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基于BIM技术的岩土工程3D地质模型建立方法研究
时间:2021-03-31 15:05 | 栏目:工程监理论文 | 浏览:次
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摘要:为了解决岩土工程中的三维地质信息模型可直接应用于指导设计、施工过程的问题,通过对常用 BIM 软件在三维地质信息模型创建方法、适用性的对比分析,总结出岩土工程三维地质信息模型创建的高效方法,并通过工程实际应用证明该方法高效、便捷、直观、模型信息齐全、可操作性强,基本满足设计及施工的需求。
关键词:BIM;三维地质信息模型;岩土工程
引言
BIM 即建筑信息模型,是互联网信息技术与建筑工程相结合的一种新兴产物,即通过各种 BIM 相关软件将一个新建项目涵盖的各个组成构件的建筑信息分类存储在数据库中,在项目进展过程中根据需要调取相应的信息进行分析、计算、统计及图形/ 音像表达等功能。 它贯穿于建筑的全生命周期,甚至被很多人认为是建筑行业的第 2 次革命。 BIM 技术自从引入国内,广泛地受到了国内建筑行业的持续关注,民用建筑行业率先进行了 BIM 技术的应用研究,现已扩展至市政、桥梁、铁路、公路、水电、建筑供应商、互联网、物联网等多个行业。对于上部建筑、结构、水暖电设施等专业 BIM 应用研究的日趋成熟,相比之下岩土工程专业 BIM应用尚处于起步阶段。 究其原因主要有:1)岩土工程本身的专业性特点。 岩土工程是半理论半经验的专业,各种模型与实际的吻合度及有效性难以得到广泛认可。2)目前本地化的、专业性的、成熟性的商业化软件仍然在完善中。 现阶段仅仅根据现有软件的功能和模块,将BIM 技术应用到岩土工程的实际项目中还需要专门处理[2-3]。3)BIM 相关软件数据交换统一标准的普及及验证还需要时间的沉淀。4)BIM 收费机制缺失。 勘察及设计阶段提交的成果要求依然是 2D 图纸或报告,若无强制性条件,从经济上考虑,勘察及设计单位并不愿意花代价用于BIM 应用[4]。三维地质信息模型在实际工程的运用中具有十分重要的意义。 目前大量研究的热点主要集中在三维地质模型可视化中的应用、工程量的应用、BIM 平台中工程勘察的应用以及勘察信息系统的研究应用等[5-7],而三维地质模型作为信息的基础载体,其创建方法的合理性、高效性、可操作性直接影响信息模型的应用成效。目前常用的三维地质建模方法主要是基于 Civil3D、Revit 以及一些商业软件(如 GOCAD,Petrel)[8-15],这些软件创建的三维地质模型能够满足三维展示的需求或达到土方工程量统计的目的,然而由于模型的创造通常基于其中一款软件,这样应用的结果会存在以下问题:1) 忽略信息模型应当满足基本信息参数存储及传递的问题;2) 忽略了模型创建方法的适用范围;3)忽略了建模软件对数据量处理的能力不同;4)忽略了模型成果根据应用需求可能存在的数据格式转换问题。本文结合实际工程案例,通过对目前国内常用建模软件 Civil3D、Revit、Tekla 等的建模方法探索、对比分析,寻求一种适用性强、高效的三维地质信息模型创建方法,并通过实际工程应用验证该方法下创建的信息模型能够满足下一阶段的应用需求。
1 三维地质信息模型特点
创建三维地质信息模型是以勘察阶段的各种原始数据为基础,如钻孔信息、地质剖面、地形图、工程勘察数据、化探数据、水文监测数据等,创建可以反映地质结构、结构关系及地层变化规律的数字化模型,以便设计工程师能够根据地质模型进行信息的交流及交互传递、作出设计方案的划分、初步判断及分析,从而更好地规避风险。 创建的三维地质信息模型应当具有以下特点:1)能够体现三维地层的几何分布;2)能够把三维地层的数据信息以通用开放的格式,如图形格式,被其他软件读取;3)三维地层对象中的参数能够被提取,某些参数还可以根据项目阶段的不同在模型中进行增添;4)三维地层对象能够进行任意的剖切及开挖处理。
