劉黎溪，李萬紅，蘇麗娜，劉楊威

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，蘭州 730000)

BIM作為一種新型數(shù)字化信息化設(shè)計(jì)方法，已逐步應(yīng)用于工程項(xiàng)目策劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、管理和維護(hù)的全生命周期過程中[1]。水利工程BIM技術(shù)起步較晚，且水利工程地質(zhì)信息具有多元、多維、多時(shí)態(tài)等特點(diǎn)[2]，地形地質(zhì)條件復(fù)雜的壩址區(qū)、長輸水隧洞為三維地質(zhì)建模的難點(diǎn)。以天水曲溪供水工程的三維地質(zhì)建模過程為例，通過A平臺(tái)的Civil 3D、Navisworks、3Ds Max和Vault等軟件，進(jìn)行復(fù)雜地質(zhì)條件下三維地質(zhì)建模、協(xié)同設(shè)計(jì)、審閱和漫游，實(shí)現(xiàn)了實(shí)體開挖算量、三維渲染和展示[3]。探索出不規(guī)則地質(zhì)體的創(chuàng)建方法和采用真實(shí)巖性照片貼圖渲染技術(shù)。直觀地表達(dá)了地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地層的空間關(guān)系。

1 工程概況

天水曲溪城鄉(xiāng)供水工程，位于嘉陵江二級(jí)支流白家河，設(shè)計(jì)總庫容7 782 萬m3，正常蓄水位1 432 m，壩高80 m，初選重力壩和堆石壩兩個(gè)方案，引水隧洞長21.6 km。

區(qū)內(nèi)地貌劃分為構(gòu)造剝蝕中山區(qū)、剝蝕堆積紅層丘陵區(qū)、黃土丘陵區(qū)和侵蝕堆積河谷區(qū)等4個(gè)次級(jí)地貌單元。溝谷發(fā)育，水系縱橫，山峰與谷底相對高差400～600 m，山峰陡峻。河谷狹窄，漫灘、心灘、Ⅰ、Ⅱ級(jí)堆積階地?cái)嗬m(xù)分布，殘留Ⅲ、Ⅳ級(jí)侵蝕基座階地。

工程位于秦嶺褶皺系西段、秦嶺北部海西冒地槽褶皺帶，林木茂密。復(fù)式褶皺、次級(jí)褶皺及區(qū)域性斷裂發(fā)育，有17條區(qū)域性斷層，壩址區(qū)共發(fā)現(xiàn)次級(jí)小斷層27條，隧洞沿線共發(fā)現(xiàn)次一級(jí)斷層68條，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。

地質(zhì)條件復(fù)雜，地層巖性種類多。主要有：①中泥盆統(tǒng)舒家壩組(D2s)云母角閃片巖、云母斜長片巖、角閃綠泥片巖、綠泥石英片巖、綠泥云母片巖等，夾少量大理巖、灰?guī)r；②上泥盆統(tǒng)大草灘群(D3dc)石英砂巖夾礫巖、粉砂巖、千枚狀板巖等；③中～下侏羅統(tǒng)(J1-2)砂礫巖及砂巖夾煤層、頁巖夾砂巖及煤層；④古近系(E) 含礫泥巖、砂礫巖夾砂巖等；⑤新近系(N)泥質(zhì)巖夾砂礫巖及黏土巖；⑥侵入巖有華力西期(δ4)花崗閃長巖、云母花崗巖，燕山期侵入巖(γ5) 二長花崗巖，以及花崗偉晶巖脈(γρ)、花崗巖巖脈(γ)等；⑦不同成因的各類第四系堆積物。

壩址區(qū)地質(zhì)圖見圖1，重力壩壩軸線地質(zhì)剖面圖見圖2。

圖1 壩址區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of dam site area

圖2 壩軸線剖面圖Fig.2 Dam axis profile

2 三維地質(zhì)建模

2.1 輸入數(shù)據(jù)

采用中國電建北京院基于Civil 3D平臺(tái)自主開發(fā)的地質(zhì)三維建模軟件，輸入鉆孔、平硐、物探、試驗(yàn)等數(shù)據(jù)，其中，鉆孔36個(gè)總進(jìn)尺3 200 m，平硐4個(gè)，豎井5個(gè)，探坑32個(gè)。在勘探點(diǎn)稀少區(qū)域，根據(jù)野外勘察收集的地質(zhì)測繪資料，增加一定數(shù)量的虛擬鉆孔數(shù)據(jù)來控制地質(zhì)模型精度。輸入巖性分界、斷層、裂隙構(gòu)造出露點(diǎn)、水邊線、泉水露點(diǎn)等地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)及相關(guān)屬性信息，繪制地質(zhì)界線。項(xiàng)目所有數(shù)據(jù)存入地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，以便在建模時(shí)調(diào)用。

