堤防岩土工程信息模型应用研究——基于上海苏州河堤防工程运维管理项目.pdf

68建设探讨与交流PROJECTMANAGEMENT堤防岩土工程信息模型应用研究一基于上海苏州河堤防工程运维管理项目蔡国栋【上海勘察设计研究院（集团）有限公司，上海200093摘要：苏州河堤防工程运维管理在上海市市政工程管理中具有重要地位。传统堤防工程管理模式函需更新，因而建立基于BIM技术的苏州河沿线地质精细化信息模型十分必要。基于苏州河堤防工程运维管理项目，建立了苏州河四期堤防岩土工程全线地质信息模型、堤防BIM基础信息模型，开发了基于BIM技术的苏州河四期堤防岩土工程信息模型管理系统，以期为堤防岩土工程信息模型的应用提供参考。关键词：堤防工程；岩土工程信息模型；地质中图分类号：F407.9文献标识码：B文章编号：10 0 7-410 4（2 0 2 3）0 7-0 0 6 8-0 50引言苏州河，亦称“吴淞江”，发源于东太湖的瓜泾口，是上海的“母亲河”。作为黄浦江支流中唯一一条流经上海市中心城区的河道，苏州河两岸都是建成区，城市化程度高，人口密集度大。因此，苏州河一直以来都被视为一条功能重要、附加值高的河道，受到上海市委、市政府的高度关注，其堤防工程的运维管理在全市市政工程管理中具有重要地位。鉴于苏州河堤防工程运维管理在全市市政工程管理中的重要地位，以及传统堤防工程管理模式的函需更新，建立基于BIM技术的苏州河沿线堤防岩土工程信息模型（以下简称“本项目”）十分必要。三维地质建模是指运用计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、地学统计、地质解译、空间分析和预测、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，并应用于地质分析的技术 1。国内于2 0 世纪8 0 年代末开始的三维地质建模研究，是从对EarthVision软件的引入开始的 2 。随后，许多研究人员针对三维地质建模理论、三维地质建模方法、面向不同专业的建模软件开发等方面进行了大量的研究，为地质勘探数据的三维可视化提出了很多方法 3 。然而，三维地质建模的研究及发展面临诸多困难，对侵入体、透镜体以及断层等复杂地质构造的精细刻画难以实现 4。这是由地质体空间分布的复杂性、原始地质信息获取的艰难性以及地质体属性的不确定性共同决定的。1技术原理在地质勘察方面，常规CAD二维图纸数据传递和表现能力弱，信息共享困难。相比而言，三维地质表达具有先天的优势。通过地质三维信息模型把空间分布不连续和海量的钻孔信息通过数学曲面插值和拟合分析，通过数字化技术形成连续的三维地质模型，能较逼真地反映地质规律全貌，直观展示持力层、软弱层等地层分布差异。然而，以往的三维地质方法主要依赖GIS技术，停留在宏观或大尺度场地适宜性分析，没有精确聚焦至建筑工程领域，而城市轨道交通的勘察设计也仅仅停留在纸质勘察报告上，没有实现信息化三维表达。随着计算机技术的发展，三维地质模拟越来越受到地学界和工程界的重视。所谓三维地质建模，就是运用计算机技术，在三维环境下将空间信息管理、地质解释、空间分析与和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来并用于地质分析的技术。这一概念最早由加拿大SimonWHoulding于19 9 3 年提出。工程钻探法是获取地下三维空间信息的重要方法，通过钻孔可以直接获取详细的岩土层分布状况，取得的岩芯（土样）还可以进行相应的室内试验，获得其物理力学指69PROJECTMANAGEMENT探讨与交流 建设标。