賀 濤，何 強(qiáng)

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

水利水電工程項(xiàng)目往往建設(shè)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)階段多，造成了勘測(cè)基礎(chǔ)資料種類多，數(shù)據(jù)量大。在傳統(tǒng)二維作業(yè)方式下，勘測(cè)工作做的越扎實(shí)，留存的數(shù)據(jù)量越大，但又因?yàn)閿?shù)據(jù)可讀性不強(qiáng)，經(jīng)常造成無法有效傳遞利用的問題。隨著項(xiàng)目的深入，對(duì)地質(zhì)資料的誤讀情況會(huì)越來越多，不得不進(jìn)行大量的補(bǔ)探作業(yè)或者邊施工邊勘探。隨著BIM相關(guān)應(yīng)用在省級(jí)設(shè)計(jì)院推廣速度的加快，勘測(cè)領(lǐng)域也急需一套基于三維模型的數(shù)據(jù)庫管理體系，以符合行業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

1 思路與方法

通過研讀政府各類政策，了解相關(guān)技術(shù)出現(xiàn)的深層次原因，結(jié)合實(shí)際工作清楚勘察需要解決的問題。對(duì)比市場(chǎng)中已存在的多類勘測(cè)軟件，通過工程項(xiàng)目測(cè)試，取得了三維勘測(cè)中各類工程實(shí)際應(yīng)用點(diǎn)。最后考慮三維模型消費(fèi)階段的應(yīng)用，探索現(xiàn)階段適合中小型水利項(xiàng)目勘測(cè)的數(shù)據(jù)庫解決方案。

2 主要內(nèi)容

2.1 政策分析

隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、無人機(jī)等新興行業(yè)的發(fā)展，正在倒逼傳統(tǒng)行業(yè)發(fā)生改變。為提高建筑行業(yè)信息化程度，整體拉動(dòng)行業(yè)升級(jí)。湖南省“十一五”BIM規(guī)劃中指出主要任務(wù)：研究建立基于BIM的工程勘察流程與工作模式。在工程項(xiàng)目勘察中，推進(jìn)基于BIM進(jìn)行數(shù)值模擬、空間分析和可視化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)建筑與其地下工程地質(zhì)信息的三維融合。研究構(gòu)建支持異構(gòu)數(shù)據(jù)和多種采集方式的工程勘察信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)工程勘察信息的有效傳遞和共享。對(duì)比大型設(shè)計(jì)院，作為省級(jí)設(shè)計(jì)院更應(yīng)該在三維數(shù)字化和數(shù)據(jù)庫搭建中體現(xiàn)自身特點(diǎn)。

2.2 軟件比選

目前普遍采用的勘察三維建模解決方法：①設(shè)計(jì)院自主研發(fā)；②軟件公司獨(dú)立開發(fā)；③設(shè)計(jì)院與軟件公司合作研發(fā)。

目前三維軟件較多，PowerGeo、GeoStation地質(zhì)模塊都是基于MicroStation開發(fā)的。此外，還一些其他軟件商的地質(zhì)模塊。

省級(jí)設(shè)計(jì)院大多數(shù)以中小型項(xiàng)目為主，項(xiàng)目普遍采用新技術(shù)，單位成本過高，在基于數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一的前提下，Bentley平臺(tái)下開發(fā)的成熟地質(zhì)模塊是最合適的。

2.3 三維協(xié)同

協(xié)同設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)方式與流程的一項(xiàng)重大變革，多專業(yè)在同一大平臺(tái)下進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，改變以往串聯(lián)工作模式，轉(zhuǎn)為串并聯(lián)混合型工作模式。

現(xiàn)有勘測(cè)BIM軟件基本能夠?qū)崿F(xiàn)多人遠(yuǎn)程信息化和移動(dòng)化，野外數(shù)據(jù)記錄將更多的電子化。地質(zhì)素描將被實(shí)景建模技術(shù)簡(jiǎn)化，使得工程人員更加專注于技術(shù)問題的解決，而非大量的手工素描工作。服務(wù)器的海量存儲(chǔ)功能，將最大限度的保存歷史數(shù)據(jù)，保護(hù)工程人員權(quán)益，減少風(fēng)險(xiǎn)。采用同一數(shù)據(jù)庫，分配多層級(jí)權(quán)限的角色，使得每個(gè)人的權(quán)力和責(zé)任明確，避免工作缺漏。專業(yè)內(nèi)的模型校審碎片化，技術(shù)總工可在家看資料，紕漏明了，地質(zhì)分析推斷和鉆孔布置是否合理，實(shí)時(shí)上傳調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)庫探索

