李家華，陳良志，楊彪，唐正浩

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

三維地質(zhì)建模（3D Geo-science Modeling）技術(shù)是在虛擬三維環(huán)境下，利用空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析與預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具用于地質(zhì)分析的技術(shù)[1]。三維地質(zhì)模型在實(shí)際工程的運(yùn)用中具有十分重要的意義[2]，得益于BIM技術(shù)的快速發(fā)展，包含地勘數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)模型開始受到越來越多的重視和研究。目前主流的三維地質(zhì)建模軟件多是在理論上具備一定的建模能力，但在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中仍存在諸多問題，如建模軟件缺乏針對性、BIM技術(shù)與三維地質(zhì)的結(jié)合、地質(zhì)夾層建模理論等[3]，制約著三維地質(zhì)技術(shù)真正的普及和推廣。

在水運(yùn)工程行業(yè)，三維地質(zhì)模型研究起步較晚，發(fā)展相對滯后，而傳統(tǒng)的地質(zhì)勘察成果通常采用二維方式來表示，如平面圖、剖面圖、鉆孔柱狀圖等，其可視化和聯(lián)動性較差。當(dāng)?shù)刭|(zhì)結(jié)構(gòu)層級復(fù)雜、軟弱土層區(qū)域分布差異大、各鉆孔間連續(xù)性難以判斷時(shí)，會給設(shè)計(jì)和施工帶來很多不可預(yù)測性，在工程中留下安全隱患。三維地質(zhì)建模技術(shù)的出現(xiàn)能有效改變這一現(xiàn)狀，通過對地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，建立三維的地質(zhì)模型，利用可視化技術(shù)便可在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對勘察場地地質(zhì)情況的模擬，從而做出真實(shí)生動的三維效果圖。并且在三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行場地開挖、結(jié)構(gòu)比選等工作，為工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。本文結(jié)合某海堤工程案例，對大場地下的三維地質(zhì)模型建模要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和總結(jié)。

1 三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建

AutoCAD Civil 3D是土木工程中最重要的BIM軟件之一，尤其是其擴(kuò)展應(yīng)用地質(zhì)巖土模塊Geotechnical Module，能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建。如圖1所示，地質(zhì)巖土模塊可分為地質(zhì)數(shù)據(jù)管理、三維地質(zhì)模型樣式管理、剖面出圖管理等，具有操作簡單、數(shù)據(jù)動態(tài)關(guān)聯(lián)、出圖方便等特點(diǎn)。Civil 3D的曲面類型分為三角網(wǎng)曲面，柵格曲面和體量曲面，其中三角網(wǎng)曲面可以較精確地模擬真實(shí)的地形和地層面。利用鉆孔數(shù)據(jù)直接建立三維地質(zhì)模型一直是國內(nèi)外研究的基本方向，鉆孔資料對建立三維地質(zhì)至關(guān)重要[4-6]。Civil 3D建立地質(zhì)模型主要是通過地質(zhì)巖土模塊導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)來生成三維地層曲面，再通過地層曲面模型提取三維實(shí)體模型。

圖1 AutoCAD Civil 3D地質(zhì)巖土模塊Fig.1 Geotechnical module of AutoCAD Civil 3D software

1.1 數(shù)據(jù)的導(dǎo)入及處理

導(dǎo)入的地勘數(shù)據(jù)文件支持AGS和CSV格式。通過地質(zhì)勘察軟件gINT導(dǎo)出鉆孔位置信息和鉆孔地層信息，制作成2個(gè)CSV格式文件（Location Details.csv和 Field Geological Descriptions.csv），并將其導(dǎo)入到Civil 3D地質(zhì)巖土模塊的數(shù)據(jù)庫中，便可自動生成帶有地理位置信息和地層信息的三維鉆孔柱狀圖用于創(chuàng)建地質(zhì)模型。同時(shí)，地質(zhì)模型可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫的更新而更新。

