羅　宇，任志剛，原先凡

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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工程地質BIM技術及其在水電工程中的應用

羅宇，任志剛，原先凡

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

BIM是一種新型的設計方法，它實現(xiàn)了設計從二維空間到三維空間的變革，使基礎建筑信息數(shù)字化。目前，BIM主要應用于建筑和結構等專業(yè)，較少應用與工程地質設計領域。本文討論了BIM在工程地質設計中的應用，分析了傳統(tǒng)工程地質設計與BIM工程地質數(shù)字化設計方法和優(yōu)缺點；以及在引水隧洞設計中的應用實例,為BIM在工程地質設計中的應用提供了參考和借鑒。

BIM；工程地質；數(shù)字化設計；三維模型

1　BIM的概念

BIM概念最早是由卡耐基麥隆大學的查理·伊斯特曼教授在1975提出的“建筑描述系統(tǒng)(Building Description System)”發(fā)展而來。而今BIM被最終定義為“建筑信息模型(Building Information Modeling)”，其概念是利用三維數(shù)字技術，以建筑工程項目的各項相關信息數(shù)據(jù)作為模型基礎，進行建筑三維模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它具有可視化、協(xié)調性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點[1]。

BIM的作用在于可以在項目建造之前以數(shù)字化方式對其關鍵物理特征和功能特性進行綜合探索；可以幫助提高項目交付速度、減少成本，并降低環(huán)境影響。借助BIM，設計人員可以在整個過程中使用協(xié)調一致的信息，可以更準確的查看并模擬項目在現(xiàn)實世界中的外觀、性能和成本，還可以創(chuàng)建出更佳準確的施工圖紙[2-4]。

2　BIM與工程地質有機結合

2.1工程地質設計的發(fā)展概況

解放以前，我國的工程地質隸屬土木工程范疇，沒有建立獨立地質工程學科。新中國建國后才有了長足的進步和發(fā)展，形成了獨立的學科。至今，工程地質勘察已成為工程建設中不可缺少的一個重要組成部分。工程地質隨著建筑業(yè)的“信息革命”，從最開始的紙上手繪作圖，逐步向電腦CAD作圖發(fā)展；而三維技術的成熟，將進行二次“信息革命”向三維化發(fā)展。水電行業(yè)自上世紀90年代以來，成都院、華東院、北京院等單位，在這方面進行了大量的探索和研究工作，取得了豐碩的成果。作者所在的地質團隊正是應用成都院開發(fā)的Geosmart地質信息系統(tǒng)和Gocad水電地質模塊，完成了玉瓦總承包項目的BIM應用。

2.2BIM與專業(yè)地質三維軟件的契合

BIM落實到水電地質，其核心就是地質信息的流轉和應用，水電水利工程地質勘測數(shù)據(jù)類眾多，獲取手段不一，記錄格式、坐標、描述的精細程度差異大。水電地質BIM軟件應以生產流程為主線，基本地質條件為綱目，匯總各種勘測手段中的多元數(shù)據(jù)，圍繞五大地質因素，按地質屬性進行分類，并與工程勘察階段、數(shù)據(jù)獲取手段及空間位置等眾多因素關聯(lián)，使得地質數(shù)據(jù)變成“真正的數(shù)據(jù)信息”在生產過程中流動起來，形成深度關聯(lián)又相對獨立的數(shù)據(jù)中心。圍繞數(shù)據(jù)中心按不同需求構建分析應用系統(tǒng)，最終形成一體化的水利水電工程地質設計平臺，實現(xiàn)水電水利工程地質勘測全過程信息化。

作者目前使用的geosmart地質信息系統(tǒng)能將所有地質信息轉化成數(shù)據(jù)信息，保存至數(shù)據(jù)中心庫；而Gocad三維制圖軟件能將geosmart地質信息系統(tǒng)上傳至數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)直接提取，生成相應的三維部件或模型，這與BIM根據(jù)建筑物相關數(shù)據(jù)作為基礎模型完全契合。通過BIM工程地質數(shù)字化設計生成BIM三維模型后，可以更直觀的查看各類地質信息，模擬不同情況下地質條件的變化、對建筑物的影響，能更有效的輔助工程師做出正確的判斷。

2.3BIM工程地質數(shù)字化設計優(yōu)勢

傳統(tǒng)工程地質設計弊端有：資料收集過程中存在填寫、編錄等不規(guī)范現(xiàn)象造成資料收集不完整。收集資料易丟失、損壞，查看翻閱不便等多種情況；制圖方面工作量大，成圖時間長，不能直觀展示，修改繁瑣，一個部位的修改，將修改全部相關圖件。如遇特殊地質情況等還需重新作圖分析，提出地質成果慢等。