分別嘗試了SQL2008、Access數(shù)據(jù)庫，未來海量大數(shù)據(jù)還會(huì)用到GIS軟件、Oracle。同時(shí)對(duì)Bentley自帶的eb軟件進(jìn)行了探索，GIS平臺(tái)只嘗試了在超圖SuperMap和ArcGIS下實(shí)現(xiàn)BIM+GIS方法的探索。

數(shù)據(jù)庫基本架構(gòu)需符合一般的巖土工程勘察工作流程，包括勘探布置、鉆孔數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、施工地質(zhì)、資料統(tǒng)計(jì)等。通過配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，分配權(quán)限，實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)異地協(xié)同工作，提高工作效率，并能實(shí)現(xiàn)即時(shí)文件碎片化校審。

基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，建立了標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)字典，融合了水利、水電、巖土工程勘察的多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足多類項(xiàng)目、多勘察階段、多數(shù)據(jù)來源、多種應(yīng)用等需求，為設(shè)計(jì)提供實(shí)時(shí)訪問的數(shù)據(jù)服務(wù)；

地質(zhì)i-model全信息模型發(fā)布：在連接地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的情況下，自動(dòng)化實(shí)時(shí)提取數(shù)據(jù)庫信息，發(fā)布地質(zhì)全信息模型。勘測(cè)數(shù)據(jù)庫有很大工程價(jià)值，對(duì)于設(shè)計(jì)院來說是一筆能夠長(zhǎng)久保存的資產(chǎn)，對(duì)于業(yè)主來說可作為管理運(yùn)維的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一?？睖y(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)亦是“智慧水利”重要承載體。

3 應(yīng)用案例及成果

我院在若干項(xiàng)目中應(yīng)用了三維勘察設(shè)計(jì)。

三維地形模型是在測(cè)繪專業(yè)提供的二維dwg圖中，對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行去除構(gòu)筑物和錯(cuò)誤信息，提取有用的高程點(diǎn)、特征線和等高線數(shù)據(jù)，再通過相應(yīng)軟件生成，模型精度與原設(shè)計(jì)保持一致。不同點(diǎn)在于，毛俊和雅口項(xiàng)目使用GEOPAK生成模型，如圖1所示，而涔天河使用Geostation生成，如圖2所示，后者得到的地形表面更加平滑和接近實(shí)際，而且擁有便捷的修模工具，避免出現(xiàn)刺點(diǎn)和異形構(gòu)網(wǎng)的問題。

另外，雅口航運(yùn)工程中，研究了stm貼高清衛(wèi)星圖的方法，通過谷歌下載Level17級(jí)高清衛(wèi)星地圖附著在三維地形表面，形成了比較真實(shí)的三維地形模型，如圖3所示。但谷歌的投影坐標(biāo)系和國(guó)內(nèi)投影坐標(biāo)系一般都存在米級(jí)以上的誤差，糾偏算法復(fù)雜，很難做到完全對(duì)齊。真正投入到項(xiàng)目，還是需要通過實(shí)景建模技術(shù)。

圖1 毛俊水庫工程三維地形模型

圖2 涔天河水庫導(dǎo)流洞入口地形

圖3 雅口航運(yùn)工程三維地形模型

三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建，首先是在三維地形模型基礎(chǔ)上，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的大量勘測(cè)數(shù)據(jù)，形成鉆孔勘探線模型，第二步在二維切圖模式中編輯各個(gè)剖面，形成線框模型，最后在三維模式下形成各種通過顏色區(qū)分的水文界面、地層界面和結(jié)構(gòu)面，如圖4、6所示，最后通過面與面之間的空間拓?fù)溥\(yùn)算形成網(wǎng)格體，如圖5、7所示。

圖4 毛俊水庫工程三維地質(zhì)模型

圖5 雅口航運(yùn)工程三維地質(zhì)模型

圖6 涔天河水庫入口邊坡三維地質(zhì)模型

圖7 深圳濱河中學(xué)拆建項(xiàng)目三維地質(zhì)模型

圖8 毛俊水庫左壩肩地質(zhì)開挖模型

圖9 雅口航運(yùn)工程壩基地質(zhì)開挖模型

圖10 涔天河開挖面與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系

圖11 濱河中學(xué)拆建工程地質(zhì)開挖模型

三維地質(zhì)模型基本攬括了所有地質(zhì)要素，對(duì)于地質(zhì)薄層及構(gòu)造面都進(jìn)行了詳細(xì)的建模，通過模型，設(shè)計(jì)人員對(duì)項(xiàng)目地質(zhì)情況判斷一目了然，如圖10所示。

