基于BIM的地质模型创建与桩长自动预判技术在大型复杂项目中的应用总结 摘要：地质条件与桩基础对建筑工程的质量安全起到关键性作用，超大体量项目的勘探数据拥有大量繁琐的柱状图、等高线图和地质剖面图，使得工程技术人员难以清晰准确的对项目地质情况做详细判断本文以地质勘察的钻孔数据为基础，结合Civil3D三角网算法，采用布尔运算生成三维地质实体模型，最后利用BIM技术快速生成到达持力层的桩长度，为后期工程技术人员对地基处理、配桩和工程量管理提供有力的数据支撑关键字：Civil3D；三角网算法；BIM地质模型；桩长预判1.2. 引言 超大体量项目的地勘数据拥有大量繁琐的柱状图、等高线图和地质剖面图，使得工程技术人员难以清晰准确的对项目地质情况做详细判断，桩长计算则是通过在地质剖面图中手动绘制每根桩来实现，对于未经过剖面的桩则根据经验判断，容易导致数据出现偏差，且工作效率低下针对这种情况，国内外许多学者提出许多创建三维模型的方法，寇广辉等提出用Revit的板构件进行地形绘制[1]，饶嘉谊等提出基于BIM的三维地质模型与桩长校核应用[2]，张琳等提出二维Delaunay三角剖分地质模型创建[3]，然而这些方法对桩长的快速预判存在不足，所以，在研究桩长计算方法后，将BIM技术与编程开发相结合，通过实际工程实验，总结一套基于BIM的地质模型创建与桩长自动预判技术。
2.3. 项目背景我司承建位于厦门市翔安的新会展中心项目，总建筑面积为53.82万平方米其所在地貌属海湾滩涂，地层结构复杂，上部覆盖主要有杂填土、素填土、填砂，多呈松散～稍密状，密实度及均匀性较差，下部主要有淤泥质土、砂混淤泥、土质软弱，具有含水量高、孔隙比大、压缩性高等特点，易产生不均匀地面沉降根据钻探揭露，将各岩土体自上而下分述如下：杂填土①a、素填土①b、填砂 ①c、吹填淤泥①d、填石①e、淤泥质土②a、砂混淤泥②b、中砂②c、粉质粘土③a、中粗砂③b-1、圆砾③b-2、残积砂质粘性土⑤、全风化花岗岩⑥、砂砾状强风化花岗岩⑦、碎块状强风化花岗岩⑧、中风化花岗岩⑨、微风化花岗岩⑩本项目共有16105根桩，桩类别为钻孔灌注桩、PHC预应力高强混凝土管桩和普通管桩，桩径有500mm、600mm、800mm，桩端持力层为中粗砂③b-1、砂砾状强风化花岗岩⑦、碎块状强风化花岗岩⑧、中风化花岗岩⑨3.4. 三维地质实体模型创建通过勘探数据，结合AutoCAD Civil 3D软件、Autodesk Revit 软件、Python编程语言和布尔差集运算法，实现三维地质实体模型的精细化创建和对各地质层构件的各类参数赋予。
1.a.b. 建模流程 图1 创建三维地质实体模型简易流程3.1.1以地勘每个钻孔数据（孔编号、坐标（Xn，Yn）、各地质层高层）综合的Excel为基础，通过格式转换为逗号分隔值（Comma-Separated Values，CSV），导入Civil 3D软件，作为生成各地层的基本要素3.1.2通过civil3D软件三角网算法，根据项目所在地形特点，演算钻孔之间距离点位与地勘剖面的变化值，经分析调整，生成三角网数字地面模型(Triangu lation Irregu larNet),该模型有着几何结构良好、数据结构简单、地表重构精度高及对不规则区域和数据点分布密度适应能力强等特点[4]，如图2、图3、图4所示图2三角网等高线色彩图 图3 三角网单曲面图 图4三角网整体三维图3.1.3使用图形dwg格式保存以上模型数据，导入Autodesk Revit软件中，利用三维笛卡尔坐标系原理固定项目原点坐标，向四周生成可识别的地形表面模型，运用布尔差集运算，得到地质实体模型，具体流程如下：① 将dwg格式的数据模型，在Revit中重复进行Element元素到Mesh的验算；② Mesh验算成果数据转换为Polysurface可操作空间几何图形；③ 给定集合图形之间间距最大值为H，利用算法将几何图形自动向下垂直生长长度h=2H；④ 利用布尔运算，取上实体与下实体的差集，得到地质实体模型。
