BIM設計在巖溶勘察中的應用

徐德敏*，陳春文

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BIM設計在巖溶勘察中的應用

徐德敏*，陳春文

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都，610072）

BIM的概念和技術多被用在建筑工程行業,近幾年來，在水電工程中也普遍得到應用，但相關文獻較少。本文就巖溶勘察采用BIM設計手段，對原始數據采集、三維數字建模、溶洞空間分布特征、工程處理措施等全生命周期進行了系統介紹。采用三維數字建模，直觀地揭示了溶洞分布的具體位置、規模，提出了解決方案，為BIM設計技術在水電工程的推廣應用，提供了可以借鑒的案例。

建筑信息模型（BIM）；Geo Smart；GOCAD；巖溶塌陷；等值線圖

引言

BIM（Building Information Modeling）是基于三維數字技術基礎之上以實現提升建筑工程產業鏈上各環節質量和效率為目的的系統工程技術，它集成了項目參與各方對項目賦予的信息，它涵蓋了從項目策劃、設計、施工、運營維護直至拆除全生命周期內的所有數據，其核心內容是三維、信息以及過程。工程中常采用單一的三維數字建模技術[1～2]，而包含數字信息系統BIM技術的運用相對較晚，姚遠在2011年時對BIM協同設計現狀進行了較為全面闡述[3]，該技術首先應用于房屋建筑中，肖良麗等對其在建筑中的應用優勢進行了論述[4]，在水電工程和其他工程項目的運用也得到越來越多的應用[5、6]。本文結合猴子巖營地災害治理，對BIM技術在水電工程中的應用提供可以借鑒的范例。

猴子巖水電站業主營地是一套冰水堆積形成的臺地，在緊鄰營地對外交通公路水泥路面路基于2015年9月發生了巖溶塌陷，形成了一個地表直徑約8～9m（下部直徑2～3m），深度30～40m塌陷坑，塌陷坑內回填石渣100余車，約1500m3。為確保業主營地及周邊人員、建筑物安全，需對巖溶地質災害進行工程治理。目前共完成鉆孔15個，物探瞬變電磁剖面9條，高密度電法剖面4條。

1 設計過程

Geo Smart（水電水利工程地質信息管理系統）平臺是由中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司地質處自主研發的BIM操作平臺，該系統利用數據庫及網絡技術，承擔著工程地質三維設計系統的原始地質資料、地質分析成果的管理及系統對外數據交流，分為數據現場采集、數據錄入、基礎地質及工程地質初步分析、常用地質報表輸出、GOCAD對象創建及輸出、地質分析成果等的管理功能。進入該系統的基礎界面如圖1所示：首先，將所有勘探信息永久錄入到工程地質信息管理系統中，包括工程信息、勘探布置、原始地質資料，并將數據同步到網絡數據庫中，形成同一項目中所有人都可以隨時調用的共用地質資料，并在此基礎上對基礎地質資料進行解析分析；因為保存在統一的數據庫中，隨時都可以快捷調用相關地質資料信息，包括巖芯照片、最初的地質編錄及其相關責任人。然后，在工程地質三維解析系統中，打開GOCAD三維建模軟件，調用解析成果，進行數字建模，并將三維模型發布到網上形成可以共同調用使用的部件，用于勘察、設計當中去。最后，在工程地質綜合應用系統中，可以查詢相關工程信息、相關建模成果與原始地質資料相關聯等信息。

圖1 Geo Smart工程地質三維設計系統

2 GOCAD三紡動態分析

GOCAD（Geological Object Computer Aided Design）三維可視化軟件具有建模容易、易于更新等顯著優點，它采用離散平滑內插方法(Discrete Smooth Interpolation，簡稱 DSI)作為核心技術，將離散數據轉化為連續曲面，建立巖土體的三維模型，逼真地反映地質體的全貌，直觀展示各地質單元間的空間關系和因果關系。

采用常規二維作圖，將縱、橫剖面相同地質線條導入三維，無法擬合在同一個平面上（圖2）。這是因為，雖然二維縱、橫剖面某一地質界線相交點可以保證在同一平面，但其他點只能根據相鄰鉆孔資料及地質經驗從單個剖面畫出剖面線趨勢。把這些經過校核審查過的二維剖面線導入三維，就得到圖2的情況，圖中兼顧了各個剖面地質界線，加上鉆孔控制點也完全鎖定地質界面（而二維情況，鉆孔若未在剖面線上，其控制點資料只能間接引用），最終形成最合理的地質界面。因此，利用GOCAD三維建模，可以更直觀、準確地分析由勘探點控制的地質界面的空間走勢。利用其自帶的二維切圖功能，可以快速、高效完成所需要的任意地質圖件。

圖2 最終的常規作圖曲線在GOCAD三維曲面上的相對關系

根據已有鉆探和物探資料，結合地質踏勘測繪資料（圖3），做出地質體空間分布特征（圖4），在對外公路區下游側黃店子組（Pth）斑狀流紋巖地層中未發現有溶蝕現象。研究區基巖溶蝕現象表現為溶孔溶隙和溶洞現象，巖溶塌陷主要是由基巖中的溶洞坍塌所引起的，溶洞在業主營地區僅在靠近支溝側YKZ15鉆孔揭示有溶洞分布（表1），溶洞頂板埋深較大；其他在對外公路區的6個鉆孔揭示溶洞分布（表1）范圍相對較大，埋深較淺，所以導致巖溶塌陷。

