，便于設計單位進行承載力的計算。

4 結 論

巖土工程勘察數(shù)據(jù)是建筑BIM模型的重要組成部分，將巖土工程勘察數(shù)據(jù)信息整合進BIM模型具有現(xiàn)實的工程需要和廣闊的應用前景[13]。目前BIM在勘察領域中的應用較少，市場上存在建模軟件可以建立符合真實地層的三維地質(zhì)體模型，但這種模型不能導出來供設計單位直接使用。本文根據(jù)勘察工作的特點，整理一套基于Revit建立三維地質(zhì)體模型的方法：首先選擇了適合對勘察數(shù)據(jù)進行擬合的插值方法，然后編寫了可以在Revit中生成三維地質(zhì)體模型的Dynamo程序。利用該方法，本文根據(jù)上海地區(qū)的巖土工程勘察實例，建立了三維地質(zhì)體模型，該模型中地層走向與已出具的勘察報告中的對土層的描述基本吻合，并將原來二維圖紙中的勘察數(shù)據(jù)直觀地展現(xiàn)在模型之中。本文提供的建模方法，建立了能直接供設計單位使用的三維地質(zhì)體模型，該方法對于今后BIM在勘察領域中的應用提供了新的思路和建模理論的參考。