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        基于CIVIL 3D的三維地質(zhì)建模研究
        ——某電廠架構(gòu)區(qū)三維地質(zhì)建模實例

        2021-12-07 05:51:22張國明
        新疆農(nóng)墾科技 2021年3期

        張國明

        (新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責(zé)任公司,新疆 石河子 832000)

        近年來隨著建筑信息模型(BIM)的發(fā)展,土木工程行業(yè)對BIM 技術(shù)提出了相應(yīng)的要求,尤其在地面建筑行業(yè),而在巖土工程勘察領(lǐng)域,BIM 技術(shù)的發(fā)展相對緩慢。在設(shè)計行業(yè)BIM 技術(shù)的特點在于參數(shù)化,其各種建筑結(jié)構(gòu)可以由形狀規(guī)則的構(gòu)件組成,基于參數(shù)進行驅(qū)動,可以三維化、動態(tài)化,而地下各種巖土體的形狀無規(guī)則,采用參數(shù)化建模非常困難。想要將地質(zhì)勘察專業(yè)BIM 化、三維化、動態(tài)化,其過程比設(shè)計專業(yè)復(fù)雜的多,地質(zhì)模型建立后不僅只是提供給業(yè)主展示,還要能提供給設(shè)計人員進行建基面開挖、土方計算。

        本文基于Civil 3D 土木工程軟件建立三維地質(zhì)模型[1-3],Civil 3D 對CAD 有很好的繼承性,對建筑領(lǐng)域常用的Revit支持性強,但其三維地質(zhì)建模能力較弱,Geotechnical Module 插件是Keynetix 公司開發(fā)的增強其地質(zhì)建模功能的插件,很好的完善了Civil 3D地質(zhì)建模能力的不足。

        地質(zhì)建模數(shù)據(jù)主要為鉆孔、探坑數(shù)據(jù),勘探工作一般按規(guī)范要求按一定間距布置勘探點,勘探點密度相較與地形高程點數(shù)據(jù)量較為稀疏,隨著勘探階段的推進數(shù)據(jù)也逐步增多。

        1 工程概況

        某新建電廠架構(gòu)區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣,石河子市以北,屬瑪納斯河沖積、洪積平原中下部,地形南高北低,地勢平緩,地形平坦開闊,起伏變化不大,海拔高程386.3~389.5 m。主要構(gòu)筑物為輸變電架構(gòu),擬采用獨立基礎(chǔ)。

        根據(jù)架構(gòu)柱的布置,按詳勘階段勘察要求在場地中布置了20個鉆孔,鉆孔深度分別為10 m、15 m。

        根據(jù)鉆孔揭露其地層如下:①雜填土,厚度0.40~1.20 m,雜色、土黃色,以煤炭、碎石為主,含大量植物根系,松散、干燥。②粉土、粉質(zhì)粘土互層,黃色,埋深0.40~1.20 m,厚為0.50~5.60 m,東薄西厚,濕-飽和,稍密,搖震反應(yīng)中等,無光澤,干強度、韌性低。上部含少量植物根系。③圓礫,青灰色,松散-稍密,場地處分布連續(xù),埋深1.3~7.5 m,厚度3.00~8.90 m,該層最大可見粒徑60 mm,骨架顆粒5~20 mm,其含量超過50%,顆粒多呈次棱角形,中粗砂充填,級配較好,分選性差。③-1 粉細(xì)砂:青灰色,飽和,稍密,砂質(zhì)純凈,于場地中以透鏡體存在,厚度0.50~3.20 m。③-2 中砂,青灰色,飽和,稍密,砂質(zhì)純凈,于場地中以透鏡體存在。⑤粉質(zhì)粘土,灰黃色、灰黑色,分布較穩(wěn)定,飽和,中密狀,埋深9.4~12.4 m,厚度2.00~9.70 m。

        2 勘察數(shù)據(jù)處理

        2.1 地形數(shù)據(jù)處理

        一般根據(jù)測繪專業(yè)提供的地形圖生成地形曲面,對DWG 地形圖清理與地形無關(guān)圖元,可使用等高線、高程點等創(chuàng)建曲面,其方法較多,各種資料介紹也較多,在此不再詳述。