3.1.4将地质实体模型进行Soild model到Conventional model的转化，对各层地质模型构件赋予材质参数、几何参数、力学参数等属性，如图5所示此方法得到的三维地质实体模型，其赋予的材质等参数能够在软件中随着不同角度的剖切变化而变化，同时能够整和项目模型，检查地质与主体建筑是否吻合图5三维地质实体模型及其属性表图1.b.c. 难点与措施难点：BIM地质模型与现场地质情况存在一定偏差，原因在于钻孔之间存在不确定性根据岩土工程勘察规范，中等复杂地基勘探点间距为15-30米，钻孔与钻孔之间地质层复杂多样、地质起伏较大，以本次研究工程为例，共有个钻孔1180个，之间间距约为20米，无法直观判断这20米内地形的变化情况，导致地质模型存在偏差措施：通过地质模型横纵剖面与原始地勘数据进行分析，结合地球物理勘探技术，基于三角网算法，在钻孔之间进行模拟补勘，计算出三维地质模型；通过工程师根据专业知识，对钻孔间的地质变化情况进行判断，得出三维地质模型；通过现场施工得到的实际数据，对比地质模型中的相对点位，从而完善模型，最终形成完整的项目地质竣工模型4.5. 桩长自动生成 a.b. 项目情况分析本项目地质情况复杂，对桩到持力层有着较高要求：①灌注桩进入持力层不小于2米，遇到液化超过10米的土层，超过持力层不小于4米；②在抗压、抗拔静载试验满足的前提下，3b-1中粗砂层/3b-2圆砾层/7砂砾状强风化层及8碎块状强风化层均可作为桩端有效持力层；因此在设置桩尖持力层时需考虑因素较多，对统计桩长有较大考验。
我们通过给定条件值，利用编程自动预判计算统计的方法，较于传统的套图更为精准快速1.b.c. 桩长自动生成原理利用“点、线、面”的原理，通过reviAPI开发，结合Python编程和布尔差集运算，实现自动识别所有桩中心点与地形模型表面交叉生成垂直线且该线能够被赋予长度值H的程序：1.2. 以项目坐标（0，0，0）为坐标系原点；3. 识别地形上表面N、下表面N/ ,识别桩基础中心线段L=100m，且桩顶标高＞N；4. 给定Ln={L∩{N,N/}}的间距，给定桩到达持力层后延长值为h； 5. L∩N=（X，Y，Z）、L∩N/=（X/，Y/，Z/），X-X/=0,Y-Y/=0，Z-Z/=Ln≥0； 6. 如果{L∩{N,N/}}=Ø,那么L=200m,该情况需手动调节，作为反查地形数据有无遗漏7. 如果Z-Z/=0,那么L=Z+h；8. 如果L∩N/≠Ø,且Z-Z/≠0，那么L=Z/+h 例如：某根桩与持力层表面相交，设置自动延长1米，达到桩长模型自动生成的目的，如图6所示该技术的应用，解决了超大体量工程桩长的快速确定图6桩长自动运行前后三维对比图4.3导出图纸和统计工程量将桩基础与三维地质实体模型叠加，可实现任意剖切得到桩的剖面信息及其自带的参数信息，但在过程中发现，单独一根桩手动标注费时费力，基于此，通过Python语言编程逻辑，如图7所示，实现大批量桩基础任意面自动识别和桩长、标高、地质层的自动标注，如图8所示，并将该图与地勘进行复核，在满足各项要求后，导出交底。
图7 模型标注逻辑图8剖面标注出图通过桩长自动生成，可自动赋予编号、顶部高层、底部高层、长度、体积等参数属性，导出桩基础Excel明细表，如图8所示桩长的预先判断可为项目提供配桩建议，同时通过地质层的厚度情况，可为项目提供桩头选型、夯锤选型、挖砂量计算等数据参考，如图9所示图9 桩基础明细表图 图10 地质层厚度统计表图5.6. 工程数据存储随着建筑业的数字化转型，工程信息电子化越来越被重视，通过三维模型储存工程数据更为直观便利，其基本流程为：现场施工-表格记录-进度跟踪-模型记录-审核交付通过Python编程搭接Revit与Excel，实现将项目所有桩基础的施工数据以数字化的形式自动存储到模型中，实现施工进度记录可视化展现，如图10所示图11 桩基础模型储存工程数据图6.7. 结束语通过BIM技术+Python、C#语言+布尔运算的思维方法，打破建筑行业与信息技术之间的壁垒，实现三维地质模型的精细化创建、大型项目桩长的自动确定、标注和统计、施工数据自动储存到三维模型中该套思维方法为本项目的实施和施工信息存储提供有力支撑，同时为后期BIM技术在工程中的落地应用提供思路，也为建筑业的数字化转型提供案例建议。
参考文献：[1]寇广辉,苏章,颜睿,等.基于BIM的工程桩施工技术[J].施工技术, 2014, 43(001):38-40.[2]饶嘉谊,杨远丰, Rao,等.基于BIM的三维地质模型与桩长校核应用[J].土木建筑工程信息技术,2017,03(v.9;No.41):42-46.[3]张琳,孔祥铭,张尧尧.二维Delaunay三角剖分在地质建模中的稳定化研究[J].中国高新技术企业, 2010(24):53-55.[4]刘学军,符锌砂,等.三角网数字地面模型快速构建算法研究[J].中国公路学报,2000(02):33-38. -全文完-。