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        鐵路工程地質(zhì)BIM建模技術(shù)

        2022-01-21 03:54:34李紅旭
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2021年5期
        關(guān)鍵詞:縱斷面界線工程地質(zhì)

        李紅旭

        (中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)研究院,天津 300251)

        0 引言

        建筑信息模型(BIM)技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)建造管理的數(shù)據(jù)化工具,通過參數(shù)模型整合各種項(xiàng)目相關(guān)信息,在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞,在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面具備強(qiáng)大的技術(shù)支撐能力。而地質(zhì)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)的開端,具有舉足輕重的作用。其中,地質(zhì)BIM模型是實(shí)現(xiàn)地質(zhì)BIM技術(shù)的基石,是所有地質(zhì)信息的幾何載體。地質(zhì)BIM建模可采用基于鉆孔離散地層點(diǎn)、二維地質(zhì)斷面、層面點(diǎn)云的建模方法等構(gòu)建三維地質(zhì)模型[1-4],但在工程應(yīng)用方面,受到一定程度的制約,主要表現(xiàn)為:

        (1)工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性,認(rèn)知程度的局限性[5-6]。地質(zhì)體在建造演化過程中形成極其復(fù)雜的幾何形態(tài)和拓?fù)潢P(guān)系,而因?yàn)楣こ烫匦缘牟町愑直蝗藶閯澐譃楦鞣N地層,使其更具復(fù)雜性、不連續(xù)性及不確定性;現(xiàn)有勘察技術(shù)手段只能獲取有限的地質(zhì)信息,難以準(zhǔn)確地、全面地揭示工程范圍內(nèi)的地質(zhì)條件,需要地質(zhì)工程師根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)推斷與解譯。

        (2)可視化工具的局限性。工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性、認(rèn)知程度的局限性導(dǎo)致三維地質(zhì)建模方法和技術(shù)尚不成熟,空間拓?fù)潢P(guān)系的處理方法、多源地質(zhì)信息的融合技術(shù)、特殊地質(zhì)現(xiàn)象的表現(xiàn)形式等問題亟待解決[7-8]。既有三維地質(zhì)建模商業(yè)軟件大多針對(duì)油藏、礦山等行業(yè),針對(duì)鐵路工程的寥寥無幾,且人工交互工作量較大,無法滿足大規(guī)模工程應(yīng)用需要。

        (3)BIM標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用脫節(jié)。近年來,鐵路、水電、公路等行業(yè)紛紛發(fā)布行業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn),并伴隨研究的不斷深入進(jìn)行補(bǔ)充、完善。而BIM平臺(tái)軟件存在專業(yè)功能模塊欠缺,對(duì)長(zhǎng)線路、多專業(yè)、大體量模型的綜合承載能力不足等問題,導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用脫節(jié)。

        鐵路工程地質(zhì)BIM建模技術(shù)依據(jù)《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》(鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的工業(yè)基礎(chǔ)類型(IFC)標(biāo)準(zhǔn))構(gòu)建鐵路工程地質(zhì)BIM數(shù)據(jù)模型架構(gòu)[9],結(jié)合鐵路工程勘察設(shè)計(jì)特點(diǎn),以審核完成的地質(zhì)斷面為基礎(chǔ),提出快速、準(zhǔn)確地將二維地質(zhì)斷面中地質(zhì)界線及其屬性信息自動(dòng)化辨識(shí)的方法,進(jìn)而建立地質(zhì)BIM模型并賦予其IFC標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)信息的一整套方法,自主研發(fā)了相關(guān)軟件,并在京雄城際鐵路等多項(xiàng)大型工程中得到成功應(yīng)用。

        1 鐵路工程地質(zhì)BIM數(shù)據(jù)模型架構(gòu)

        由于鐵路地質(zhì)數(shù)據(jù)格式及內(nèi)容的多元性,目前將標(biāo)準(zhǔn)化鐵路地質(zhì)數(shù)據(jù)應(yīng)用到BIM技術(shù)中來仍沒有較好的解決方案[10]。IFC標(biāo)準(zhǔn)是一種國(guó)際通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),其核心是如何描述及如何獲取工程信息,該標(biāo)準(zhǔn)可以解決多元終端數(shù)據(jù)格式不匹配的問題[11]。《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》就是在IFC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)下編制和擴(kuò)展的。