當(dāng)?shù)刭|(zhì)模型存在夾層時(shí)，需對導(dǎo)入的鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如當(dāng)某個(gè)鉆孔存在地層X，而其周圍鉆孔都不存在X時(shí)，地層X就相當(dāng)于一個(gè)透鏡體，Civil 3D的地質(zhì)巖土模塊自動建模無法識別透鏡體，需要對地層數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，這也是制約三維地質(zhì)快速建模的關(guān)鍵因素之一。具體解決方法可通過在原始地層的CSV數(shù)據(jù)上添加0厚度的虛擬地層，使透鏡體或夾層尖滅在臨近鉆孔。再如當(dāng)同種地層在1個(gè)鉆孔中出現(xiàn)多次時(shí)，需根據(jù)標(biāo)高位置，將該地層分為X-1，X-2，X-3等不同的亞層來處理，不同亞層可生成不同的曲面和實(shí)體，并將不同亞層的實(shí)體模型賦予相同的屬性信息。該思路適用于夾層較多的地質(zhì)模型，且可實(shí)現(xiàn)快速批量處理，需要根據(jù)三維地層的實(shí)際分布情況批量刪除不合理的連接，實(shí)現(xiàn)勘察數(shù)據(jù)與三維地質(zhì)模型的無縫對接轉(zhuǎn)換。

通過對原始地勘數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)性處理，可有效提高地質(zhì)模型的創(chuàng)建速度和精度。但當(dāng)?shù)貙臃植驾^復(fù)雜時(shí)，地質(zhì)模型的創(chuàng)建具有一定的主觀性，不同建模人員創(chuàng)建的模型可能存在差別，這時(shí)需要具有豐富地質(zhì)工程經(jīng)驗(yàn)的人員加以判斷，以求創(chuàng)建出最合理最接近實(shí)際情況的地質(zhì)模型。

1.2 創(chuàng)建管理曲面及實(shí)體模型

三維地質(zhì)模型包含三維曲面模型和三維實(shí)體模型，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通過剖切三維地質(zhì)曲面即可得到地質(zhì)剖面圖，且包含地層名稱、標(biāo)高、鉆孔等相關(guān)信息，滿足設(shè)計(jì)需要，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，三維地質(zhì)實(shí)體模型可以起到精確算量的作用，特別是按土質(zhì)分類開挖，通過將開挖實(shí)體模型與三維地質(zhì)實(shí)體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，直接得到不同土質(zhì)的三維模型并獲取體積數(shù)據(jù)，減少算量誤差，帶來直接經(jīng)濟(jì)效益。

將處理后的鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫后，地質(zhì)巖土模塊支持一鍵生成三維曲面模型，并可根據(jù)需要選擇顯示或隱藏曲面對象，如圖2所示。考慮濱海沉積地層平緩分布的基本規(guī)律，自動分層算法按層號構(gòu)建三維地質(zhì)模型，將不同鉆孔的同一地層連接在一起，構(gòu)成相同地質(zhì)的曲面模型。Civil 3D軟件支持從兩個(gè)曲面提取實(shí)體，將同一地層的上層曲面與下層表面耦合，即可得到三維實(shí)體，模型的屬性信息需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行補(bǔ)充和修改。生成的實(shí)體模型建議根據(jù)土體信息分別放在不同的圖層中，方便管理和查看。

圖2 創(chuàng)建地層曲面模型Fig.2 Create stratigraphic surface models

1.3 三維地質(zhì)模型出圖

在生成三維地質(zhì)曲面模型后，地質(zhì)巖土模塊可以快速創(chuàng)建地質(zhì)剖面圖，并可實(shí)現(xiàn)模型的任意剖切。先選擇剖切路線，再根據(jù)命令提示選中曲面和鉆孔后，即可調(diào)用地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫里的相關(guān)信息，根據(jù)出圖需要創(chuàng)建與地質(zhì)模型動態(tài)關(guān)聯(lián)的地層剖面，土層編號及標(biāo)高信息自動標(biāo)注，地層信息與地質(zhì)剖面圖一一對應(yīng)。剖面圖出圖樣式可以提前設(shè)定，通過調(diào)整全局比例，保證字體樣式的統(tǒng)一性。另外，在地質(zhì)巖土模塊的剖面出圖樣式管理選項(xiàng)中，可以定制地層的填充樣式，使地質(zhì)模型在柱狀圖和剖面圖中的顯示樣式符合相關(guān)規(guī)范要求。通過地質(zhì)剖面圖，可清晰地反映各鉆孔之間的連接規(guī)律及夾層情況，為后續(xù)的斷面設(shè)計(jì)和地基處理提供更加準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，提高工程設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。此外，當(dāng)?shù)缆纺Ｐ秃偷刭|(zhì)模型同步出圖時(shí)，可以采用Civil 3D軟件的創(chuàng)建橫斷面圖功能來實(shí)現(xiàn)。

