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。