路堑边坡三维建模研究

邵志强，王 荔

(1.中铁十八局集团国际工程有限公司，天津 300222； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 300222)

0 引 言

虽然BIM技术的概念提出较早，在由于当时信息化水平较低，限制了BIM技术在实际工程项目中的应用，因此，之前该技术主要作为学术研究对象进行讨论[1-2]。随着计算机技术的快速发展，使得BIM技术应用于实际项目成为可能。人们也加快了对BIM技术的研究，不断探索BIM在实际工程中的应用价值，BIM技术应用于建筑工程行业的前景更加明朗。在2002年，为了更好的满足现代工程设计要求，美国软件开发商Autodesk推出了可提供各类构件信息参数的三维建模软件Revit[3]。

近年来，信息化技术发展迅速，中国也多次提出要强化建筑工程行业的信息化水平，在物联网、大数据、智能化等信息化技术的影响下，传统建筑工程行业必将发生重大变革，在BIM思想及以BIM技术的推动下，向数字化、智能化发展[4]。受发达国家与改革发展整体需求的影响，中国加快推出了在交通运输行业和建筑行业的相关BIM政策，完善BIM技术的应用方案和交付标准，进一步推进BIM技术在整个项目全生命周期内各阶段的集成应用[5-6]。笔者可以明显的感觉到BIM技术已经在国内建筑工程行业受到了广泛关注，并迅速得到了普及和推广。如果能够充分把当前先进的信息化技术引入传统的建筑工程行业中，必然能够带来质量和效率的提升。

张菖等[7]于2016年应用达索旗下三维建模软件CATIA，建立三维滑坡地质模型，实现了边坡监测中滑坡三维模型的动态变化和协同；吴红岗和牌立方等[8]于2019年运用BIM技术进行了锚索、抗滑桩和加筋挡土墙支挡结构的三维建模，实现了边坡支挡结构的三维可视化；孙建成等[9]于2019年结合工程实例，对Revit和Civil 3D在公路边坡的建模应用进行了对比，结果显示，2种软件各有侧重点，为BIM技术在中国公路边坡设计和应用中提供了借鉴。

目前使用BIM技术在路堑边坡建模方面研究较少，且没有较成熟的建模方案，本文针对BIM技术在边坡三维建模方法开展研究。

1 建模方法研究

1.1 建模流程

在建筑行业中，BIM是以建筑信息模型为载体来实现集成和共享项目信息的，边坡工程与建筑工程有明显不同，BIM技术在边坡工程中，可以建立边坡三维模型，将地质、水文、地形等勘察内容呈现在边坡三维模型上。数字化三维地质模型能够立体地展现真实地质环境，将地质分层级构造清楚直观地表现出来，便于设计人员准确地分析实际地质问题，确定合理的设计方案，也便于设计与施工之间沟通交流，制定科学的施工方案，减少工程风险。

根据边坡勘察工作的目的和任务，结合工程实际需求，基于BIM三维地质建模的要求，研究并总结出基于BIM的三维可视化软件系统的建模流程，如图1所示。

图1 三维边坡建模流程

1.2 数据采集

边坡三维可视化建模的关键任务首先是获取坡面空间形态的三维模型，其次是结合探孔数据生成地层分界面。随着计算机和信息技术的发展，测量技术也在不断的提高，3D点云、摄像测量、卫星定位及影像等技术的应用，使得测量己全面进入三维数字化仿真时代，当前坡面空间几何信息采集可采用以下方式：高分辨率卫星测量、航空摄影测量、三维激光测量及倾斜摄影测量。

采集地层数据主要是通过勘察钻孔，钻孔是了解地下地质构造最直接的方式，通过钻探获取某个位置的岩芯，可以了解该位置的岩层、水文、构造信息等相关数据。钻孔数据越多，生成的曲面越精确，但在实际中，钻孔间距较大，钻孔数据较为离散，存在数据空值区域，如果直接采用原始钻孔数据创建地质层曲面，所生成的地质层曲面会出现深凹、凸起、不光滑等明显不符合地质层实际走势的现象。为避免上述问题，地层曲面建模需要先对地层数据进行插值加密。

1.3 创建三维模型

在生成地形和地层曲面之前，应对已有的勘察成果数据进行处理，地表数据应减小植被和人造建筑对数据准确性的影响；通过测量得到的地形数据(等高线、点云等)导入BIM建模软件中处理，形成规则的网格化数据；根据数据量和工程要求，地层数据进行克里金插值加密；再根据网格化数据构造基于NURBS技术的层面模型；然后由层面模型通过层面相交计算形成封闭的块状模型，并对有效模型进行提取；完成边坡三维建模。然后通过BIM的统一协作平台，以边坡三维地质模型为载体，将所有的勘察结果，包括水文、地质和土工试验数据等，集成录入BIM模型中，实现勘察成果的可视化。

2 工程实例应用

2.1 项目背景

2.1.1 项目概况

某一级公路，路线于滑坡前缘以路堑形式通过。滑坡坡高约60 m，该滑坡长约110 m，宽约180 m，滑体厚度约20 m，发育规模中等，滑坡为单面斜坡地形，总体地形坡角约为35° ～45° ，相对高差达62 m，地势险峻，滑坡体上植被较为发育。主滑方向约42° ，基本与公路路线走向垂直。滑坡后缘高程约1 010.0 m，前缘临原有公路，前缘高程约948.0 m，前、后缘高差约为60.0 m，该滑坡纵向长约为110 m，横向沿路线长约为180 m，滑体厚约为20 m，堆积体总体坡度约为35°～45°，现场调查未发现坡面有明显裂缝，滑坡总体情况如图2所示。

