基于BENTLY平臺的地質三維建模技術研究

趙 非 黃新文

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

長期以來，地質研究工作多基于二維空間(地質剖面及平面)，對地質結構空間認識的一致性和深入性不足[1]。BIM技術具有多維化、協同性、模擬性等特點，能有效實現勘察成果的數字化、可視化，使得鐵路設計中各專業能在統一的平臺下進行協同設計，實現多階段的無縫銜接，提高設計效率，減少設計變更成本。

BIM技術被稱為工程建設的第二次技術革命，國內外很多學者進行了相關研究[2]。王雪嬌基于Visual C++6.0開發平臺，對OpenGL2.0圖形庫進行開發[3]；潘懋等結合GIS進行BIM的相關研發[4-5]；劉雯雯利用Arc Sccnc等進行分塊區域的三維地質建模[6]；濟仁等在CATIA軟件基礎上進行BIM的二次開發[7]；清波等采用ItasCAD建模[8]。為了找到適用于鐵路工程的三維地質建模軟件，通過對多種三維地質建模系統的試用及研究，認為Bentley軟件的兼容性和協同工作能力相對較好。

鐵路BIM技術發展相對較晚，亢保軍等在Aglosgeo的基礎上開發了Geo Data數據庫工具，從更新巖土分類標準、數據批量錄入及數據庫維護等三個方面對鐵路BIM技術進行了必要的補充[15]?？梢钥吹?，前人并未對鐵路地質三維建模的標準進行總結。經過對幾種BIM軟件的比較，Bentley平臺下的Aglosgeo軟件基本符合鐵路地質三維建模的特點。但是在實際建模的過程中，經常會遇到生成時間過長、或者生成的地質體有錯誤并且很難修正等情況，其原因正是缺少標準化的操作流程和建模標準所致。

隨著鐵路BIM技術在整個鐵路行業的持續推廣，對地質三維建模技術方法進行研究將具有重要意義。以下對鐵路地質三維建模方法進行總結，探討鐵路地質三維建模思路，詳述Bentley平臺下的地質建模方法。

2 地質體的生成

生成地質體所需要的原始資料包括：鉆孔原始數據、地質縱斷面、平面、地形和線位。

2.1 數據端操作

(1)在工程區地層信息界面下，錄入地層時代和巖性信息(見圖1)。

圖1 工程區地層信息界面

(2)在鉆孔布置、鉆孔概況界面下，錄入所有鉆孔的編號、孔口坐標和孔深等信息(見圖2、圖3)。

圖2 鉆孔布置界面

圖3 鉆孔概況界面

(3)在地層巖性界面下，錄入鉆孔時代、巖性的分層信息和每一層的厚度信息(見圖4)。

圖4 地層巖性界面

2. 2 圖形端操作

(1)地形數據錄入

將地形數據錄入工點文件后，可得到線串。

(2)原始塊體的生成

由于鐵路三維地質建模工點以里程劃分，故原始塊體的長度以線位里程為準，寬度定為左右各距離線路左線250 m(共500 m寬)。

①利用修剪工具將線位裁剪到工點里程范圍；

②利用平行移動工具，勾選復制，左右平移各250 m，得到左右邊界線；

③利用放置智能線工具使其成為閉合形狀；

④利用創建復雜多邊形工具得到底面；

⑤利用網格工具將多邊形網格化；

⑥利用加厚網格形成體積工具，得到長度由里程控制、寬度為500 m的原始塊體。此外，由拉伸創建實體工具也可以得到原始體，但拉伸時需要注意坐標系，否則拉伸出的實體可能不垂直于水平面。

(3)巖性分界面的生成

巖性分界面表現的是不同地層間的接觸狀態，將原始塊體按巖性分界面進行切割便實現了地質體的分層。巖性分界面的生成質量決定了地質體模型的質量。

①將左線線串指定為剖面，利用剖面編輯工具(應先打開地形面圖層，否則剖面編輯界面不會顯示地表線)將縱斷面移動到對應的里程。

②將地表以下所有巖性分界線和斷層線等復制進剖面中，利用創建復雜鏈工具將同一層分界線連接起來(地層分界線應該略長于里程范圍)，最后利用剖面線屬性工具逐一對其賦予屬性(屬性即為數據端工程區環境輸入的地層時代)，完成后點擊右上角綠色對勾，屬性信息便會錄入到數據端。

③如果遇到強弱風化界線，應優先做分界面，然后進行切割。其具體步驟為：首先用工程區邊界工具畫出工程區邊界(略大于地質體的范圍)；利用創建地質邊界工具選擇分界面的巖性，點選簡化grid；在參考面信息欄點選網格面；在數據來源欄點選剖面。

如果里程范圍較大，可采取分段生成的方法。為使兩個小分界面可以在接頭處重合，應在接頭處加一個垂直于線路的控制剖面。

工程區邊界是分界面的邊界，所以在生成第二個小分界面時需要重新框選工程區邊界，并覆蓋原來的工程區邊界。

④如果遇到傾角較大的巖層，應先將平面中的分界線復制進文件，利用創建跡線工具將其壓印到三維地質體表面上，然后利用抽稀工具，得到抽稀后的跡線。結合地質資料或平面圖里的巖層產狀信息，用抽稀后的跡線和圖層剖面線生成地面線以下的分界面；利用拉伸創建曲面工具生成地形面以上的部分；利用工具元素網格工具和縫合網格工具來最終生成巖層的分界面。

