BIM技术在扬子江国际会议中心岩土勘察设计中的应用

孔辰

摘要：近年来将BIM技术应用于岩土勘察设计领域受到了业界广泛的关注。本文使用EVS软件建立了扬子江国际会议中心的三维地质模型，基于该模型进行了基坑开挖模拟及工程量计算。实践表明将BIM技术应用于岩土勘察设计领域可以优化数据的存储方式、提高信息的传递效率，具有较高的应用价值。本文探索的方法和积累的经验对后期岩土勘察设计领域BIM技术的应用具有一定的参考意义。

关键词：BIM技术；岩土勘察设计；三维地质模型

BIM技术早期主要应用于建筑、结构等专业领域，近年来逐渐为岩土勘察设计领域所青睐。岩土勘察设计应用BIM技术的基础是三维地质模型，其原因是三维地质模型不仅是三维几何体，而且是勘察设计信息的存储载体。基于三维地质模型的单元和节点可以存储各类信息，且信息的传递更加便捷高效，方便后期开展各种应用。

自上世纪末期以来，国内外逐渐涌现出一批优秀的三维地质建模软件，使用者由最初的石油、矿山领域逐步扩展到工程领域。三维地质模型的建模方法通常是采用克里金插值法或离散光滑插值法来生成地层面，再由地层面构成地质体；对于复杂情况也可直接进行三维空间插值直接得到地质体[1-3]。经调研发现，Earth Volumetric Studio（简称“EVS”）软件以数据为驱动，以模块化的形式提供建模工具，建模逻辑较为清晰、操作比较灵活、模型展示效果较好，能够满足工程领域的需求。因此本文使用EVS软件建立扬子江国际会议中心工程场地的三维地质模型并进行基坑开挖模拟。

一、工程概况

扬子江国际会议中心项目位于江苏省南京市浦口区顶山街道滨江大道以东、定向河以南、长江以西、广西埂大街以北。包含国际会议中心、配套酒店、配套办公、地下车库、室外道路、广场及绿化等，总用地面积7.95万平方米，总建筑面积共约17.96万平方米，其中会议中心地上约6.14万平方米、配套四星酒店地上约5.19万平方米，其它办公活动空间约1.0万平方米、地下空间约5.63万平方米，项目效果图如图1所示。

图1 项目效果图

二、EVS简介

EVS是一款数据驱动的、以参数化方式建模的三维地质建模软件，适用于工程地质建模、大区域地质建模等，模型能够较好地体现透镜体、尖灭、断层、岩溶等地质条件，通常以勘察钻孔数据叠加地形数据进行三维地质模型的建立。模型由若干具有岩性属性的四面体或六面体构成，模型可与其它面对象或体对象进行空间布尔运算，实现基坑、边坡、隧道等的开挖操作并计算开挖工程量。

EVS建立三维地质模型的主要方法有地层建模、岩性建模、混合建模。地层建模适用于成层性较好的地质条件，可表现尖灭、透镜体、互层等；当拟建模场地具有较复杂的地质条件，没有明显的成层性，或场地中含有溶洞、土洞或矿体时，可采用岩性建模方法；若基岩面以上成层性较好而基岩面以下成层性较差时，可采用混合建模方法，即基岩面以上使用地层建模方法、基岩面以下使用岩性建模方法。

建模数据在EVS中的表达方式为空间离散点，需进行插值运算方能形成三维地质模型。常用的插值方法主要有：① 克里金法，又称空间自协方差最佳插值法，该方法考虑属性值在三维空间中的变异分布，在每个需要插值的点附近确定出对该点属性取值能够产生影响的距离范围，使用这个范围之内已有采样点的属性值估计出需要插值点的属性值；② 自然邻近点法，对于一组泰森多边形，当在数据集中加入一个新的数据点时，这些泰森多边形就会被修改，同时使用邻点的权重平均值来决定待插值点的权重，从而得到待插值点的数值；③ 最近邻近点法，该方法假设任一网格点的属性值都使用与它距离最近的位置点的属性值。