表1 地下溶洞鉆探資料統計表

Tab.1 Underground karst cave drilling data statistics

圖3 業主營地及對外交通公路巖溶塌陷及地層分界

3 溶洞分布特點及工程治理

研究區范圍在業主營地區溶洞頂板埋深一般80～120m，在對外交通公路區埋深一般30～50m（圖5）。因在營地區溶洞埋深整體較大，不易產生巖溶塌陷，且分布范圍有限，對營地房屋建筑影響不大。在大渡河下游側公路段無溶蝕現象，在對外交通公路接近營地段溶蝕現象僅以溶孔溶隙為主要特點。受前震旦系黃店子組（Pth）巖層控制，溶洞分布區集中在進業主營地第一個之字形轉彎南北方向YKZ01、YKZ04、YKZ06號鉆孔區域，溶洞發育向坡外東北方向逐漸變厚，厚度一般30～50m（圖6），相應溶洞頂板埋深較淺，一般20～40m（圖5），兩次巖溶塌陷即發生在該區域附近。

坡體上有生活用水管路通過，存在水管破裂導致水流下滲，對地基穩定不利的隱患；公路過往車輛較多，震動荷載的增加，有可能破壞巖溶的支撐結構，有產生再次塌陷的可能，因此，需對該區域段溶洞分布區進行工程處理。溶洞分布底板高程一般1680～1720m（圖6），結合勘探揭示溶洞分布空間特點，有針對性增加必要鉆探，并以揭穿該區域溶洞底板高程為控制。在查清溶洞分布具體范圍后，采用避開溶洞頂板埋深較淺區域將公路改線，并采用局部碎石樁支撐等手段，進行巖溶塌陷災害防治。

4 結束語

通過采用BIM設計，認為對外交通公路區溶洞分布區需進行工程處理，處理范圍主要集中在進業主營地第一個之字形轉彎附近南北方向YKZ01、YKZ04、YKZ06號鉆孔區域。

BIM設計具有數字化、可視化、多維化、協同性、模擬性等特點，并貫穿設計、施工、運行等各個階段。基于數據中心的巖溶勘察與分析一體化技術，實現了地質信息的一體化存儲和交換，信息完整；三維設計直觀、快捷，成果精度高，提高了工程地質分析評價的合理性；地質屬性及地質分析過程完整記錄，設計成果可快速追溯。三維建模不是簡單的數字模擬，而是三維空間的精確作圖。通過GOCAD建模，可快速、準確組建工程地質體的地層、巖性、構造、物理地質現象等的具體分布數字模型，實現了三維空間地質分析、數據庫管理、多專業協同設計，快速批量二維切圖；提高了地質測繪、勘探工作的針對性，節約了大量鉆探工作量。巖溶勘察BIM設計縮短勘察周期約180天，節約成本約300百萬元；該技術的應用，推動了地質勘察設計全生命周期信息化的應用空間和發展前景。

[1] 張杰, 武枝. 基于GOCAD的煤礦三維地質建模分析[J]. 應用技術, 2015, (12). 112-113.

[2] 楊紅, 王紅偉. 基于GOCAD與CATIA的三維地質建模在水利水電工程中的應用[J]. 人民珠江, 2016(5): 54-59. (Yang hong, Wang hongwei. Application of Technology on 3D Geological Modeling Based on GOCAD and CATIA in Hydropower Engineering[J].Pearl River,2016(5):54-59.

[3] 姚遠. BIM協同設計的現狀[J]. 四川建材, 2011, 37(001): 193-194. (Yao yuan. Present Situation of the BIM Collaborative Design[J]. Sichuan Building Materials, 2011, 37(001): 193-194.

[4] 肖良麗, 等.淺析BIM技術在建筑工程設計中的應用優勢[J]. 工程建設與設計, 2013(1): 74-77. (General Advantage Analysis of BIM Technology Application in Structure Design[J]. Construction & Design For Project. 2013(1):74-77.

[5] 秦麗芳. BIM 技術在水電工程施工安全管理中的研究[D]. 華中科技大學, 2013. (Qin lifang, Research on the Application of BIM-based Hydropower Project Construction Safety Management[D]. Huazhong University of Science & Technology, 2013.

[6] 劉偉. BIM技術在工程設計中的應用研究[D]. 東南理工大學, 2015. (Liu wei. Application Research on BIM Technology in Engineering Design[D].South China University of Technology 2015.

BIM Design Application In Karst Survey

XU Demin*, CHEN Chunwen

（Chengdu Engineering Corporation Limited of Power China, Sichuan Chengdu, 610072, China）

The concept and technology of BIM are usually used in the architectural engineering, in recent years, they are also widely used in hydropower engineering, but the published papers are less. Using the BIM design method, the whole life cycle of Karst survey including original data acquisition, 3 d digital modeling, cave space distribution characteristics, engineering treatment measures, etc is systematically introduced in this paper. Using 3 d digital modeling, intuitively revealed the location and scale of karst cave distribution, and put forward the solution. It provides a meaningful instance for the BIM design technology in the application of hydropower project.

Building information model (BIM); Geo Smart; GOCAD;Karst collapse; Contour map

徐德敏, 陳春文. BIM設計在巖溶勘察中的應用[J]. 數碼設計, 2017, 6(5): 176-178.

XU Demin, CHEN Chunwen. BIM Design Application In Karst Survey[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 176-178.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.072

TU195

A

1672-9129(2017)05-0176-03

2017-01-19；

2017-01-27。

徐德敏（1971-），男，遼寧大連人，博士，高工，主要從事水電工程勘測設計。E-mail: 775325304@qq.com