2 三维地质信息模型基础信息数据处理
由于 BIM 技术在勘察阶段应用缺乏,
目前勘察成果往往还是二维的形式,本文中考虑的是不能直接实现 BIM 信息从勘察到设计阶段的传递的情况,三维地质信息模型创建时需要根据勘察报告及后期应用阶段图纸的要求对地层信息数据进行处理。 处理的数据主要包括地层的分层处理、各钻孔地层位置信息提取及根据工程需要对关键性地层参数的选取。
2. 1 地层数据的分层处理
岩土工程中地层情况往往非常复杂,地层曲面多变,工程范围内牵涉到的地层层数往往非常多,很多情况下往往含有诸多的夹层,这些夹层具有分布范围窄、土层厚度薄的特点,如果在建模过程中把这些情况都考虑进去,会增加建模的工作量及模型建立的难度,因此在模型创建过程中,综合考虑模型的创建效率及工程的具体需要,对勘察阶段所提供的地层空间数据进行合理地简化处理,处理原则如下:1)地层厚度不超过 1m 的透镜体,模型创建时可忽略该地层,将其合并入邻近地层,如图 1 所示。2)钻孔深度存在不一致,对于局部钻孔钻探范围外地层模型的创建原则:若相邻钻孔范围存在该地层,则该钻孔范围外地层模型按邻近钻孔地层考虑。各钻孔空间数据建模时的连接方式采用线性差值法。4)勘察阶段勘探点主要布置在建筑物轮廓范围内,距离地块红线有一定距离,考虑到三维地质模型在施工阶段的应用要求,需考虑对勘探点范围外一定宽度的地层进行建模,该模型创建原则:根据最外圈钻孔垂直方向建立辅助点,辅助点地层信息同邻近钻孔。
2. 2 钻孔地层位置信息的提取
根据勘察阶段成果直接导出各钻孔、各土层基础数据文件(. drl),基础数据包括空间位置XYZ 坐标、土层编号,根据地层数据的分层处理原则,整理数据文件。
2. 3 地层模型参数选取
根据工程项目所处阶段的具体需求确定在模型中需要添加的参数信息,常用的有土的平均天然密度(g / cm3)、黏聚力c(k Pa)、内摩擦角φ(°)、地基承载力标准值(k Pa) 等,具体相关技术参数类别根据各个工程的实际需求情况进行增减。根据基础数据处理原则及具体工程要求,形成具体项目勘察 BIM 技术指南。
3 三维地质信息模型创建方法研究
3. 1 常用三维地质信息模型创建方法
本文综合研究了 Civil3D、Tekla、Revit 等常用 BIM软件在三维地质建模中的创建、模型效果及模型在其他 BIM 软件间传递的情况,旨在找出一种能够满足工程阶段不同需要、快速建模的方法。
3. 1. 1 基于 Revit 的三维地质模型创建步骤
1)在 Revit 中,选择公制体量. rft 样板文件,创建各个钻孔点各个地层分界的参照点模型,点间距即为土层的厚度;然后在每个点模型位置创建参照平面,以不同颜色区分不同土层;此外在族类型属性中加入该钻孔各土层的参数信息,形成各个钻孔的族文件。2)选择公制体量. rft 族模板,创建钻孔族模型,添加各个地层相关的参数信息，3)选择公制体量. rft 族模板,导入勘探点与拟建建筑物平面配置图. dwg 文件,然后插入各个钻孔族,并对照 CAD 底图将其放置在对应的平面位置，4)采用线性差值的方法连接各个钻孔相同地层的数据,生成三维地层曲面。 各地层曲面生成完成后再在地层边界范围采用相同方法将相邻地层生成曲面。5)添加地层的材质信息。
3. 1. 2 基于 Tekla 的三维地质模型创建步骤