图2 滑坡总体图

2.1.3 滑坡体组成物质

(1)滑体。滑坡体上覆第四系全新统人工填土层(Q4ml)，属粉质黏土，分布于滑坡区黄土斜坡坡面及坡脚，黄褐色，稍湿，稍密，硬塑～可塑，土质较均匀，薄厚不一。

(2)滑带。通过地质测绘及钻孔揭露，综合确定存在一个主滑带。滑带为粉质黏土，在滑坡上部，下部滑带位于粉质黏土与强风化片岩的交界面。

(3)滑床。强风化砂岩以灰色中厚层状～薄层状长石、石英砂岩为主，矿物成分以石英、长石为主，裂隙发育，层状结构，钙质胶结，岩体破碎。

2.1.3 滑坡水文地质

(1)地表水。滑坡区地表水为碾庄河河水，在钻探深度内亦揭露到地下水。地下水位标高为945.1～950.6 m，属上层滞水，主要受大气降水及下伏基岩的隔水作用影响。滑坡区地表水及地下水水质较好，对钢筋混凝土具微腐蚀性。

(2)地下水。工程区内的地下水类型主要有第四系松散堆积物孔隙潜水和碎屑岩裂隙水，总体地下水十分匮乏。

2.2 生成坡面模型

随着无人机技术的发展成熟，航空航拍测量技术也得到了飞速发展，本文利用无人机对大范围和具有复杂空间形态的地点进行信息获取方面表现出极大的优势，采用大疆MATRICE 600 PRO进行地形测量工作，进行坡面信息采集。

将无人机按设计航线获取的目标区域高精度影像，利用Photoscan软件三维重构可以得到精细的密集点云数据，以*.txt格式导出，如图3所示，也可以另存为*.dxf格式的文件。

图3 点云坐标

通过“创建地面数据”栏中“创建曲面”命令，如图4所示，创建三角网曲面，在使用曲面定义中的“点文件”将*.txt格式的点云数据导入地形曲面数据之中，生成点云，如图5所示。

图4 创建曲面

图5 点云模型

2.3 生成地层模型

通过钻孔数据来生成地质层曲面，钻孔数据越多，精度越高。但由于边坡地形起伏大，植被多，操作难度大，且经济成本高，使得实际钻孔数据数量达不到地质层曲面的精确建模要求。因此本文采用科学合理的空间插值方法，为构建完整的地层曲面的补充数据。

插值算法包括反距离加权插值、克里金插值法、最小曲率法、最近邻点插值法、多元回归法等，其中克里金插值法在地理学中应用广泛。本文采用克里金插值法(Kriging)来实现地质层曲面建模过程中的数据补充。克里金法(Kriging)是依据协方差函数对随机过程/随机场进行空间建模和预测(插值)的回归算法，基本思想是根据样本空间位置不同、样本间相关程度的不同，对每个样本的属性赋予不同的权值，进行滑动加权平均，以估计待插值点的某一属性。

如图6所示，四周为样本点，中间为差值点，在对于x1，x2，…，xn为区域上一系列样本数据，可得到样本数值Z(x1)，Z(x2)，…，Z(xn)，根据克里金原理，对于待插值点的值Z*(x0)可采用一个线性组合来估计，其表达式为

(1)

图6 克里金算法

式中:k代表样本个数；α为样本点的权值，无偏性和估计方差最小是权值αk的选取标准，则

(2)

式中：E[]代表均值；Var[]代表方差。

根据上述条件结合拉格朗日乘数法求条件极值，可得到αk，由于不是本文的研究重点，这里不做过多叙述。

将不同钻孔点在同一个地层上的三维信息分别整理出来，得到地层曲面上16个点的三维坐标，将点的坐标信息根据特定格式保存为TXT文件。将该数据导入Civil 3D中，同创建地表模型的方法一样，建立地层曲面模型，如图7所示，通过克里金插值后的地层曲面如图8所示。

图7 原始数据地层曲面

图8 克里金插值后地层曲面

2.4 生成边坡三维地质模型

通过Civil 3D的曲面提取实体功能，如图9所示，实现地层的三维实体建模，将通过钻孔数据生成的地层曲面自下而上在相邻地层曲面和地层与地表之间提取实体，以下部地层为基准，以相邻上部地层为边界，在曲面之间生成实体。该方法生成的实体在垂直方向上都以曲面为边界，不会产生重叠，在指定基准和边界的条件下也不需要用矩形边界来限制，对于与地表相交的地层曲面也可以快速生成地层实体模型，如图10所示。

图9 从曲面提取实体

图10 三维地质模型

3 结 语

对边坡三维模型的创建方法进行了具体研究，首先根据边坡工程的建模特点以及后续将BIM模型导入有限元软件的技术需求，选用了欧特克(Autodesk)BIM平台；利用无人机航测的边坡坡面三维信息和钻孔数据中的地层信息创建边坡曲面和地层曲面；最后通过曲面提取实体，实现边坡模型实体化。依托实际边坡工程项目，根据三维边坡的建模流程，对边坡三维地质模型建立的技术路线进行了探索，对BIM技术在边坡过程中推广应用提供建模方法参考。