        2.2 工程地質(zhì)數(shù)據(jù)處理

        Geotechnical Module 插件中的Data Management模塊主要是數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入、導(dǎo)出,支持Hole BASE SI 的數(shù)據(jù)庫和CSV 文件,一般采用CSV 文件?;緮?shù)據(jù)由2 個文件組成,分別為Location Detail.csv、Field geological Descriptions.csv。其中Location De?tail.csv 是鉆孔的平面位置文件,保存鉆孔的孔口坐標(biāo)、高程等信息;Field geological Descriptions.csv 主要保存每個鉆孔的分層數(shù)據(jù)。

        Location Detai.csv(鉆孔的平面位置文件)文件格式為每個鉆孔為1 行,共6 列,分別代表鉆孔的編號、類型、X 坐標(biāo)、Y 坐標(biāo)、孔口高程、孔深。根據(jù)文件格式分別錄入20個勘探鉆孔的平面數(shù)據(jù)。

        Field geological Descriptions.csv(鉆孔地層文件)文件中每一地層為一行,一個鉆孔有幾層就輸入幾行,第一列為鉆孔編號,與Location Detail.csv文件的標(biāo)號一致,第二列表示地層的層頂深度,第一層層頂為0,其余地層不能為0;第三列表示地層的層底深度,最后一層的層底深度即為鉆孔深度。上一層的層底深度要與下一層的層底深度一致,否則會報錯。第四列為地層的圖例代碼,是插件自帶的圖例代碼,可作為分層標(biāo)簽,第五列為地質(zhì)代碼,可作為分層標(biāo)簽。第六、第七列與第五列類似,采用不同分層標(biāo)注代碼,對第四、五、六、七列不必全部輸入,但至少要輸入一列。

        Civil 3D是曲面建模,采用自上而下逐層建模的方法。因為不是每一個鉆孔都能揭露場地的全部地層,有些地層是以透鏡體形式存在的,為了建模方便,對于場地中所有鉆孔揭露的地層進行統(tǒng)計,按地質(zhì)規(guī)律建立自上而下的層序,即全部地層的標(biāo)準(zhǔn)層序,并編制地層唯一序號。層底深度減去層頂深度代表層厚,層頂、層底深度相同代表厚度為零,對于某鉆孔中未揭露到的地層可按層頂、層底深度相同錄入處理。經(jīng)這樣處理后的所有鉆孔將有相同的地層分布,按處理后的鉆孔地層數(shù)據(jù)錄入生成Field geological Descriptions.csv文件。

        3 生成地質(zhì)模型

        利用Geotechnical Module 插件建立工程數(shù)據(jù)庫,并導(dǎo)入Location Detail.csv、Field geological De?scriptions.csv 文件,生成三維地質(zhì)鉆孔柱狀模型。Geotechnical Module 插件 的Asset Management 模塊Stratac按鈕,進行地質(zhì)曲面的快速生成,需要選擇曲面標(biāo)識為Geology Code,注意要勾選生成地層的頂、底曲面,以便剖切剖面的順利填充。生成后可利用Civil 3D自身功能菜單調(diào)正修改曲面樣式,通過動態(tài)觀察器旋轉(zhuǎn)不同角度查看地質(zhì)曲面。

        4 三維地質(zhì)模型驗證

        利用勘察數(shù)據(jù)建立的模型直觀的反應(yīng)了場地的地層分布情況,為驗證地質(zhì)建模結(jié)果的準(zhǔn)確性,對三維模型通過剖切生成地質(zhì)剖面圖(圖1),與勘察報告中地質(zhì)工程師人工繪制的剖面(圖2)進行相應(yīng)對比。

        從圖1、圖2中可以看出,基于鉆孔勘探數(shù)據(jù)建立的地質(zhì)模型可以較好的展示地層,在勘探點處兩圖的地層分層信息一致,對第三層粉細(xì)砂透鏡體均能反應(yīng)其趨勢,但其尖滅位置不同,勘察報告剖面由地質(zhì)工程師根據(jù)地質(zhì)規(guī)律及經(jīng)驗手工尖滅在兩鉆孔中間位置,地質(zhì)模型其根據(jù)插值尖滅在相鄰鉆孔厚度為零的位置。雖然其尖滅位置不同,但從整體看三維地質(zhì)模型能夠較為準(zhǔn)確的表現(xiàn)地層的分布。