1)通过创建定位点、建立混凝土板构件和修改角点的方式创建单层地质层,2)导入地质勘察的平面 CAD 图,以最外层地质断面作为地层边界的约束条件,根据图纸上的钻孔位置布置定位点。3)捕捉地质层边界点创建混凝土面板。4)修改混凝土板角点的切角属性,编辑该点的顶部垂直坐标 Z1和底部垂直坐标 Z2,生成单层地质模型。5) 编辑该模型的属性信息,添加土层的相关属性,如地质层名称、材质等。6) 利用已建好的模型平面图创建剩余地质层模型。7)建立地质钻孔物探模型,采用创建混凝土柱的方法,然后使用零件切割的命令,让混凝土柱对地质层依次进行切割,将物探信息添加至模型中。
3. 1. 3 基于 Civil3D 的三维地质模型创建步骤
1)根据地层数量n,Civil3D 中创建相应数量n+1 的曲面,首层曲面为地表曲面,2)在每个曲面中根据地形平面图或勘察形成的点数据文件,使用等高线命令或载入点文件等方法直接生成各层地形曲面,其中注意对原平面图中标高为0 的点进行排除处理。3)在相邻两曲面间通过提取曲面实体生成三维地质体模型(. dwg 文件)。
3. 2 常用三维地质信息模型创建方法的对比分析
通过对常用 BIM 建模软件的研究,从各个软件的优缺点及适用范围进行对比分析。
3. 3 岩土工程三维地质信息模型创建方法选择
通过对常用 BIM 软件建模的比较,考虑工程项目的实际应用需求、不同软件数据间传递效果、建模的效率与质量对比,三维地质模型的创建建议采用 Civil3D 与 Revit 软件相结合的方式进行,这样既融合了Civil3D 强大的数据处理优势,同时也加入 Revit 中对参数、材质信息存储及可传递的优势。
4 某岩土工程三维地质模型实际应用
某岩土工程项目规划范围总用地面积约 5. 4 万m2,涉及 104 个勘探钻孔,孔深 15. 00 ~ 50. 00m,根据甲方需求需建立三维地质信息模型,要求该信息模型需满足以下几条:1)三维展示。2)存储土层技术参数信息,包括成因年代、密度、黏聚力 c、内摩擦角φ、地基承载力标准值、土体与锚固体极限黏结强度并且通过现场土样拍摄,赋予土层的真实材质。3)能够在该模型基础上进行开挖操作,应用于土方施工过程模拟。4)实时统计各类土体土方工程量。该项目采用 Civil3D+Revit 的三维地质信息模型创建方法。
5 结论与讨论
BIM 改善了整个建筑业中上下游企业之间的通信和通信联系,实现了项目整个生命周期的信息管理,极大地提高了建设项目的集成度。 同时,也为建筑业的发展带来巨大的效益,使设计乃至整个工程的质量和效率显著提高,成本降低。 岩土工程勘察作为建筑业上游至关重要的一环,目前 BIM 技术在岩土工程领域的应用还比较缺乏。 本文通过对上述几种常用 BIM软件的研究,了解其在三维建模方面的优点及不足,探寻了一条比较适合、高效的模型创建方法———Civil3D结合 Revit 建模方法,该方法能够较高效高质量的满足一般岩土工程勘察阶段对三维地质模型的要求,但是对于该种方法形成的成果上还是有些问题需要进一步研究探索,主要存在如下问题:1)三维地质模型的地层数据处理的过程中对地层的划分人为的主观性占主要比例,这样使得做好的模型剖切时与原有勘察报告具有偏差性;2)曲面及实体的形成方法采用的是简单的线形插值法,人为干预只能通过加密点的方式进行;3) 复杂或较薄( 一般 0. 5m 厚以下) 地形体的Civil3D 地质模型在导入 Revit 中进行二次加工时,往往会存在三维数据无法分解,一旦分解就会使得三维体量数据部分或全部丢失的情况。这些问题需要通过二次开发的手段进一步完善。
参考文献
[1]李明智,唐军,何云,等.BIM 岩土工程建模与应用:以贵阳窦官基坑为例[J].灾害学,2018,33(增刊 1):64.
[2]黄佳铭,郑先昌,侯剑,等.BIM 技术在岩土工程中应用研究[J].城市勘测,2016,4(2):157.
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