在地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，通過 PowerCivil和GEOPAK進(jìn)行開挖設(shè)計(jì)，以此得到基礎(chǔ)和高邊坡開挖模型，可以充分應(yīng)用三維模型可視化的便利條件，直觀查詢基礎(chǔ)和高邊坡結(jié)構(gòu)面的不利組合，提供給設(shè)計(jì)進(jìn)行穩(wěn)定分析，通過多種開挖方案對(duì)比，達(dá)到科學(xué)合理利用巖體的效果如圖8所示。同時(shí)，通過三維地質(zhì)體，能直接統(tǒng)計(jì)各地層的開挖方量，降低造價(jià)專業(yè)的工作強(qiáng)度，并能提高統(tǒng)計(jì)精度，對(duì)于業(yè)主控制預(yù)算有很好的幫助作用。通過開挖模型展示各個(gè)地層的開挖情況，利于特殊地層的處理和精細(xì)化設(shè)計(jì)，便于設(shè)計(jì)優(yōu)化和項(xiàng)目審查的通過，如圖9、11所示。

三維地質(zhì)模型的應(yīng)用，不僅在數(shù)據(jù)顯示上，在深圳濱河中學(xué)拆建項(xiàng)目中，周邊高層建筑密集，地下管網(wǎng)極其復(fù)雜。傳統(tǒng)的工作模式下，由于地下管線連接方式不清晰，設(shè)計(jì)單位和業(yè)務(wù)主管部門找不到準(zhǔn)確的管線接入口，導(dǎo)致重復(fù)作業(yè)而延長(zhǎng)項(xiàng)目周期。采用PowerCivil的SUE模塊對(duì)周邊地下管網(wǎng)建模后，通過模型能清晰的看到井與井、管與井之間的空間位置關(guān)系，如圖12所示。管網(wǎng)模型自帶各類屬性，區(qū)分給排水、污水、電氣等專業(yè)管線，為相應(yīng)專業(yè)設(shè)計(jì)提供了良好的三維解釋。通過地下管線與地質(zhì)開挖模型進(jìn)行碰撞分析可以得到更為可靠的線路改遷方案在開挖模型的基礎(chǔ)上，通過專業(yè)接口導(dǎo)入邁達(dá)斯軟件中，模擬計(jì)算基坑支護(hù)方案的可行性，為勘察報(bào)告中基坑支護(hù)方案的建議提供了理論支撐，如圖13所示。結(jié)果顯示，原設(shè)計(jì)方案偏保守，改為分邊且局部放坡的方式對(duì)基坑設(shè)計(jì)優(yōu)化，減少約15%的基坑支護(hù)工程量，有效提高了工程的經(jīng)濟(jì)效益。

圖15 2-2’剖面圖

圖12 濱河中學(xué)拆建項(xiàng)目地下管網(wǎng)模型

圖13 基坑支護(hù)方案有限元分析模擬

現(xiàn)有BIM技術(shù)在推廣過程中最大阻力來自于二維出圖能力的不足，出圖標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外差異巨大。上述勘測(cè)項(xiàng)目采用BIM技術(shù)出圖，三維模型與二維圖紙一致，如圖14、15所示。修改模型后能更新圖紙，提高了本專業(yè)人員的出圖積極性。設(shè)計(jì)方案修改后不用重新編輯圖紙，提高了生產(chǎn)效率。

圖14 鉆孔柱狀圖

4 結(jié)語

省級(jí)設(shè)計(jì)院的勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目多屬于中小型，通過以上諸多勘察項(xiàng)目的三維數(shù)字化應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫探索發(fā)現(xiàn)，以BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用為基礎(chǔ)，打造一支能熟練運(yùn)用BIM技術(shù)的小型隊(duì)伍，與軟件公司合作，選用基于MicroStation平臺(tái)開發(fā)的地質(zhì)模塊，將中小型水利項(xiàng)目的數(shù)據(jù)管理起來，形成數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一、通用、安全的數(shù)據(jù)庫，利用數(shù)據(jù)庫強(qiáng)大的延展性，服務(wù)“智慧水利”，將是省院最適用的發(fā)展道路。

現(xiàn)階段BIM所涉及的軟件種類太多，平臺(tái)也不盡相同，要想完全掌握，難度很大，因此在效率提升上還存在諸多問題，現(xiàn)階段只能制定一系列規(guī)范化的工作流程，從側(cè)面提升工作效率。

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