桩基工程BIM智能化建模及数据提取方法

GXF360 2020-07-05

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工程项目中由于桩基数量多使得模型体量大，建模周期长。此外桩基设计合理性的验证与地质情况密不可分［1］，需要制作精细的地质模型。通过智能化的手段提升桩基模型和地质模型的建模效率及精度，并实现模型的整合，是将BIM技术应用于桩基工程设计验证的重要条件。

常见的桩基模型创建方法：①在BIM软件中手动建模，此方法建模效率低，易出错。②通过对BIM软件的二次插件开发进行翻模，此方法理论上可以解决建模效率问题［2］，但实际使用中由于对图纸质量的要求大，往往造成翻模成功率低或翻出的模型不准确。翻模成功率约70%，翻模不成功的地方仍需手动调整，整体模型需人工仔细核对。

地质模型一般是在GIS类软件如理正、睿城传奇、ArcGIS、Supermap等中制作。此类软件对地质模型的建模精度高，但软件本身操作难度大，不利于平时使用［3］。通过Revit软件二次开发可以实现地质模型搭建［2］，但Revit不具备地质层曲面处理等功能，搭建的地质模型不精确。

GIS类软件具备模型整合及数据处理功能，通过GIS软件整合地质及桩基模型可以实现桩基深入各地质层长度的提取，及土方分层开挖工程量的提取［4］。但其与BIM类软件分属不同的软件体系，整合后的桩基模型会丢失大量的属性信息，导致无法很好地开展后续BIM技术应用。

鉴于以上问题，丞需探索一套既能实现桩基工程快速建模，又能实现地质与桩基模型的整合及数据提取，用于辅助桩基设计的方法。Dynamo是Autodesk公司帮助用户实现互操作性的工作流程文档管理，自动模型创建、协调、模拟和分析开发的可视化编程软件，其在公路立交BIM快速建模方向已有应用先例［5］。此软件对开发人员的技术要求低，建筑工程从业人员可根据自身需求进行定制级开发［6］，从理论上讲可以实现智能化桩基建模、模型整合及数据的自动提取。

1 研究方法

采用BIM软件与可视化编程软件Dynamo相结合的方式，探索桩基工程参数化快速建模方法，并探索基于BIM模型的桩长数据及分层土方量快速提取的方法［7-9］。旨在解决桩基工程建模难、效率低、模型整合难、数据提取难的问题，使BIM技术更好服务于桩基工程建设。研究思路如下：

1）桩基模型智能创建。通过参数化构件库建设及Dynamo可视化编程技术实现桩基模型的智能快速创建及快速调整，解决桩基模型工作量大、创建难、效率低的问题。

2）地质模型智能创建。通过Geotechnical Module插件与Civil 3D软件的结合应用，实现地质数据智能处理及地质模型快速创建，解决地质模型创建难、效率低的问题。

3）模型整合。通过Dynamo编程实现地质模型与桩基模型的整合，确保模型信息传递的完整性。

4）数据提取。通过Dynamo编程实现桩长数据的快速提取，通过Revit明细表功能快速统计土方分层开挖工程量，服务于桩基工程建设。

桩基工程参数化建模流程见图1。

图1 参数化建模流程

2 关键技术

BIM软件与可视化编程软件Dynamo相结合的建模及模型整合方法存在以下难点：

1）Dynamo识别的是数据，不是图纸。Dynamo识别的是CSV，Excel格式的表格文件或其他方式的数值，而桩基项目提供的是一般CAD格式的图纸，如何将CAD中的有效信息转化成为Dynamo可识别的数据是开展建模工作的前提。

2）如何通过Dynamo工作流实现智能化桩基建模。Dynamo软件本身不具备建模功能，需要通过编码形成命令块，再通过多个命令组合成工作流来实现智能化建模。

父母过度的保护倾向以及犯错之后代替承担的倾向，非但没有效果，反而会把问题搞得更复杂。孩子不可能一出生就是听话的孩子。如果他长大以后很多体验都没有尝试到，有一些该犯的错误没有犯过，也没有经历过挫败，这样的孩子实际上是没有能力的。