        圖1 模型剖切地質(zhì)剖面

        圖2 勘察報告剖面

        5 模型的精細(xì)化調(diào)整

        由于2 種方式形成的剖面在勘探孔處地層一致,在透鏡體推測尖滅處不一致,地質(zhì)勘察工作是由各勘探點經(jīng)地質(zhì)經(jīng)驗推測形成地質(zhì)剖面,由各地質(zhì)剖面形成整個場地的地質(zhì)情況,說明準(zhǔn)確的勘察才能建立準(zhǔn)確的模型。對這種不同可以采用在地質(zhì)工程師推斷的尖滅位置放置虛擬鉆孔的形式解決,在虛擬孔中使透鏡體厚度為零,在后期加入虛擬鉆孔后透鏡體尖滅位置一致。這也說明建模工作離不開地質(zhì)工程師繪制的地質(zhì)剖面,通過地質(zhì)工程師繪制主要剖面控制整個場地的地層趨勢就可較為準(zhǔn)確的建立地質(zhì)模型,而通過地質(zhì)模型任意剖切剖面又可以極大的減少地質(zhì)工程師繪制剖面的工作。

        6 三維地質(zhì)模型的應(yīng)用

        通過建立的地質(zhì)曲面模型可方便的進行地質(zhì)剖面任意剖切、不同類別土石方計算、與設(shè)計專業(yè)BIM協(xié)同等。

        6.1 任意剖切剖面

        使用Geotechnical Module 插件的剖切功能,實現(xiàn)對地質(zhì)模型的任意剖切。以往勘察工作是按照設(shè)計建筑物的布置勘探工作并繪制工程地質(zhì)剖面,如建筑物進行了平面調(diào)整但未超出勘察范圍,需要重新繪制剖面圖,費時費力。建立地質(zhì)模型后可以很快的任意剖切剖面。設(shè)計人員通過模型也可以更好的理解場地的地質(zhì)條件。

        6.2 開挖算量

        結(jié)合Civil 3D 在土木工程中強大的設(shè)計縱斷面功能,可以在設(shè)計斷面中加入各地層曲面的相關(guān)內(nèi)容,以往縱橫段面圖只有原始地面線和設(shè)計線,現(xiàn)在可加入地層分界線;通過土方計算功能可以計算挖方總量中不同地層的方量,根據(jù)不同開挖等級賦予不同材質(zhì),其不同土石分級計算更準(zhǔn)確,利用Civil 3D 生成土方報告。

        6.3 多專業(yè)協(xié)同

        通過Civil 3D 的“從曲面提取實體功能”,可以方便的根據(jù)地層頂、底面建立三維地質(zhì)實體,地質(zhì)實體可導(dǎo)入Revit 中,設(shè)計專業(yè)在Revit 中可根據(jù)地質(zhì)體進行基礎(chǔ)設(shè)計、基坑開挖等,地質(zhì)信息與上部建筑信息的融合,實現(xiàn)勘察、設(shè)計、建筑等多專業(yè)的BIM協(xié)同。

        7 結(jié)語

        利用Geotechnical Module 插件在Civil 3D 進行地質(zhì)建模是完全可行的,插件的使用很簡單,軟件可自動生成地層簡單、連續(xù)的地質(zhì)模型,透鏡體較多、層序復(fù)雜的地層需要地質(zhì)工程師根據(jù)地質(zhì)經(jīng)驗增加虛擬孔或?qū)︺@孔間進行地質(zhì)插值,才能建立準(zhǔn)確的地質(zhì)模型。說明準(zhǔn)確的勘察才能建立準(zhǔn)確的模型,建模工作離不開地質(zhì)工程師繪制的地質(zhì)剖面,通過地質(zhì)工程師繪制主要剖面控制整個場地的地層趨勢就可較為準(zhǔn)確的建立地質(zhì)模型,而通過地質(zhì)模型任意剖切剖面又可以極大的減少地質(zhì)工程師繪制剖面的工作。

        常規(guī)的地質(zhì)建模軟件缺乏數(shù)值計算分析能力,研究地質(zhì)模型在數(shù)值計算方面的應(yīng)用是地質(zhì)模型研究的方向之一,將地質(zhì)模型導(dǎo)入數(shù)值計算模型直接進行數(shù)值分析計算將大大節(jié)約數(shù)值計算的建模時間。

        隨著BIM技術(shù)的發(fā)展將產(chǎn)生更多的地質(zhì)建模方式,使單一項目的地質(zhì)模型匯成巖土工程大數(shù)據(jù),基于巖土大數(shù)據(jù)的工程應(yīng)用是未來發(fā)展的潮流。

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