工程地质勘察BIM解决方案及应用

杨国平，男，1968年生，副院长，工学博士，教授级高级工程师工程地质勘察BIM解决方案介绍杨国平(北京理正软件股份有限公司，北京，100044)【摘要】本文简要介绍了地质BIM的发展现状，能给工程建设带来的好处，推广过程中遇到的主要困难，以及理正地质勘察BIM整体解决方案；指出完整的地质BIM解决方案应包括地质建模、展示应用、数据接口、二次开发API四大部分，并介绍了理正在此框架下取得的各方面成果。【关键词】地质勘察、BIM、地质三维、解决方案1前言《住房和城乡建设部2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中对工程项目勘察提出下列目标：推进基于BIM进行数值模拟、空间分析和可视化表达，研究构建支持异构数据和多种采集方式的工程勘察信息数据库，实现工程勘察信息的有效传递和共享。工程地质勘察作为工程建设的重要环节，在当今BIM发展如火如荼之时，却一直少见其踪迹；当一提到BIM时，大家首先想到的是上部建筑结构的三维展示或机电综合碰撞检查，对地质部分的BIM需求并不迫切，甚至认为不需要。主要有如下两方面原因：首先，地质BIM软件尚不成熟，地质体的复杂性造成三维建模难度较大，地质体展现与应用十分困难，现有商业化地质建模软件均未达到随手好用的程度，使用成本高；其次，除非重要的关系国计民生的基础设施工程，如水利水电或道路桥梁工程，业主或设计单位才有动力应用地质BIM，一般的民用建筑工程，一般地质情况并不复杂，传统方法已经够用，采用BIM能进一步提高设计施工质量，但成本会提高，且不能立刻产生显著的经济效益。事实上，BIM应该贯穿建筑全生命周期，而不是仅仅局限于上部建筑，岩土工程勘察BIM也是BIM的重要组成部分。目前，地质勘察BIM的研究，大多集中在地质三维建模层面上，地质三维模型概念在1993年首先由加拿大的SimonWHoulding提出[1]，主要应用于石油和采矿等领域，取得了丰硕的成果；而在工程建设领域，工程地质三维模型目前应用最好的是水利水电工程[2]；但是，尚未见到成熟完整的从工程地质建模到应用的地质BIM整体解决方案。实际上，地质建模技术经过几十年的研究，已经相对成熟，无论多么复杂的地质体，都有办法进行三维模拟；目前所缺乏的，是模型建立后成熟的应用方案，例如：如何形象地在三维图形平台中对地质体进行渲染展现，如何随时随地查询地质体的物理力学属性，如何与其它专业的BIM软件协同工作，如何对地质体进行剖切开挖、测量统计等。这些看似琐碎的事项，却是目前阶段影响地质BIM推广的主要因素，是目前需要逾越的最大障碍。理正软件曾在铁路地质建模方面与国内知名设计企业进行深入合作，模型创建的难题已被攻克[3]，但模型的下游应用却遇到了巨大的困难，如下游桥梁专业无法找到一个既能满足桥梁设计、又能够载入地质BIM模型的图形平台，更别说对地质三维模型进行信息查询或后续布尔运算了。鉴于上述原因，构建一杨国平，男，1968年生，副院长，工学博士，教授级高级工程师个完整的地质BIM解决方案是刻不容缓的，是地质BIM向前发展的必需。以下简要介绍理正软件在地质BIM此方面的设想与研究成果，以求对行业发展起到抛砖引玉的作用。2理正地质勘察BIM解决方案整体框架图1理正地质勘察BIM整体解决方案如图1所示，理正地质勘察BIM整体解决方案共由四个部分组成。第一部分，是地质BIM建模软件，BIM模型包括“三维地层模型”+“地层属性信息”两部分，分别由地质三维造型软件和勘察报告编制软件完成；第二部分是通用的BIM模型应用软件，功能包括三维地层可视化、地层属性查询、平纵剖面生成、任意点岩土柱状查询、地层勘测指标的可视化展示、任意开挖剖切等；第三部分是通用数据接口，用于输出通用格式的三维地层模型，以及mdb格式的属性数据库，以便为下游专业提供初步的地质BIM应用与协同能力；第四部分为二次开发API，提供地质模型在不同图形平台或协同设计环境下展现和运算的能力，满足深层次的地质BIM应用与协同需求。