3）地质模型与桩基模型分别在不同的软件中建模，如何实现模型的无损整合。地质模型在Civil软件中建模、桩基模型通过Dynamo在Revit软件中建模，如何将不同软件的模型无损整合，是实现后续数据提取及其他BIM技术应用的关键问题。

3 研究内容

3.1 桩基智能建模

本文探索通过创建桩基Excel表格及Revit参数化桩基族，并结合Dynamo工作流的方式实现桩基工程的智能化快速建模。主要流程见图2。

该方法实现了通过自动提取CAD中的桩基平面位置坐标及桩基尺寸信息，并自动将这些信息整理在Excel表格中。相比于纯人工统计，确保了数据信息的准确性，且速度比人工提取提高了5倍。

为了实现桩基尺寸的快速调整，在Revit中对桩基族添加了直径、桩长等参数。另外该方法实现了将参数化桩基族调整与智能化桩基布置进行关联，相比于一般的Dynamo建模方式，参数关联后建模效率提升更为明显；该方法通过Dynamo编制List和Geometry的程序流（图3），将桩基表格中数据分别赋予对应的族参数中，再将桩基族按照坐标和高程放置在Revit项目中，实现了大面积桩基模型的智能化快速布置。

图2 桩基工程的智能化快速建模流程

图3 Dynamo桩基布置工作流

在发生图纸变更时，只需更改表格中的数据无需重新处理图纸，重新运行Dynamo程序即可完成模型更新。为了确保模型的精度，在Revit中导入CAD平面图纸进行平面位置校验，通过Revit明细表功能导出桩基的直径、桩长、桩顶标高等数据进行桩基参数的校验。

3.2 地质智能建模

地质智能建模采用GM（Geotechnical Module）插件实现地质曲面模型搭建，配合Civil 3D曲面处理功能实现地质实体模型的创建。地质智能建模流程如图4所示。

图4 地质智能建模流程

依靠Civil 3D的原生功能对曲面进行平滑处理，即采用“自然临近内插法”在三角形“边中点”插入一个点数据，软件通过重新计算得到一个更平滑的三角形曲面［10］。通过多次采用“内插法”之后，就会得到一个和实际接近的地质层三角网曲面。以某项目杂填土地质曲面顶为例，经过3次平滑处理，该曲面由最初的253个三角形边增加到2 197个三角形边。

翻译目的论是一个更加侧重译语的理论，注重译语在译语文化中的表现，尤其是其“目的”的实现，因此十分适用于新闻文体这类功能型文本。本文结合翻译目的论，从直译、意译和增译这三个方面，以BBC近两年的新闻标题为例，简单阐述了新闻标题汉译的策略。新闻标题虽短，但其翻译绝不简单，以上三个策略只能作为基础的翻译手段，然而在实际操作中，译者还需根据英汉新闻标题的用词、结构、修辞、时态等特点进行翻译策略和解决办法的选用。

地质模型的校验可以通过Dynamo提取钻孔点处的地质层数据来与勘察报告中的地勘柱状图进行对比，具体方法同数据提取部分。经过模型校验，地质模型的坐标及深度与地勘报告的误差在0.4 mm以内，模型精度较高也为后续数据提取提供了重要的保障。

3.3 模型整合

考虑到后续需通过Dynamo进行数据提取，本文采用Revit作为模型整合平台，地质模型需通过Dynamo将Civil 3D中导出的地质实体转为Revit中的常规模型族。主要流程见图5。

将我院收治的亚急性甲状腺炎患者作为本次的研究对象，接受治疗的时间是2016年—2017年，共计60例。患者年龄22～68岁，平均年龄29±2.9岁。男性45例，女性15例；病程为1～4d，平均病程（2.78±1.03）d。其中16例甲状腺弥漫性肿大，12例甲状腺结节性肿大，伴随有咽痛、发热、乏力症状。甲状腺双侧受累56例，右侧受累7例，左侧受累10例。患者中排除肝肾功能病变以及精神系统疾病。

图5 模型整合流程

实体转化工作流见图6，可调用Revit中的材质库功能为地质模型添加真实的材质。转化过的地质模型以族的形式存在于项目中，可以重新进入族编辑模式来进行“空心剪切”等操作。