2 某海堤工程應(yīng)用實(shí)例

該工程案例為大型填海工程，勘察成果包含600多個(gè)鉆孔，工程區(qū)域范圍較大，地質(zhì)情況較復(fù)雜，南北土層淤泥分布差異較大。由于工程主體結(jié)構(gòu)建模范圍超出鉆孔覆蓋范圍，而軟件本身不具備將地質(zhì)模型自動向外擴(kuò)展延伸的功能，考慮到濱海沉積地層具有良好的連續(xù)性，本次建模采用復(fù)制臨近鉆孔資料的方法來實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)模型區(qū)域的擴(kuò)展，最終數(shù)據(jù)庫鉆孔個(gè)數(shù)達(dá)到800多個(gè)，如圖3所示。

圖3 三維鉆孔布置圖Fig.3 3D drilling layout

軟弱夾層的處理通常是海堤設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問題，傳統(tǒng)的二維勘察結(jié)果對地質(zhì)情況的表達(dá)存在諸多不便，無法考慮地質(zhì)在三維空間中的擴(kuò)展延伸情況，三維地質(zhì)模型的應(yīng)用可以增強(qiáng)可視化效果，有效改善設(shè)計(jì)和施工中在地質(zhì)三維空間內(nèi)的盲區(qū)。由于本項(xiàng)目地質(zhì)夾層較多，數(shù)據(jù)導(dǎo)入前需按照本文描述方法分析鉆孔數(shù)據(jù)，對透鏡體進(jìn)行批量處理，形成合理的地層連接順序。然后通過Civil 3D地質(zhì)巖土模塊導(dǎo)入數(shù)據(jù)，快速生成地層曲面，檢查各曲面準(zhǔn)確性，確認(rèn)無誤后提取相應(yīng)土層的三維地質(zhì)實(shí)體模型，三維地質(zhì)實(shí)體模型剖面如圖4所示。

圖4 三維地質(zhì)實(shí)體模型剖面細(xì)節(jié)展示Fig.4 Detailed profile of 3D geological solid model

本項(xiàng)目位于沿海灘涂地帶，表面具有較厚的淤泥層，根據(jù)海堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算，部分區(qū)域需要進(jìn)行基槽開挖換填處理。由于二維設(shè)計(jì)的局限性，在傳統(tǒng)的基槽開挖設(shè)計(jì)中通常對真實(shí)地質(zhì)情況進(jìn)行簡化處理，采用標(biāo)高進(jìn)行土質(zhì)控制，這樣更加方便出圖和統(tǒng)計(jì)工程量。但對于實(shí)際項(xiàng)目來說是不利的，存在一定的安全隱患，同時(shí)無法精確統(tǒng)計(jì)不同土質(zhì)的開挖量。通過建立三維地質(zhì)模型，基槽開挖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的標(biāo)高控制到土質(zhì)控制的轉(zhuǎn)變，該過程不僅提高了設(shè)計(jì)精度，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動出圖，減少工作量。另外，通過將基槽開挖實(shí)體模型與三維地質(zhì)實(shí)體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，可以獲得不同土層的開挖模型，進(jìn)而精確統(tǒng)計(jì)各土層的開挖量。