        根據(jù)鐵路工程地質(zhì)特點(diǎn)和工作內(nèi)容,對(duì)鐵路地質(zhì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行歸納整理,將其中關(guān)鍵性地質(zhì)元素的構(gòu)成結(jié)構(gòu)翻譯成IFC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)中的部件、構(gòu)件及屬性數(shù)據(jù)。鐵路工程地質(zhì)BIM數(shù)據(jù)模型架構(gòu)被設(shè)定為一個(gè)帶狀的地質(zhì)組合體及相關(guān)附屬地質(zhì)元素的集合。

        針對(duì)某一鐵路工程,根據(jù)不同工點(diǎn)類型,將整段線路劃分為若干地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)單元(Ifc Spatial Structure Element)-地質(zhì)工點(diǎn)(Ifc Geology Part),每個(gè)地質(zhì)工點(diǎn)中均包含若干地質(zhì)構(gòu)件(Ifc Geology Element),主要包括地質(zhì)體(Ifc Rock Soil Mass)和地質(zhì)鉆孔(Ifc Drill Hole)等,這些基本構(gòu)件元素通過地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)單元與構(gòu)件的方式(見圖1)被組織起來[9]。屬性信息是以屬性集(property set)模式賦予到地質(zhì)工點(diǎn)(Ifc Geology Part)、地質(zhì)體(Ifc Rock Soil Mass)、地質(zhì)鉆孔(Ifc Drill Hole)等實(shí)體上。

        圖1 地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)單元與構(gòu)件關(guān)系

        2 鐵路工程地質(zhì)BIM建模技術(shù)

        2.1 地質(zhì)界線及其屬性信息辨識(shí)方法

        現(xiàn)有三維地質(zhì)建模方法大多是以二維地質(zhì)資料為基礎(chǔ),如二維地質(zhì)斷面等,提取地質(zhì)界線及其屬性信息,進(jìn)一步推演計(jì)算形成地質(zhì)界面,并最終構(gòu)建三維地質(zhì)模型。而二維地質(zhì)斷面中地質(zhì)界線是地質(zhì)工程師結(jié)合鉆孔信息及區(qū)域地質(zhì)條件等綜合判定的,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中并無附帶準(zhǔn)確的地質(zhì)屬性信息的地質(zhì)界線數(shù)據(jù),三維地質(zhì)建模時(shí)需人工提取地質(zhì)界線及其屬性信息,工作量大且效率低。因此,提出一種能夠高效、準(zhǔn)確地將二維地質(zhì)斷面中地質(zhì)界線及其屬性信息自動(dòng)化辨識(shí)的方法。地質(zhì)界線及其屬性信息辨識(shí)方法流程見圖2。

        圖2 地質(zhì)界線及其屬性信息辨識(shí)方法流程

        該方法的基礎(chǔ)是建立空間坐標(biāo)與平面坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過比對(duì)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和工程地質(zhì)斷面圖中的鉆孔編號(hào)及孔口坐標(biāo),建立數(shù)據(jù)庫中鉆孔地層分層節(jié)點(diǎn)(三維空間坐標(biāo)x,y,z)與斷面圖中地質(zhì)界線節(jié)點(diǎn)(二維平面坐標(biāo)α,β)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系,即α與(x,y),β與z的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

        該方法的核心是地質(zhì)界線的屬性是唯一的,代表地質(zhì)界線的上方一側(cè)的地層信息,篩選連接在同一地層分層節(jié)點(diǎn)、且位于該節(jié)點(diǎn)同一側(cè)的所有地質(zhì)界線,若有且只有1條地質(zhì)界線滿足要求,則將地層分層節(jié)點(diǎn)的屬性信息(或代表屬性信息的唯一識(shí)別碼)賦予該地質(zhì)界線,若有多條地質(zhì)界線滿足要求,比較地質(zhì)界線通過地層分層節(jié)點(diǎn)一段的坡比,將地層分層節(jié)點(diǎn)的屬性信息(或代表屬性信息的唯一識(shí)別碼)賦予坡比最大的地質(zhì)界線。將二維地質(zhì)斷面中地質(zhì)界線辨識(shí)并賦予識(shí)別碼后,按照一定格式輸出,用作地質(zhì)BIM建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

        假設(shè)地層分層節(jié)點(diǎn)為C,屬性信息已知。地層分層節(jié)點(diǎn)C左側(cè)地質(zhì)界線的屬性信息辨識(shí)方法如下:若位于節(jié)點(diǎn)左側(cè)地質(zhì)界線數(shù)量m=1,直接將該節(jié)點(diǎn)的屬性信息賦予該地質(zhì)界線;若位于節(jié)點(diǎn)左側(cè)地質(zhì)界線數(shù)量m>1,比較地質(zhì)界線通過節(jié)點(diǎn)C的一段直線坡比,方向?yàn)橛傻貙庸?jié)點(diǎn)指向左側(cè),取坡比最大的直線(CK)所在地質(zhì)界線(CKA),賦予該節(jié)點(diǎn)C的屬性信息(見圖3)。