6 Effect of continuous quality improvement on renal function in patients with chronic kidney disease of stage 3-4

图6 Dynamo实体转化工作流

选择Revit作为模型整合平台，使用剖切框或者剖切面去查看任意地质断面与桩的交互关系，使得隐蔽的地下构造变得更加直观（图7），便于现场施工人员更好判断桩基的位置关系，避免因为孤石或夹层造成的工程桩成孔错误，方便预估工程难度。

对于刚性高分子链,因为a值很大,从理论上讲,刚性链的a可以趋于无穷大,例如全反式聚乙炔链的a即为无穷大,此时L≪a,e-L/a可以用级数展开,则式(21)可化为

3.4 数据提取

1）桩基深入各地质层长度数据提取

医院党支部工作信息化建设离不开人才的支撑。当前，医院党建工作人才缺乏主要表现在：一是专职人才缺乏。无论公立医院还是私立医院，医院专职党务工作者配置不齐，党建工作任务重，大多数医院的党务工作者兼职临床科室负责人。二是复合型人才缺乏。“互联网+”发展要求医院党支部建设必须顺应时代发展，充分利用“互联网+”搞活党支部工作，需要党务工作者不仅具有专业知识，还要熟练懂得互联网信息技术，但受专业能力、业务技能、思维意识等因素的限制，这样的人才十分匮乏。

图7 Revit整合模型

通过Dynamo编制提取桩基深入各地质层的长度数据的工作流，对桩基设计图纸进行复验。主要流程见图8。

图8 数据提取流程

计算桩基础埋深就需要得出桩基与每一层地质曲面的交点坐标，如图9所示，实现了两软件之间的数据互通。再通过Geometry.Intersect节点获取桩基与地形曲面之间的交点坐标，提取坐标中的高程Z值并添加桩顶标高和桩底标高，进行错位相减即可得到桩基在各地质层中的长度数据。

图9 Dynamo曲面类型转化及交点计算工作流

最后通过Excel.WriteToFile节点，将长度等数据导出到Excel表格的指定位置中，部分基础数据见表1；在表格中可以清楚确定桩端进入持力层的深度是否满足设计入岩深度要求，使得设计人员可以制定最经济的桩长方案，减少工程造价；也使得现场施工人员可以根据数据准确判定每根桩的入岩深度，大大缩短了项目工期。

依次将温度控制在0 ℃,50 ℃和100 ℃。在图6和图7中记录多波长激光器26个通道(BP和25阶stokes)稳定状态下的波形。ΔT=50 ℃和ΔT=100 ℃情况下,从图6和图7中可以看出stokes光中心波长的漂移情况。

2）土方分层开挖工程量提取

基坑开挖土石方量的核算往往是工程造价中的争议焦点，通过Dynamo对模型进行布尔运算，得到各地质层的土方开挖量。通过Revit创建与基坑开挖体积一致的整体模型，然后分别在Dynamo中导入地质模型及基坑开挖模型，通过Solid.Difference计算二者的布尔差集即可得到开挖后的地质模型，最后计算开挖前后的地质层体积并导出到表格中，见表2。

表1 桩基深入各地层长度数据

桩穿越地层厚度/m基础编号x坐标y坐标桩直径/m桩顶高程/m桩长/m第4层（粉质黏土）第7层（粉土、粉砂夹粉质黏土）6.305 7.063 7.408 7.761 7.673 7.621 7.626 7.523第6层（粉质黏土夹粉土、粉砂）2.973 3.223 3.350 3.496 4.072 3.725 3.364 3.256第9层（卵石）设计入岩深度/m 1 2 3 4 5 6 7 8 348 774.228 3 348 774.228 3 348 774.228 3 348 774.228 3 348 766.128 3 348 766.128 3 348 766.128 3 348 766.128 3 325 452.288 2 325 465.488 2 325 471.588 2 325 478.188 2 325 478.188 2 325 471.588 2 325 465.488 2 325 458.888 2 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3-21.5-21.5-21.5-21.5-21.5-21.5-21.5-21.5 52 52 52 52 52 52 52 52 10.168 10.299 10.471 10.647 10.542 10.342 10.104 10.077第5层（粉质黏土夹薄层粉土、粉砂）13.639 13.510 13.407 13.301 12.985 13.155 13.387 13.388第8层（粉质黏土夹粉土、粉砂）6.422 5.100 5.435 4.855 4.929 5.367 5.064 5.596 0.600 0.901 0 0 0 0 0.744 0.491第10层（强风化泥岩）3.820 3.708 3.990 4.296 3.867 3.341 2.769 2.648第11层（中等风化泥岩）8.073 8.195 7.938 7.644 7.933 8.45 8.943 9.023 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5