钻孔资料因其直观、准确、详细的特性在三维地层模拟中具有至关重要的意义，根据钻孔数据构建三维地层实体模型也一直是国内外研究的热点，并取得了一定的研究成果。本项目采用工程钻孔信息，通过对离散钻孔进行剖分、插值实现三维地质模型的建立。技术路线图，如图1所示。导入勘察数据解析数据，获取钻孔和分层信息三角剖分，并插值拟合基于实体单元分层建立地层模型模型文件导出图1技术路线图2模型标准为规范和统一地质信息模型创建、应用及管理过程，为引导精细化快速建模技术研发和统一应用标准，基于DG/TJ08-2278-2018岩土工程信息模型技术标准开展标准模型创建应用，形成标准化流程和项目标准。除符合DG/TJ08-2278-2018岩土工程信息模型技术标准规定的几何表达精细度等级及信息深度等级外，还要根据工程勘察的不同阶段划分模型精细度。（1）对于处于初步勘察阶段的工程项目，建模精细度符合一级要求即可。模型包含初步勘察取得的勘探孔、单孔分层、反映总体分布的地层和地下含水层、场地地层特性及地下含水层特性。(2）对于处于详细勘察阶段的工程项目，建模精细度宜符合二级要求。建立场地所有勘探孔，并以带编号的孔头标记区分，以不同的颜色标识不同地层，准确反映透镜体、夹层和暗浜等，准确反映含水层层位，以不同颜色区分含水层类型。模型非几何数据应包含项目信息、地基土物理力学统计指标、岩土设计建议参数、水文地质参数及其建议值、地下水水力联系、单孔基本属性信息等。（3）对于处于计算分析及应用阶段的工程项目，建模精细度宜符合三级要求。采用最新的数据更新模型，地层应有外观纹理标识，还应包含原位测试数据以及钻孔采样点的室内土工试验数据。地质信息模型创建分为几何信息模型创建和非几何信息集成。模型创建基于Revit平台。建模前，为提升建模效率，宜准备合适的建模模板。模板中包含建模所需的勘探孔、勘探孔标记、地层等族文件，并在项目材质库中提前预设不同地层的外观颜色及纹理。3模型建立与整合3.1堤防结构创建对于长度较大的线性结构，宜建立线性参数化族（如图2所示）。整体模型宜按照里程区段和施工任务划分文件。因此，模型在组建前须根据项目实际定位数据设定项目原点坐标录入经纬度信息，便于多专业、多区段模型的拼接。最终拼接效果，如图3 所示。图2 参数化构件族图3堤防结构创建3.2城市地表模型创建城市地表模型的创建，可通过互联网城市地表建筑开源数据库获取城市三维地表基础数据，进一步形成城市建筑轮廓三维体量数据。开源城市地表建筑轮廓获取示意，如图4所示。图4开源城市地表建筑轮廓获取示意70PROJECTMANAGEMENT建设探讨与交流3.3工程地质与河道模型创建基于统一的地层划分方法，对苏州河地层进行归一化处理，将单孔分层数据整合到数据表中，基于同一单孔分层数据，以勘探孔数据为边界条件，勘探孔之间采用插值算法进行拟合，建立地质信息模型。工程地质模型创建，如图5所示。图5工程地质模型创建3.4模型集成本次拟建立苏州河堤防岩土工程精细地质信息模型，将地质信息模型与堤防结构信息模型、河道信息模型及周边建（构）筑物信息模型进行整合，作为堤防岩土工程地质信息管理系统的数字沙盘，基于精细化BIM信息模型对堤防岩土工程多源数据与信息进行高效管理。综合模型集成技术路径，如图6 所示。综合模型集成主要实现思路如下：（1）通过堤防改造设计图纸与相关信息，对标准化断面进行参数化创建，形成项目标准构件族库，最终通过参数化构件的布设形成堤防结构模型；载入RevitDwg城市白模城市地表模型形成图元堤防改造参数化构件堤防结构模型设计资料应用与组合Revit建模基于统一苏州河堤防岩土坐标系统工程信息模型地质建模播件勘察数据地质模型快速建模基于河床轮廓调整载入Revit河床高程信息河床模型形成图元图6综合模型集成技术路径（2）将勘察数据录入地质数据库，并基于岩土工程信息模型精细化快速建模技术进行自动创建，形成苏州河四期工程地质模型；(3）利用河床高程信息建立三维数字化河床轮廓，通过实体间的布尔运算规则，对地质模型表面进行修改及细化处理，形成河床模型；(4）获取城市地表建筑轮廓开源数据，并在Revit中统一数据格式，形成苏州河四期沿线城市地表模型。