2.2 創(chuàng)建地質(zhì)曲面

利用Civil 3D和北京院BIM軟件的地質(zhì)建模功能創(chuàng)建地質(zhì)三維模型。導(dǎo)入測繪點(diǎn)數(shù)據(jù)和校審后的地形圖來創(chuàng)建地形曲面，并進(jìn)行異常點(diǎn)修整處理。調(diào)用項(xiàng)目地質(zhì)數(shù)據(jù)庫信息，創(chuàng)建鉆孔模型和基覆界面、風(fēng)化界面、巖層界面、不整合界面、斷層面、地表水、地下水面等各類曲面[4]。對地質(zhì)曲面賦予地質(zhì)屬性及地質(zhì)說明信息，以便各協(xié)同專業(yè)設(shè)計(jì)人員識(shí)別和查詢，揭開地形曲面的地質(zhì)模型見圖3。其中，基覆界面為建模過程中的關(guān)鍵，基覆界面基于地形曲面建立，而幾乎所有地質(zhì)曲面又都是基于基覆界面和地形曲面來建立。因此，地形條件的復(fù)雜程度也決定了地質(zhì)模型的復(fù)雜程度。不整合面等不規(guī)則曲面通過部件編輯器功能來實(shí)現(xiàn)，透鏡體分上下兩個(gè)界面分步建立后整合。創(chuàng)建好的地質(zhì)模型為曲面模型，具備可視化、信息化、一致性和出圖性。方便查看和利用地質(zhì)數(shù)據(jù)資料,更為清晰易讀和便于操作分析[5]。

圖3 地層構(gòu)造曲面模型Fig.3 Surface model of stratigraphic structure

3 創(chuàng)建實(shí)體模型

三維地質(zhì)實(shí)體模型可清晰地表達(dá)和分析復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)及相關(guān)屬性[6], 更直觀地展示三維效果。用Civil 3D創(chuàng)建實(shí)體時(shí)，由于地質(zhì)曲面復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，容易報(bào)錯(cuò)，對模型進(jìn)行了分區(qū)，并逐層提取實(shí)體，生成三維地質(zhì)實(shí)體模型。

根據(jù)大壩基坑、導(dǎo)流洞進(jìn)出口和溢洪道等開挖設(shè)計(jì)斷面建立實(shí)體，對地質(zhì)實(shí)體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算[7,8]，得到實(shí)體開挖模型，見圖4，清晰展示出基坑內(nèi)各巖土層、風(fēng)化層的開挖揭露情況，實(shí)現(xiàn)了按不同巖土層的快速算量。地質(zhì)實(shí)體模型可任意剖切，生成實(shí)體平切圖、剖面圖和柵格圖[9]，直觀呈現(xiàn)地層構(gòu)造的空間關(guān)系。

圖4 實(shí)體開挖模型Fig.4 Solid excavation model

4 模型應(yīng)用

按工程部位統(tǒng)計(jì)鉆孔R(shí)QD、抽水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)、標(biāo)貫試驗(yàn)等數(shù)據(jù)，生成分析統(tǒng)計(jì)表。根據(jù)需要在地質(zhì)模型范圍內(nèi)任意布置剖面，快速生成地質(zhì)平面圖、平切圖、剖面圖、柱狀圖，繪制裂隙玫瑰花圖、赤平投影圖等各類地質(zhì)圖件，滿足二維出圖需要，省去了人工繪制和校對剖面交點(diǎn)的大量工作，避免了人為誤差，顯著提高了出圖效率和精度。尤其在切制復(fù)雜平切圖、多縱多橫相交的剖面圖，以及剖面位置調(diào)整重做時(shí)，用三維地質(zhì)模型出圖優(yōu)勢非常突出。

地質(zhì)模型可供水工、施工等專業(yè)設(shè)計(jì)引用，在地質(zhì)曲面屬性中包含了各地質(zhì)體的地層厚度、巖性、物理力學(xué)性質(zhì)、建議參數(shù)等地質(zhì)說明信息，實(shí)現(xiàn)信息共享。

5 模型校審與協(xié)同設(shè)計(jì)

使用Navisworks軟件，將Civil 3D建好的地質(zhì)模型整合到一起，在Navisworks中，對模型進(jìn)行了輕量化處理，可選擇性顯示對象，剖分工具、漫游和審閱功能操作靈活快速，方便模型的整合、分析和校審工作。

利用基于服務(wù)器的Vault協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，建立地質(zhì)、水工、金結(jié)、水機(jī)、電氣、建筑等多專業(yè)工作空間，不同專業(yè)之間通過參考相關(guān)專業(yè)模型實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互[10]，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)、漏、碰、缺等問題，實(shí)現(xiàn)多版本管理。能夠最大程度地避免設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量，有利于工程設(shè)計(jì)中一些參數(shù)信息的交流共享[11]。建立BIM標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)化，提高設(shè)計(jì)效率[12]。

6 創(chuàng)建可視化模型

以Civil 3D建好的三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，使用3Ds Max軟件建立三維地質(zhì)可視化仿真模型[13]，用不同巖性照片渲染相應(yīng)地層，展現(xiàn)真實(shí)巖土層效果。它具有與原模型相同的坐標(biāo)、高程和尺寸，即具有信息一致性和可視化特點(diǎn)。