扬子江国际会议中心所在场地主要覆盖第四纪松散沉积物，根据形态、成因、微地貌特征，该场地属于长江漫滩地貌单元，因此选用地层建模方法进行三维地质模型的创建，其基本原理是先根据标准层序从上到下依次确定每个地层的分界面，再将这些地层面封闭围合形成地质体，最终得到三维地质模型。由勘察钻孔离散点数据形成地层面采用克里金插值方法。

三、模型建立

首先从地质剖面图的钻孔中提取建模所需的信息形成建模可用的钻孔数据文件，为此本文编写了AutoLisp程序来辅助人工整理完成此项工作。建模所需的钻孔信息主要有钻孔编号、钻孔的X坐标和Y坐标、孔口标高、每一地层的名称、每一地层的顶部深度和底部深度。

然后根据整理好的钻孔数据文件按照场地标准层序从上到下进行三维层序划分。将钻孔数据文件导入create stratigraphic hierarchy模块并依次进行地层面的写入操作即可进行三维层序划分，完成后软件自动生成三维层面数据文件（.geo）文件。

扬子江国际会议中心场地标准地层及其状态特征如下：

杂填土（1-1）：主要由大量建筑垃圾、砖块碎石等混粉质黏土、粉砂，部分为老地基和道路，局部下部分布有灰土垫层。

粉细砂（局部素填土）（1-2）：主要以粉砂、细砂构成，稍密，主要矿物成分以石英、长石为主，含云母碎片，夹植物根茎。

粉质黏土（2-1）：软~可塑，韧性和干强度中等，切面稍有光泽。

粉质黏土（2-2）：软~流塑，局部夹粉土、粉砂，呈千层饼状，具水平层理，无摇振反应，刀切面稍有光泽，干强度中低，韧性中低。

粉土夹粉质黏土（2-3）：稍密，软塑，夹薄层粉砂，含云母碎片，水平层理发育，摇振反应中等，干强度低、韧性低。

粉砂夹粉土（2-3）：饱和，稍~中密，水平层理发育，呈透镜体分布于2-3层中。

粉砂（2-4）：饱和，中密，水平层理发育，局部夹粉土和粉质黏土，含云母碎片，级配差。

粉细砂（2-5）：饱和，密实，夹粉土，水平层理发育，局部层底为中砂，局部夹粉质黏土，含较多云母碎片，级配一般。

含砾中粗砂（3-1）：饱和，密实，砾石成分为石英质岩，呈亚圆状，粒径一般0.2~5 cm，局部大于5 cm，含量约2%~10%，局部为粉细砂、砾砂。

中粗砂混卵砾石（3-2）：饱和，密实，卵砾石成分为石英质岩，呈亚圆状，粒径一般0.5~8 cm，局部大于10 cm，含量约15%～25%。

强风化泥质粉砂岩（4-1）：呈密实砂土状，夹砂岩硬块，极易水解软化，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

中等风化泥质粉砂岩（4-2）：泥质胶结，粉砂质结构，随成分中粉砂含量增加，强度也随之增加，岩芯呈柱状、短柱状，局部块状，局部较破碎，裂隙稍发育，属极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

最后将.geo文件导入软件并建立三维地质模型，该过程中用到的建模模块主要有gridding and horizons模块（设置模型网格范围、网格精度并读取.geo文件插值形成各个地层面）、horizons to 3d模块（将模型侧面封闭形成三维地质体）、distance to 2d area模块（按所需区域范围切割模型）、intersection shell模块（将模型进行渲染显示）。

由上述流程生成的扬子江国际会议中心整体三维地质模型如图2所示，地层炸开显示效果如图3所示，地层单独显示如图4.1~图4.12。在三维地质模型中，可从任意角度查看各地层的总体分布情况，在炸开的地质模型中可以方便地查看所有地层，对于较为特殊或需要重点关注的地层可以单独显示出来进行观察。相对于传统的勘察报告、柱状图、剖面图等资料，三维地质模型更为清楚和直观，能够为后续的设计和施工环节提供一定的参考。