各专业、各段模型采用统一的坐标系统，最终通过坐标匹配实现多模型的集成和无缝拼接。3.5模型轻量化由于工程管理围绕工程实体展开，各类应用与数据采集工作对软件便捷性要求越来越高，在不同规格的计算机上展现和操作BIM数据成为管理应用中一项重要的需求。近年来，云计算、WebGL等技术的发展以及浏览器/服务器（B/S）结构的普遍应用，使得基于Web浏览器的BIM管理系统成了满足现场与后方应用需求的主流方式。BIM模型在几何表现和信息深度上都充分还原了工程相关的信息。为了达到更好的前端表现，建模软件通常会通过复杂数学表达式描述的点、线、面的组合关系（模型几何表面由三角面片构成），通过逼真的纹理材质来表达实体结构的表观特征。特别是一些大体量模型，异形结构及光滑曲面需通过复杂的绘图数据进行描述，在后期的使用中也需要调用大量资源进行计算染，一般无法满足Web浏览器实时渣染的要求。对项目管理来说，建模软件生成的模型几何表现的精细程度已远远超出使用需求，数据穴余是影响BIM系统应用流畅的主要因素。考虑到Web浏览器的承载71PROJECTMANAGEMENT楚理探讨与交流建设力，且为节约系统资源、提高系统灵活性，需要对BIM模型进行轻量化处理，在保证信息无损和应用流畅性的条件下减少Web渣染负荷。本项目通过简化几何面表现的方法来进行模型轻量化处理。模型三角面简化与轻量化处理效果，如图7 所示。图7模型三角面简化与轻量化处理示意基于BIM轻量化引擎开发信息模型展示界面，实现了三维地质、堤防结构、城市地表白模多专业信息模型的Web端集成展示（如图8 所示）。用户将各专业信息模型进行轻量化格式转换后上传至系统模型管理后台，系统前端即可实现模型的在线展示。用户可通过鼠标的滚动和左右键拖拽等实现对模型的缩放、移动、旋转等基本图形浏览与交互操作。图8多专业信息模型的Web端集成展示4车辅助管理系统构建堤防岩土工程信息模型管理系统采用模块化开发，建立了如图9 所示的系统整体架构。采用BIM技术和WebGL技术，实现多专业模型在网页中的轻量化三维表达，同时在模型上加载与查询各类静态与动态数据，集成文本、影像、地图等多源数据。通过全方位信息集成，增强用户对工程项目风险的识别与控制能力，并实现信息共享。数字沙盘模型浏览模块提供了三维模型查看和操作功能，其中三维模型查看主要是对整个项目的宏观把控，三维模型操作则通过多方位几何信息浏览和查询来获取项目信息和模型中具体元素的信息。苏州河堤防岩土工程信息模型管理系统服务综合权限信息地质图模数据应用层联动数据标准管理管理管理建模查询安全策略支撑层BIM引擎GIS引擎图档引擎查询分析引擎数据层勘察数据结构数据线路数据模型数据图9苏州河堤防岩土工程信息模型管理系统框架系统开发了模型树功能模块，实现了对加载模型的构件级分类，并将模型分组分类情况以清单列表形式加以展示，同时实现列表与三维模型的实时联动，帮助用户快速发现模型位置。模型树专业类别可根据项目需要进行加载。本模块支持查看地层信息，地层信息中可以查看地质分层、透镜体和勘探孔。为进一步融合地质信息，系统还开发了二维地图功能模块。该模块基于天地图底图，实现工程位置信息定位、工程范围内勘探孔位置查询、二维勘探孔与三维勘探孔模型联动以及相关勘探孔图表查询等，极大地丰富了三维信息模型覆盖的信息广度与维度，能够帮助用户在分析工程地质风险时快速查询到风险点的土性信息。