下面对四个部分分别进行介绍。3地质BIM三维建模软件3.1地质三维建模方法理正软件提供了两种地质三维造型手段，其一是通过钻孔和剖面图创建三维地质模型的“自动连层建模法”，其二是结合地形数据、平面图、钻孔和剖面图，经过手工编辑创建更为复杂的三维地质模型的“复杂层面手工建模法”。（a）钻孔和剖面（b）地层面（c）三维地质模型图2自动连层建模法“自动连层建模法”一般应用于简单场地地质模型的建立，已知信息主要是钻孔和剖面图，由于地层关系简单，所以可由软件自动快速建立模型。建模方式为：导入钻孔数据，导杨国平，男，1968年生，副院长，工学博士，教授级高级工程师入剖面图数据，设置建模参数（比如尖灭生成的方式），即可一键生成地质三维模型。某小区的三维地质建模，如图2所示。“复杂层面手工建模法”主要应用于复杂场地建模，由于地层连层情况复杂，无法通过软件算法完成快速建模，必需综合考虑各种勘测信息，再由人工判断和修改，形成地层面（包括上表面，下表面，断层面，褶皱面，风化面等等），最后再形成三维地质体。在这种建模方法中，已知信息主要包括DEM数据、等高线数据、工点平面图、纵断面图和钻孔数据，要求体现岩层的分布特点，建模过程中能灵活的编辑修改。某铁路隧道的三维地质建模，建模步骤下（图3）。1)导入DEM数据（TIFF格式）生成地表模型2)导入钻孔数据3)导入工点平面图并进行处理4)导入纵断面图并进行处理5)生成层面6)编辑层面7)生成三维实体模型（a）生成地面模型（b）导入钻孔（c）读入平面图（d）读入剖面（e）生成地层面（f）编辑层面（g）三维地质模型图3复杂层面手工建模法3.2地质三维建模实例理正地质三维建模软件已经成功地应用于房屋建筑、铁路隧道、铁路桥梁、水利水电等行业，部分应用案例见图4。杨国平，男，1968年生，副院长，工学博士，教授级高级工程师（a）房屋建筑地质模型（b）铁路隧道入口地质模型（c）铁路隧道线路地质模型（d）铁路桥梁地质模型图4地质三维建模实例4通用地质BIM展示与应用软件“通用地质BIM展示与应用软件”是理正地质建模的配套软件，除具备理正地质模型读取功能外，还具备如下功能：1）三维地层的可视化2）地层等相关属性的查询3）任意点地层柱状的提取4）任意剖切面、平切面的生成5）任意的开挖和剖切6）任意地质体体积算量7）通用格式模型文件的输出利用通用地质BIM展示与应用软件，用户可以完成对地质模型文件的可视化解读，以及部分简单地质运算，能够满足一般简单情况的需求。对于复杂的需求，比如基于地质模型进行基础、桩基、基坑、场地、隧洞、桥梁、边坡等的分析与设计，则必须使用基于地质模型API二次开发的专用软件完成。通用应用的部分实例，如图5所示：杨国平，男，1968年生，副院长，工学博士，教授级高级工程师（a）地层渲染展示（b）地层信息查询（c）地层开挖（d）地层剖切（e）任意位置剖面图（f）地质滑坡提前预判图5地质BIM展示与应用实例5地质BIM通用数据接口地质BIM模型建立后，如何直接应用于后续专业的工作中呢？最简单的方法就是输出通用数据接口，供后续软件读取。后续软件在应用过程中，一方面要对地质三维体进行读取与展示，另一方面需要得到每一个地层的物理力学指标，因此这种接口应包括两个部分，一是通用格式的地质三维几何体描述，另一个是与其相关联的地层属性描述。5.1通用格式地质三维体输出目前，理正地质三维建模软件支持的通用数据格式包括3DS、DWG、DXF、FBX、IFC、OSG、IVE等，另外也可输出为理正三维格式CGB。输出这些格式后，即可在后续软件中直接读入，包括AutoCAD、Revit、Inventer、Microstation等软件。但是，经过大量测试，发现地质三维模型直接读入到下游软件中普遍存在如下问题。1）读入效率问题：由于地质三维体表面三角形数量巨大，而读入到下游软件中需要转换为其自身的实体，并重新建立索引关系，所以读入速度较慢。