图2 整体三维地质模型

图3 地层炸开显示

图4.1 杂填土（1-1）

图4.2 粉细砂（局部素填土）（1-2）

图4.3 粉质黏土（2-1）

图4.4 粉质黏土（2-2）

图4.5 粉土夹粉质黏土（2-3）

图4.6 粉砂夹粉土（2-3a）

图4.7 粉砂（2-4）

图4.8 粉细砂（2-5）

图4.9 含砾中粗砂（3-1）

图4.10 中粗砂混卵砾石（3-2）

图4.11 强风化泥质粉砂岩（4-1）

图4.12 中等风化泥质粉砂岩（4-2）

四、基坑开挖模拟

三维地质模型是由若干四面体或六面体构成的，它可以与其它面或体模型进行空间布尔运算，用于本项目即是进行基坑开挖模拟，此外还可在开挖后得到挖方工程量。施工前进行开挖模拟及工程量计算，可以为施工单位的土方作业方案提供基础数据，且开挖后的模型能够较好地显示基坑内各个地层的分布情况，有助于相关人员提前制定特殊地层的处理方案。

基坑开挖模拟时，首先根据基坑设计图纸制作三维基坑开挖面，然后使用distance to surface模块，以三维开挖面为分界面对地质模型进行开挖操作。本项目基坑底大部分标高为3.20 m，图5为三维基坑开挖面，图6为基坑开挖后的效果。

图5 三维基坑开挖面

图6 基坑开挖效果

表1为挖方工程量计算结果，从中可以看出1-2层粉细砂（局部素填土）的挖方工程量最多。

表1 挖方工程量计算结果

地层编号	地层名称	挖方工程量（立方米）
1-1	杂填土	288463.4
1-2	粉细砂（局部素填土）	611826.8
2-1	粉质黏土	181093.9
2-2	粉质黏土	81504.2
合计		1162888.3

为了更大程度地发挥BIM技术的优势，本项目将基坑开挖后的地质模型与基坑支护结构三维模型进行了融合，一方面使勘察三维模型和设计三维模型由孤立存在的状态变为了相辅相成的状态，另一方面将二者融合在一起便于发现存在的问题以便及时改正，同时能够更加清楚直观地向施工单位传递设计者的设计意图。

由图7可以看出，基坑边缘除了AC和G’H段为两级放坡开挖、FG’段为一级放坡开挖之外，CF和JA段支护结构类型为双排钻孔灌注桩，HJ段支护结构为单排桩（局部双排桩）。图8对于较复杂的HJ段支护结构进行了放大显示。

图7 基坑开挖模型与支护结构模型融合

图8 HJ段支护结构

此外，通过“文字+区域填充”的形式在基坑底标注了局部“坑中坑”的开挖面标高，丰富了三维模型所包含的信息，使三维模型无论表面还是内涵都变得更加立体和饱满，如图9所示。

图9 基坑底局部标注

五、小结

本项目由勘察数据建立三维地质模型，以此为基础进行了基坑开挖模拟、挖方工程量计算、支护结构设计成果集成。所建立的三维地质模型直观地反映了工程建设场地的地质情况，基坑开挖模拟和挖方量计算为施工单位提供了有效的数据基础，基坑支护结构设计成果与三维地质模型的融合实现了勘察和设计信息的一体化。因此将BIM技术应用于岩土勘察设计领域能够提高工作过程中信息的利用和传递效率，具有较高的实际应用价值。

参考文献：

[1] 雷赟,孔金玲,张峰,等. 基于EVSPro的3D地质建模[J]. 地球科学与环境学报,2008(1):107-110.

[2] 刘礼领,叶静风,田龙强. 电力工程三维地质建模流程[J]. 勘察科学技术,2018(S1):100-102.

[3] 张峰,杨军海. 基于广义三棱柱和Kriging插值的三维地层建模[J]. 灾害学,2018,33(S1):30-33.