⑤如果遇到夾層，范圍較大的夾層可直接利用工具拉伸創建曲面，再將圖層剖面線拉伸形成分界面；范圍較小的夾層可以采用透鏡體工具生成。

⑥如果遇到覆蓋層，根據具體情況有兩種做法。

第一種：利用平面圖上的分界線創建跡線，再繪制工程區邊界(略大于跡線的范圍)；利用創建地質邊界工具，在基本信息中點選巖性，選擇分界面的巖性，點選簡化grid；在參考面信息欄點選網格面；在數據來源欄點選剖面和跡線。

第二種：利用平面圖上的分界線創建跡線并抽??；分別將抽稀后的跡線向外側平行移動(點選復制)，之后再垂直向上移動，最后用地質界面工具(ctrl)點選跡線，由復制到外側的跡線以及圖層剖面線生成覆蓋層分界面。

(4)切割地質體

①一般采用網格提取，按圖5選擇。

圖5 網格提取

選取目標地質體進行布爾操作。剪切如果成功，查看被剪切的兩部分是否都有體積；如果剪切后不成體，優先做法是撤銷，然后檢查體與面是否有問題；其次是將沒有體積的網格轉化為智能實體，如果再次失敗，可通過網格檢查工具進行檢查。

②當網格體無法用曲面剪切時，需使用元素網格工具將曲面轉化為網格面。

③剪切時，應按照由易到難的順序。

④剪切錯誤時，也可以將地質體切小后再進行剪切；剪切地形面出錯時，可將地形面先切成多個小塊(每塊應比待剪地質體大)后再剪切，可以提高提取速度。

⑤剪切過程中應該注意備份過程文件或過程體文件，防止文件損壞或誤操作。

⑥若剪切后沒有體積，可以先將其轉化為智能實體后再轉為網格體(可確保成體)。

⑦如果面的范圍與體一致時容易發生錯誤。因此，面的范圍應該略大于體。

⑧每一次切割可能會產生一些錯誤，如排空或者重疊小平面，但其仍舊會被識別為有體積。當對某一塊體進行多次切割后，由于錯誤的積累，最后會生成無法改正的網格或者體積為0的智能實體。因此，遇到需要多次切割的情況時，要調整切割順序，避免過多次數的切割。

⑨工程區邊界、剖面和跡線生成后會存入數據庫，如需刪除，可點選刪除數據工具，并且點選“是”。

3 地質工點中接頭的處理

由于二維設計的缺陷，有時兩個工點的地質體并不能完美連接，需要進行連接處理。

3.1 生成原始塊體

①利用拉伸創建曲面工具做一個較大的底面；

②將曲面元素網格化；

③放置智能線，將底面框選成合適的尺寸；

④利用網格投影工具，點選修剪、正交，將底面網格裁剪成合適的尺寸；

⑤利用加厚網格得到原始的網格體。

3.2 生成巖性分界面

①提取出兩邊巖層的輪廓，將兩邊的網格體復制進新建圖層，用刪除小平面工具刪除網格體上(接頭除外)的所有面；

②用網格審核進行檢查，點選排空，得到兩側巖層輪廓；

③如果要將巖層做成尖滅，可直接利用輪廓線拉伸曲面，得到分界面；

④如果兩個工點之間需要連通，可利用曲線的網格工具或者邊界曲線的曲面工具，點選兩側輪廓線，得到分界面；再利用兩側輪廓線拉伸曲面工具，將分界面做得比體稍大。

4 地質屬性賦值方法

首先新建屬性類庫，類庫下建立新ItemType，在此可以建立“巖層”、“土層”等屬性表。

在屬性表下，利用New Property Definition為項目添加屬性表信息，如IFD編碼、地質時代、地質成因、地層巖性、基本承載力等。

通過ItemType的附加項(Attach Item)調出窗口，將信息輸入到空白欄中，并選擇要附加屬性的三維模型。

5 實例介紹

以某高鐵隧道地質工點為例，介紹BENTLY平臺的圖形端地質三維建模技術(見圖6)。

圖6 隧道地質工點模型

根據線位里程制作一個底面(黃)，以此拉伸出原始塊體，并與地形面做一次切割(見圖7、圖8)。

圖7 塊體底面

圖8 原始塊體

根據不同地層環境生成不同性質的巖性分界面。在生成分界面之前，應預測真實環境下地層的分布形態，然后選擇合適的分界面類型。

圖9 強弱風化界面

圖10 傾角較大巖層分界面

圖11 斷層分界面

圖12 覆蓋層分界面

圖9～圖12為四種巖性分界面，可采用網格提取或實體工具提取。隨著切割次數的累加，被分割塊體的錯誤也在不斷累加，故在進行切割操作時應注意切割順序，最常見的方法是將原始塊體分為兩大部分分別進行切割，而不是將原始塊體從一端順序切割到另一端。

圖13 地質體模型成品

圖13為地質體模型成品，由圖13可知，地質體模型成品可以很直觀地表現出巖層在三維空間下的分布狀態，經過屬性賦值后，可以方便地查詢巖層的參數。三維地質建模很好地解決了二維空間下地質空間概念不強、難以保證地質結構空間認識的一致性和深入性等不足，體現了BIM技術在三維地質方面所具有的多維化、模擬性等特點。

6 結論

詳細歸納了三維地質建模在bently平臺下的工作流程、建模方法、附加屬性方法及需要注意的事項等，提供了一套較為完整的三維地質建模的工作流程，形成了一套在bently平臺下的三維地質建模標準，為下一步全專業更大規模BIM應用提供了基礎。