BIM工程地質數(shù)字化設計優(yōu)勢：通過Geosmart地質信息系統(tǒng)能保證收集資料的規(guī)范化、標準化錄入。所有地質人員錄入地質資料均按同一標準輸入資料，某一項未填寫或填寫不正確、不規(guī)范均不能正常提交，保證資料錄入的完整性和規(guī)范性，并在流程系統(tǒng)中線上完成資料校核工作。而上傳到數(shù)據(jù)中心的資料不易丟失損壞，查看提取便捷。

因此，BIM工程地質數(shù)字化設計三維模型就可通過Gocad三維制圖軟件直接提取數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)生成，BIM三維模型一但生成，所有基礎資料均能直觀的展示在三維模型上，而大量的施工圖紙均能通過Gocad軟件一鍵成圖，大大縮減工作量。如有修改，只需更新Geosmart基礎數(shù)據(jù)，所有三維圖件和通過三維圖件生成的二維圖件均能自動關聯(lián)資料進行修改。技施階段隨著基礎資料更新，三維模型也能自動完善，隨時都能提供最新的地質成果。

3　BIM技術在玉瓦水電站中的應用

3.1工程概況

玉瓦水電站位于白水江流域一級支流黑河上游，屬黑河～白水江水電規(guī)劃“一庫七級”開發(fā)的第二梯級電站，裝機容量49 MW。屬長引水隧洞式水電站，引水隧洞全長14.1 km，占總投資的61%，且為關鍵線路工期。引水隧洞的超前地質預報將是工程地質專業(yè)的工作重點及難點。

為了更加準確的把控引水隧洞區(qū)的地質條件，在地質條件發(fā)生變化時及時做出應對措施，以及做出準確可靠的超前地質預報。地質專業(yè)對引水隧洞采用了BIM工程地質數(shù)字化設計，招標階段根據(jù)初期勘察地質資料生成BIM三維模型，并且通過模型預測引水隧洞各段圍巖類別及比例。在技施階段根據(jù)現(xiàn)場實際開挖揭示地質條件更新修改模型。與招標階段預測進行對比，指導施工，對前期所預測的圍巖類別復核，做好地質預報工作。

玉瓦水電站引水隧洞共設6條施工支洞，2014年12月4號支洞下游開挖遇到不良地質洞段，規(guī)模不等的順層構造破碎帶隨機發(fā)育，加之地下水異常豐富，圍巖類別為V類。受其影響，開挖進尺緩慢，日平均進尺不足1 m/天，已嚴重制約施工進度。

根據(jù)已有BIM三維模型的數(shù)據(jù)資料顯示，該區(qū)域內沒有發(fā)現(xiàn)大規(guī)模不良地質洞段的不利因素，但不排除前期地質資料匱乏造成的遺漏。為確保工程按期發(fā)電目標的完成，開展了地質復核工作，梳理制約工期的地質因素，完善更新BIM三維模型。

3.2地質資料收集

3.2.1開展地表調查

根據(jù)已有BIM三維模型地形圖，查勘該段區(qū)域內的宏觀地形地貌。發(fā)現(xiàn)該區(qū)域可能存在一條軟弱巖帶和斷層。隨即制定調查線路，對推測的軟弱巖帶、斷層進行現(xiàn)場調查、復核(見圖1)。

利用BIM三維模型能準確、快速的從宏觀上判斷該區(qū)的宏觀地形地貌，目的明確的勘察可疑區(qū)域，不僅節(jié)省了大量時間，還減少了工作量。此次地表調查，現(xiàn)場地質定點31個，區(qū)域內未見明顯層位、產狀及巖性差異，無推測的軟弱巖帶和斷層分部。并將收集的地質點相關信息錄入BIM三維模型。

圖1　地質調查線路與地質點三維模型

3.2.2綜合分析已開挖揭示地質條件

根據(jù)已開挖揭示地質條件綜合分析預測不良地質洞段地質特征。

在前期隧洞開挖過程中，收集到的地質資料均已錄入Geosmart三維信息系統(tǒng)，并通過Gocad軟件更新至三維模型(見圖2)。原始資料在BIM三維模型中系統(tǒng)完整的展示，省去了大量資料查閱、整理時間，并能在三維圖形上直觀展示，便于地質工作人員作出判斷。