表2 土方工程基坑分层开挖工程量 m3

一层（杂填土）4 846.09二层（素填土）12 135.27三层（淤泥质粉质黏土）65 946.13四层（粉质黏土）14 285.97天然土方量合计97 213.46

通过这种方法在基坑开挖前就可以大致确定土石方量及土石比，方便现场合理调配机械设备和安排工期，提高了基坑开挖的施工效率。

4 分析比较

4.1 桩基建模方法比较

本文采用的Dynamo+Revit建模方法与其他建模方法的效果对比见表3。可知，该建模方法无论是建模效率及建模质量相较于其他建模方法均有显著提升。

陵矿生活区抵得上小半个县城，热闹，做什么生意的都有。路都是水泥路，房子多是象样的房子。一路上，司机告诉迟恒：“以前矿里俱乐部租给农民当猪圈，医院治死人赔不起钱关门了，废品公司来拆电视塔被咱们轰跑，运动场你占一块他占一块种菜，变自留地了，这两年都恢复过来了，都翻新重建，前面大坪看见没有，专给老头、老太太玩健身跳扇子舞。”

表3 桩基建模方法效果对比

对比内容建模效率建模质量BIM软件手动建模建模效率低，图纸变动后调整难模型体量大，建模易出错插件翻模成功率低，错误需手动调整，影响建模效率翻模错误多，需人工核对Dynamo+Revit建模建模效率提升10倍以上，且模型无需手动调整模型正确率达100%

4.2 地质建模方法比较

本文所用到的地质建模方法与GIS类软件建模方法效果对比见表4。可知，2种方法的建模效率及模型质量均有保障。但GIS类软件操作难度相对较大，购买费用高，不利于平时使用。

表4 地质建模方法效果对比

对比内容建模效率建模质量操作难度软件费用GIS类软件建模自动生成地质模型可对地质层曲面平滑处理、使其还原更精确软件操作难度高购买费用高Civil 3D软件建模自动生成地质模型可对地质层曲面进行平滑处理等操作，使地质还原更精确操作简单价格低

4.3 模型整合的数据提取效果比较

本文采用的Dynamo+Revit整合方法与GIS平台整合方法效果对比见表5。可知，2种方法模型整合后均能实现数据的提取，但GIS平台整合后的模型信息丢失多，后续沿用性不强，且GIS类软件操作难度相对较大，购买费用高。

3.识读器SIM卡，存在欠费停机现象。识读器上传数据工作不正常，时常欠费停机、有时1～2个月不使用也会停机，全州现有的SIM卡中已经有54张停机，停机期间已佩戴的新耳标及所打过的牲畜免疫疫苗无法再及时补录，最终导致溯源信息量少；时常出现GPS信号不通的情况，导致溯源数据不能正常、有效传送。打击了基层工作人员的积极性，虽经多次反映，也未能有效解决，严重影响了全州数据的上传。

表5 模型整合方法效果对比

对比内容建模效率模型可调整性GIS类软件整合BIM模型信息丢失多导入GIS后不可编辑操作难度软件费用模型的沿用性数据提取土方分层开挖数据高高模型信息不全，后续沿用性不强可自动提取可精确计算Dynamo+Revit整合信息无丢失，保存完整可对模型材质及形状予以调整操作简单低完整保留了各类信息，利于模型的后续利用可自动提取可精确计算

综上所述，本文所采用的桩基模型创建方法、建模效率及建模质量较其他方法有大幅提升；地质模型创建方法的建模精度及建模效率有保障，且模型整合后可实现桩基深入各地质层长度数据的自动提取，各类信息保存完整。另外，Dynamo工作流可单独保存，复用于其他项目。本文经探索得到了一套从桩基工程模型搭建、模型整合到数据提取完整的BIM技术应用方法。