在本項(xiàng)目的施工圖設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用了三維地質(zhì)建模技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了較多二維初步設(shè)計(jì)成果的不合理性，并不斷進(jìn)行海堤結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化，最終形成了滿足設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)方案。特別是在地層差異較大區(qū)域，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)不易獲悉地質(zhì)在三維空間的變化規(guī)律，進(jìn)而使得海堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮不夠周全，而三維地質(zhì)模型在空間上具有較強(qiáng)的可視性，能有效提高設(shè)計(jì)的合理性和準(zhǔn)確性。繪制傳統(tǒng)二維斷面圖時(shí)，經(jīng)常需要將處理好的鉆孔柱狀圖及地層信息拷貝到斷面圖的相應(yīng)位置，工作較為繁瑣，而Civil 3D軟件可以實(shí)現(xiàn)海堤斷面和地質(zhì)剖面的同步、快速、批量出圖，且可以在任意里程位置進(jìn)行剖切。三維海堤模型可以采用軟件的道路功能創(chuàng)建，而橫斷面圖的樣式及標(biāo)注信息等，可以預(yù)先在Civil 3D模板文件中設(shè)置好，以保證后期一鍵出圖的規(guī)范性，如圖5所示。

圖5 剖切模型生成橫斷面圖Fig.5 Create cross-section drawing by model cutting

3 探討

三維地質(zhì)模型的應(yīng)用將是水運(yùn)行業(yè)BIM發(fā)展的必然趨勢，通過Civil 3D軟件的地質(zhì)巖土模塊可以初步實(shí)現(xiàn)滿足行業(yè)要求的三維地質(zhì)建模，但在實(shí)際應(yīng)用過程中仍然存在幾點(diǎn)問題：

1）三維地質(zhì)透鏡體的處理缺乏客觀性，實(shí)際地層情況難以把握，通過夾層尖滅到相鄰鉆孔進(jìn)行近似模擬，只能在一定程度上反映夾層的三維空間特性，并非完全準(zhǔn)確，真實(shí)情況只能通過補(bǔ)充鉆孔來完善；

2）三維地質(zhì)建模工作量繁重，當(dāng)鉆孔數(shù)量較多時(shí)，對計(jì)算機(jī)硬件及建模人員都是不小的考驗(yàn)，若地層曲面的連接存在錯(cuò)誤，則較難發(fā)現(xiàn)，往往需要在出圖過程中再進(jìn)行調(diào)整，而模型的更新響應(yīng)速度較慢。

3）傳統(tǒng)的出圖模式仍然是大家容易接受的方式，采用三維地質(zhì)模型進(jìn)行出圖時(shí)，在出圖樣式和習(xí)慣上與傳統(tǒng)模式存在較多不同，或許隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，出圖要求和觀念應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)。

4 結(jié)語

在水運(yùn)工程BIM設(shè)計(jì)中，三維地質(zhì)建模技術(shù)是不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是在地質(zhì)條件復(fù)雜的項(xiàng)目中具有更加重要的應(yīng)用意義。通過Civil 3D軟件及其地質(zhì)巖土模塊，可以實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)的建模，并應(yīng)用于設(shè)計(jì)過程的方案優(yōu)化和必選，有效避免了二維設(shè)計(jì)中容易發(fā)生的錯(cuò)誤。通過對三維地質(zhì)模型的剖切可以實(shí)現(xiàn)快速出圖，并使模型和圖紙具有動態(tài)關(guān)聯(lián)的特性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動標(biāo)注，包括填充樣式、土層和標(biāo)高信息等。此外，三維地質(zhì)模型在分土層統(tǒng)計(jì)開挖量方面具有明顯優(yōu)勢，通過三維實(shí)體模型的布爾運(yùn)算功能，快速實(shí)現(xiàn)開挖土體的分類統(tǒng)計(jì)，提高了工作效率和工程量的準(zhǔn)確性。實(shí)踐證明，利用Civil 3D軟件創(chuàng)建三維地質(zhì)模型，可以滿足水運(yùn)工程BIM應(yīng)用的需求，其獨(dú)特的建模理念和技術(shù)優(yōu)勢可以有效促進(jìn)三維地質(zhì)建模技術(shù)在水運(yùn)行業(yè)的普及和推廣。