        圖3 地層分層節(jié)點(diǎn)C左側(cè)的地質(zhì)界線

        2.2 地質(zhì)BIM建模方法

        鐵路工程勘察設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn):采用鉆探、原位測(cè)試(靜力觸探、動(dòng)力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等)為主,調(diào)繪、物探、簡(jiǎn)易勘探等手段為輔的綜合勘探方法,主要沿線路方向進(jìn)行縱斷面勘察,輔以一定量的橫斷面勘察,查明鐵路工程場(chǎng)地的地質(zhì)條件,設(shè)計(jì)專業(yè)以縱斷面、橫斷面等為基礎(chǔ)進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)?;谶_(dá)索V6Experience平臺(tái),結(jié)合鐵路工程勘察設(shè)計(jì)特點(diǎn),提出一種地質(zhì)BIM建模方法。鐵路工程地質(zhì)BIM建模方法流程見圖4。

        圖4 鐵路工程地質(zhì)BIM建模方法流程

        該方法將上述得到的地質(zhì)界線為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),結(jié)合地形曲面及平面線位中線,以工點(diǎn)范圍、勘探深度為邊界構(gòu)建工程感興趣區(qū)域?qū)嶓w。地質(zhì)界面建模時(shí)將工程分為縱斷面段落和橫縱斷面段落。縱斷面段落只含縱斷面勘察,以地質(zhì)界線為單位,數(shù)據(jù)點(diǎn)為基準(zhǔn),采用結(jié)合地形曲面的等厚推演或水平推演法形成地質(zhì)界面。橫縱斷面段落同時(shí)含縱斷面和橫斷面勘察,橫縱斷面布置示意見圖5,縱、橫斷面交割形成的區(qū)域主要有ABED、BCFE兩種類型,采用交叉剖面展平投影法建模。以BCFE類型為例說明推演點(diǎn)線的方法:對(duì)于EBCF段的地質(zhì)界面線已知,EF段未知;將折面EBCF展平,將EBCF展平面上的地質(zhì)界面線按比例投影到EF面上,通過空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到的EF面上的地質(zhì)界面線及數(shù)據(jù)點(diǎn)(即推演點(diǎn)),并繼承原地質(zhì)界面線屬性。

        圖5 橫縱斷面布置示意圖

        特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)-斷層等建??刹捎?種方式:(1)以特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)已知點(diǎn)及其產(chǎn)狀成面;(2)以特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的平面展布線為斷面,以縱斷面展布線為引導(dǎo)線,掃略成面;(3)以物探等成果獲取的點(diǎn)云直接成面。

        將感興趣區(qū)域?qū)嶓w與地質(zhì)界面、特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行布爾運(yùn)算,感興趣區(qū)域?qū)嶓w被分割成若干個(gè)地質(zhì)體。測(cè)量地質(zhì)體下表面上某一點(diǎn)和所有地質(zhì)界面的距離,選擇距離最小的地質(zhì)界面,將其地質(zhì)屬性(識(shí)別碼)賦予地質(zhì)體,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體辨識(shí)。以識(shí)別碼為紐帶,將IFC標(biāo)準(zhǔn)property set賦予IfcGeologyPart和IfcRockSoil-Mass,最終獲得鐵路工程地質(zhì)BIM模型。

        3 軟件研發(fā)與工程應(yīng)用

        3.1 軟件研發(fā)

        為滿足鐵路工程地質(zhì)BIM建模技術(shù)應(yīng)用需求,針對(duì)工程需要而現(xiàn)有軟件無法滿足的功能進(jìn)行開發(fā)。鐵路工程地質(zhì)BIM建模系統(tǒng)主要由工程地質(zhì)界限數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)(CRDC_ProGeoRIM)和鐵路工程三維地質(zhì)建模系統(tǒng)(CRDC_GeoRIM)2個(gè)部分組成,鐵路工程地質(zhì)BIM建模系統(tǒng)架構(gòu)見圖6。

        圖6 鐵路工程地質(zhì)BIM建模系統(tǒng)架構(gòu)