3.2.3采用TRT超前地質預報

此外，還對該不良地質洞段做了TRT地震波超前地質預報，并將TRT預報檢測數(shù)據(jù)與三維模型關聯(lián)(見圖3)。

圖2　引水隧洞相關信息三維模型展示

圖3　 TRT地質超前預報數(shù)據(jù)導入三維模型

TRT地質超前預報檢測資料顯示：掌子面前方20 m范圍內地震波反射不明顯，開挖面內未見低阻異常，巖體情況與掌子面類似；掌子面前方20～70 m段地震波反射明顯，推測該段內巖體均一性變差；掌子面前方70～90 m段地震波反射無異常，推測該段巖體均一性變好；掌子面前方90～100 m段存在一明顯低阻異常。

3.3空間分析

3.3.1完善三維模型

將收集到的所有地質資料，集中展示在BIM三維模型上，所有資料相互關聯(lián)，通過模型系統(tǒng)分析該區(qū)域的地質條件(見圖4)。

3.3.2空間分析結論及推測

該區(qū)域未見明顯層位、產狀及巖性差異，無推測的軟弱巖帶和斷層分部。該段隧洞主要因圍巖巖體單層厚度薄、強度低，抵抗構造影響能力差，加之隨構造發(fā)育的地下水影響，使本就破碎的巖體進一步惡化，從而產生不良地質洞段。在區(qū)內大構造不發(fā)育情況下，巖體的單層厚度及強度是影響圍巖穩(wěn)定好壞的主控因素。

利用BIM三維模型發(fā)現(xiàn)地表調查地質點和隧洞開挖揭示的巖體單層厚度與產狀具備協(xié)調性，通過三維多點連線，直觀的推斷出該區(qū)域總體產狀，并推測出了五層厚度不一的巖層分層界線(見圖5、6)。利用原有地質勘察手段，將需要大量剖面圖和平面圖切圖判定，工作量巨大。

圖4　三維模型展示示意

圖5推測巖體單層厚度劃分層與洞軸線三維俯視圖6三維預測和實際開挖揭示巖層厚度分界示意

3.3.3提出地質建議及成果

根據(jù)BIM三維模型顯示：沿原洞軸線方向開，前方約680 m巖層依然為薄層為主，且伴隨小構造和地下水，圍巖地質條件無明顯變化。如向山內側調整洞軸線，以最短距離快速穿過該段薄層不良地質洞段進入中厚層巖層，距離只有230 m。

經過多方商討決定采納地質設計建議，調整洞軸線方向。隨后的開挖過程中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)三維模型推測的巖體單層厚度分層與實際開挖揭示的地質條件一致，且厚度分層界線預測精度達到20 m以內。進入中厚層后，圍巖類別迅速由Ⅳ、Ⅴ類圍巖變?yōu)棰箢悋鷰r，之前的地質結論：巖體的單層厚度及強度是影響圍巖穩(wěn)定好壞的主控因素，也得到了應證。

因為BIM工程地質數(shù)字化設計，在遇到不良地質情況發(fā)生時，及時的提出了相應的地質結論及建議。據(jù)不完全統(tǒng)計，此次洞軸線調整，雖然洞軸線增加了52 m，但項目工期縮短5.1個月，投資節(jié)約186萬元。而期間BIM地質數(shù)字化設計體現(xiàn)出的高效性、及時性、準確性就不言而喻。

4　結　語

隨著傳統(tǒng)二維設計在工程地質中的發(fā)展，傳統(tǒng)二維設計的缺點日益突出。為了滿足更好的設計要求和更復雜的工程項目設計，BIM技術應運而生，并在建筑行業(yè)得到了極大的推廣和應用，也取得了良好的效果。BIM技術在工程地質設計中應用尚屬起步階段，本文所提出的BIM工程地質數(shù)字化設計望能在將來的工程地質設計中得到推廣和應用。

[1]杰里·萊瑟琳，王新.BIM的歷史[J].建筑創(chuàng)作.2011(6)：146-149.

[2]謝曉晨.論我國建筑業(yè)BIM應用現(xiàn)狀和發(fā)展[J]. 土木建筑工程信息技術，2014,6(6)：90-101.

[3]宦國勝，王?？。驀A. 水利工程中三維信息模型技術平臺的比選和應用[J]. 江蘇水利，2015(1)：41-43.

[4]黃錳鋼，王鵬翊. BIM在施工總承包項目管理中的應用價值探索[J]. 土木建筑工程信息技術，2013,5(5)：88-91.

2016-03-07

羅宇(1985- )，男，重慶武隆人，助理工程師，從事水利水電工程地質勘察工作。

P628.3,TV22

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1003-9805(2016)03-0094-04