2）读入容量问题：部分软件对同一实体中容许的三角面数量进行了限制，造成复杂地层实体无法读入。3）显示效率问题：由于工程设计精度的要求，地质三维体中的三角面数量巨大，一般杨国平，男，1968年生，副院长，工学博士，教授级高级工程师的图形软件显示引擎在这方面优化不足，造成严重的卡顿，应用体验十分不佳。4）后续应用问题：由于地层并非这些图形平台的内置实体，所以读入的地层体在软件中只能展示，无法进行深入的应用，例如剖切和开挖等。5.2地层属性输出地层属性数据的BIM交付，是由理正勘察报告编制软件GICAD完成的，依据行业标准《岩土工程勘察P-BIM软件功能与信息交换标准》[4]（已处于报批阶段）确定的内容进行输出。标准中明确了岩土工程勘察P-BIM的交付成果，交付数据的主要内容如表1。表1P-BIM勘察交付数据主要内容考虑到使用的方便性、未来的可扩展性、数据访问的性能、格式的通用性等方面，P-BIM数据交付的格式采用MicrosoftAccess的mdb格式，这也是中国BIM发展联盟认定的P-BIM软件标准交换格式。其中部分交付内容见表2与表3。表2P-BIM勘察数据交付场地地层表杨国平，男，1968年生，副院长，工学博士，教授级高级工程师表3P-BIM勘察数据交付剖面地层表5.3数据接口应用实例理正勘察CAD输出的P-BIM数据mdb交换格式，已经在后续专业的多个软件中得到应用，连接成功的软件包括：理正基坑设计软件，理正基坑施工现场监管软件，理正边坡综合治理软件，理正基础设计软件；PKPM的JCCAD软件，建研地基的地基处理软件等。部分软件接口成果如下图所示。图6理正基坑施工监管软件读入BIM标准数据图7理正边坡综合治理软件读入BIM标准数据杨国平，男，1968年生，副院长，工学博士，教授级高级工程师6地质BIM二次开发API“通用地质BIM展示与应用软件”解决不了的问题，可通过理正提供的地质BIM二次开发API完成，二次开发API是一组标准的COM组件，能够支持在各种主流的设计平台中进行二次开发，如AutoCAD、Civil3D、Revit、Microstation以及各种国产平台。二次开发API具备下列主要功能：1）理正地质三维CGB格式读取API2）三维实体访问API3）地层等相关属性的查询API4）任意点地层柱状的提取API5）任意剖切面、平切面的生成API6）任意的开挖和剖切API7）任意地质体体积算量API8）通用格式模型文件的输出API以上API中，任意点地层柱状提取、任意开挖剖切等功能的研发是非常复杂的，利用理正提供的API，使用者就可很在小投入下，在各种设计环境中随心所欲地应用理正地质BIM模型，访问BIM模型的各种信息，并且对模型进行各种剖切、布尔运算、体积算量等，能将死的BIM模型变活，能做出非常丰富的应用。例如，可以在Revit中完成地层的展示、桩基和基础的动态设计，甚至可以完成基坑开挖等建模工作。7总结以上所述内容，可总结为以下几点：1)地质BIM是整体BIM模型不可或缺的组成部分。2)完整的地质三维解决方案包括四部分：地层建模、展示应用、二次开发API、数据接口。3)简单地质三维模型可由钻孔和剖面数据自动生成。4)复杂地质三维模型可根据DEM、等高线、钻孔、剖面、平面、平硐等多种数据手动生成。5)通过通用展示应用软件，可实现地质三维的简单应用。6)可通过读入3DS、DXF、IFC等通用三维格式实现地质三维体的简单衔接。7)可通过地质BIM二次开发API完成复杂应用功能。参考文献[1]HouldingSW(1993)Subsurfacecontaminationassessmentby3Dgeosciencemodeling.IntJEnvironmentalIssuesinMineralsandEnergyIndustry[2]王国光,单治钢,徐震.GeoStation地质三维勘察设计系统开发建设[J].华东工程技术,33(4):14-18.[3]崔年治，高晓军，石晓敬，王云飞.岩土工程勘察BIM及其应用[J].工程勘察，