        CRDC_ProGeoRIM基于Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境,采用VB.NET編程語言,是實(shí)現(xiàn)地質(zhì)界線及其屬性信息辨識(shí)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化工具。該軟件支持地質(zhì)人員通過比對(duì)圖件與數(shù)據(jù)庫,自動(dòng)化辨識(shí)地質(zhì)界線并賦予識(shí)別碼,將二維平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維空間坐標(biāo),為地質(zhì)BIM建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

        CRDC_GeoRIM基于達(dá)索V6Experience開發(fā)環(huán)境,采用其內(nèi)置的VBA編程語言,是實(shí)現(xiàn)鐵路工程地質(zhì)BIM模型構(gòu)建的建模工具。該插件支持地質(zhì)人員通過參數(shù)化、流程化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化建立地質(zhì)BIM模型,但復(fù)雜地質(zhì)條件下必須結(jié)合調(diào)繪、物探等信息進(jìn)行人工干預(yù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模型的快速重構(gòu),建立鐵路工程地質(zhì)BIM模型,輸出成果為標(biāo)準(zhǔn)IFC格式。

        3.2 工程應(yīng)用

        趙杖子大橋全長(zhǎng)193.37 m。橋址區(qū)為中低山區(qū)溝谷地貌,地形起伏大,植被發(fā)育??碧缴疃确秶鷥?nèi)所揭露的地層為第四系全新統(tǒng)人工堆積層素填土、第四系全新統(tǒng)沖洪積層、坡洪積層及坡殘積層,主要為粉質(zhì)黏土、碎石類土,下伏侏羅系上統(tǒng)大北溝組凝灰?guī)r及燕山期粗安巖,兩者不整合接觸。

        地下水類型為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。地震動(dòng)峰值加速度為0.05g(地震基本烈度Ⅵ度),土壤標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度1.20 m,最大凍結(jié)深度1.39 m。

        在該鐵路工程的IFC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)下建立地質(zhì)工點(diǎn)-趙杖子大橋(IfcGeologyPart),利用開發(fā)的軟件,通過比對(duì)趙杖子大橋數(shù)據(jù)備份庫與二維工程地質(zhì)縱斷面(見圖7),快速準(zhǔn)確地提取地質(zhì)界線及其屬性信息,并按照地質(zhì)BIM建模方法建立趙杖子大橋的地質(zhì)BIM模型(見圖8)。地質(zhì)模型在線位左線位置斷面與二維工程地質(zhì)縱斷面保持一致。

        圖7 趙杖子大橋工程地質(zhì)縱斷面

        圖8 趙杖子大橋地質(zhì)BIM模型

        基于鐵路工程地質(zhì)BIM模型,結(jié)合工程設(shè)計(jì)信息,實(shí)現(xiàn)了工程量統(tǒng)計(jì)、任意方向剖切等功能應(yīng)用(見圖9)。輸出的標(biāo)準(zhǔn)IFC格式文件可導(dǎo)入GIS平臺(tái),在多平臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換,幾何模型和非幾何信息不丟失,為進(jìn)一步協(xié)同設(shè)計(jì)、虛擬施工、數(shù)字交付與智能服務(wù)等提供模型基礎(chǔ)、信息支撐。

        圖9 地質(zhì)BIM模型應(yīng)用

        4 結(jié)論

        依據(jù)《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》構(gòu)建鐵路工程地質(zhì)BIM數(shù)據(jù)模型架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用的融合落地。輸出成果為標(biāo)準(zhǔn)IFC格式,在多平臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換,為進(jìn)一步協(xié)同設(shè)計(jì)、虛擬施工、數(shù)字交付與智能服務(wù)等提供模型基礎(chǔ)、信息支撐。提出能夠快速、準(zhǔn)確地將二維地質(zhì)斷面中地質(zhì)界線及其屬性信息自動(dòng)化辨識(shí)的方法,進(jìn)而建立地質(zhì)BIM模型并賦予其IFC標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)信息的一整套方法,并自主開發(fā)了CRDC_Pro-GeoRIM、CRDC_GeoRIM軟件,提升了二維地質(zhì)信息提取、辨識(shí)效率,通過參數(shù)化、流程化交互式快速建立地質(zhì)BIM模型,滿足了鐵路工程勘察設(shè)計(jì)大規(guī)模應(yīng)用需求。

        鐵路工程地質(zhì)BIM建模技術(shù)在多項(xiàng)大型工程中得到成功應(yīng)用,但其功能仍需探索和完善,基于地質(zhì)BIM模型的功能應(yīng)用,應(yīng)與設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等緊密結(jié)合,有待進(jìn)一步開發(fā)與拓展,以最終實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。

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