(1)制作地質(zhì)無縫貼圖。要達(dá)到高質(zhì)量的仿真渲染效果，貼圖制作尤為重要，無縫貼圖能滿足無接縫的連續(xù)性效果。制作貼圖的素材圖片應(yīng)選取正面高清圖，且亮度、飽和度、圖元大小差距小，在Photoshop軟件中將素材圖片進(jìn)行編輯處理，使得平鋪后左右側(cè)、上下側(cè)的圖像及紋理能完全對應(yīng)，再對接縫進(jìn)行精細(xì)處理，達(dá)到無縫效果。共制作無縫貼圖22個(gè)，包括碎石土、砂壤土、粉質(zhì)黏土、砂卵石、各類巖石、巖脈、斷層糜棱巖、斷層角礫巖，以及森林、草地、水體等。

(2)設(shè)置貼圖效果。貼圖前需要定義材質(zhì)屬性，設(shè)置顯示效果，3Ds Max軟件的材質(zhì)編輯器功能非常強(qiáng)大。首先要定義各材質(zhì)的名稱和在透視圖中的顯示顏色，以方便區(qū)分，根據(jù)預(yù)期效果將相應(yīng)的貼圖圖片選擇性地添加到漫反射貼圖、自發(fā)光貼圖、凹凸貼圖、反射貼圖等，并設(shè)置貼圖方式和透明度，完成材質(zhì)定義。

各類巖層在不同斷面上視傾角不相同，將材質(zhì)添加給相對應(yīng)的地質(zhì)體后，利用3Ds Max軟件UVW貼圖設(shè)置，給定U、V、W3個(gè)方向貼圖排列數(shù)量來調(diào)整比例，通過移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)貼圖坐標(biāo)來調(diào)整貼圖的位置和方向，來實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)狀和比例的貼圖。對于扭曲巖層及褶皺使用掃描工具做布爾運(yùn)算后，用貼圖縮放器進(jìn)行貼圖，顯示出單層扭曲效果。

完成貼圖后，添加鉆孔、地層巖性代號(hào)等文本標(biāo)注，按坐標(biāo)放置主要水工建筑物，完成三維地質(zhì)效果模型。

(3)生成平切、剖切模型。地質(zhì)剖面是了解地質(zhì)結(jié)構(gòu)最主要的圖件，在地質(zhì)工程中十分重要[14]，在3Ds Max中利用切片功能，通過平移、旋轉(zhuǎn)切片平面至建筑物軸線位置或平切高程處，完成模型的切片。再利用補(bǔ)洞功能自動(dòng)完成修補(bǔ)，完成貼圖和地質(zhì)標(biāo)注后，生成三維地質(zhì)剖切模型和平切模型，直觀、準(zhǔn)確地表達(dá)出了地質(zhì)結(jié)構(gòu)的接觸關(guān)系及空間分布，見圖5、圖6、圖7。

圖5 壩軸線三維地質(zhì)剖面Fig.3 3D geological section of dam axis

圖6 隧洞軸線三維地質(zhì)剖面Fig.4 3D geological section of tunnel axis

圖7 三維地質(zhì)平切圖Fig.7 3D geological plan

(4)渲染。在3Ds Max渲染設(shè)置中，定義背景貼圖、曝光控制、輸出分辨率等。渲染出單幀高清效果圖片。動(dòng)畫制作利用強(qiáng)大的曲線編輯器功能來完成，通過設(shè)置攝像機(jī)視角和軌跡，在時(shí)間軸上定義攝像機(jī)關(guān)鍵幀來創(chuàng)建漫游動(dòng)畫。創(chuàng)建的對象動(dòng)畫可展示水庫蓄水、泄洪和施工進(jìn)度模擬效果，完成動(dòng)畫設(shè)計(jì)后，渲染輸出高清動(dòng)畫視頻進(jìn)行宣傳展示[15]。

7 結(jié) 語

通過創(chuàng)建天水曲溪供水工程三維地質(zhì)模型，在創(chuàng)建基覆界面、風(fēng)化界面、地層界面、斷層面等常規(guī)地質(zhì)曲面的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步解決了殘留階地、透鏡體、侵入體、不 整合界面、褶皺等特殊地質(zhì)體的建模難題。實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)實(shí)體、實(shí)體開挖模型和復(fù)雜長隧洞的地質(zhì)建模。通過多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)交互、多版本管理，建立了BIM標(biāo)準(zhǔn)體系。首次采用了真實(shí)巖性照片制作貼圖材質(zhì)，進(jìn)行無縫貼圖、渲染和動(dòng)畫制作，使地質(zhì)模型更直觀清晰。但是由于地形地質(zhì)條件復(fù)雜、范圍大，模型數(shù)據(jù)量太大，電腦處理速度慢。今后需要研究觖決在滿足精度要求的條件下，怎樣對模型輕量化，以及如何利用地質(zhì)模型進(jìn)行壩基抗滑穩(wěn)定分析、邊坡穩(wěn)定分析、滲漏分析、隧洞圍巖穩(wěn)定分析等分析計(jì)算工作。

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