5结语基于本项目建设，在岩土工程信息模型工程建设、运维管理信息化手段及成果应用拓展等方面取得的成果，具体如下。（1）建立了苏州河四期堤防岩土工程全线地质信息模型。通过对苏州河四期整治工程既有勘察数据进行数字化处理，利用岩土工程信息模型精细化快速建模技术形成苏州河四期整治工程三维地质信息模型。(2）构建了堤防BIM基础信息模型。基于苏州河四期整72.上接第42 页）.楚理PROJECTMANAGEMENT建设探讨与交流治工程设计信息，建立了沿线堤坝结构信息模型，为系统研发与后期管理提供模型基础与数据载体。（3）开发了基于BIM技术的苏州河四期堤防岩土工程信息模型管理系统。集成苏州河四期整治工程多源信息模型建模工作成果，搭建了堤防岩土工程地质信息管理系统的数字沙盘，提供以模型轻量化浏览、Web集成管理、堤防与地质模型数据查询等主要功能，辅助苏州河四期整治工程运维管理应用。参考文献：1吴观茂，黄明，李刚，等。三维地质模型与可视化研究的现状分析.测绘工程,2 0 0 8(2)：1-5.2张洋洋，周万蓬，吴志春，等.三维地质建模技术发展现状及建模实例 J.东华理工大学学报（社会科学版），2 0 13（3）：40 3-40 9.3唐茂颖，黄润秋，吕明明，等.双江口水电站工程地质三维可视化分（6）现场安全员应在岗巡查，及时制止违章行为。7后浇带新型支撑日常管理措施（1）支架系统的安装、日常维护和过程检查采用网格属地管理，以确保后浇带新支架的安装间距和点位的准确性，并确保悬臂构件支架的稳定性。（2）合理选择支撑系统材料，确保安装的安全性和美观性，同时安装和拆卸过程严格遵守规章制度。(3）新支撑系统的安装需要及时，以防止悬挑结构的沉降变形。有必要在通道入口处增加立杆，立柱上部应设置横杆；通道两端应缩短立柱间距，以确保通道悬挑部分的整体稳定性。（4）拆除过程应提醒相关人员妥善堆放，严禁暴力损坏，尽量二次周转使用；应对圆盘及回心勾等金属器具进行定期保养，防止锈蚀锁定、损坏。析与应用 J.成都理工大学学报（自然科学版），2 0 18（2）：2 3 9-2 49.4罗智勇，杨武年.基于钻孔数据的三维地质建模与可视化研究 .测绘科学，2 0 0 8（2）：13 0-13 2.课题项目：上海市2 0 2 1年度“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目一一超大城市“空间数字底座”关键技术研究（2 1DZ1204100）子课题“空间数字底座”区域高精度地质数字模型关键技术研究（2 1DZ1204103)。收稿日期：2 0 2 3-0 5-11作者简介：蔡国栋，硕士，研究方向为工程数字化，任职于上海勘察设计研究院（集团）有限公司。通信地址：上海市杨浦区水丰路3 8 号上勘大厦3 楼上海勘察设计研究院（集团）有限公司。8结语综上所述，后浇带新型临时支撑工程监理质量控制应从质量、安全保证体系以及环保入手，严格对相关规范、施工方案及交底文件的审核，对材料、构件的安装设置质量安全控制点，做好事前控制和过程管控，以消除隐患，同时对于管控情况给予一定奖惩考核，确保后浇带工程结构的安全和重要功能的发挥。收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 7作者简介：徐景，大学本科，高级工程师、注册监理工程师，任职于友谊国际工程咨询股份有限公司；刘彪，大学本科，工程师、一级注册造价工程师，任职于友谊国际工程咨询股份有限公司；舒秋华，高级工程师、注册监理工程师，任职于友谊国际工程咨询股份有限公司。通信地址：湖南省长沙市开福区兴联路3 3 9 号友谊咨询大厦。