服務于地鐵施工的三維地質模型快速構建方法

(中鐵科學研究院有限公司，成都 611731)

引言

從上個世紀70年代三維地質建模的提出和應用以來，隨著三維地質建模理論和技術的成熟，地質體三維建模方法[1-3]和軟件[4-8]大量涌現。但是這些三維建模路線均需要大量數據和復雜算法，最終做出來的地質模型成果較為精確； 但施工單位沒有足夠豐富的數據和精力去用于建模。因此基于施工單位實際獲取數據情況，探索一套需求數據少、建模快速、適用于地鐵施工單位模型應用需求的三維地質模型建模方法很有必要。

AECOsim Building Designer(簡稱ABD)軟件ABD是Bentley公司在MicroStation的基礎上開發了一系列應用模塊而來。早期Bentley軟件制作信息模型并沒有一個統一的平臺，而是各個應用模塊通過基礎平臺MicroStation、信息架構平臺Triforma來創建三維信息模型，三者是相對獨立也有一定的組合關系，版本之間也是有兼容性問題的。后來，各個應用模塊逐漸與Triforma融合，慢慢衍變成現在的數據結構形式Part+DataGroup，其中DataGroup定義BIM對象是什么，Part定義BIM對象長什么樣子，其中Part概念就是來源于Triforma。在2012年Bentley推出新一代的AECOsimBD，它將原來的許多設計模塊結合在一起，圖形平臺和專業設計模塊結合更加緊密。為使用者提供了一個整合、集中、統一的設計環境，可以完成多個專業從模型創建、圖紙輸出、統計報表、碰撞檢測、數據輸出等整個工作流程。更加完美地解決行業需求，讓多個專業之間的協同工作更加無縫。

1 三維地質快速構建方法

三維地質建模中將原始數據分為空間數據和屬性數據兩類，空間數據用于建立幾何模型，用于模型的空間三維形態展示，作為屬性數據的載體； 屬性數據用于建立數據庫，用于模型的各種應用分析的基礎。幾何模型和數據庫的建立形成三維幾何信息模型通過可視化展現給用戶，有助于用戶更加真實、直觀地認識各種地質結構，輔助解決各類地質施工問題。三維地質信息模型如圖1所示。

圖1 三維地質流程圖

1.1 建立地形模型

(1)數據預處理

對地形底圖(*.dwg、*.DGN等二維圖紙)中所有高程點進行預處理，使所有高程點在同一圖層中。當地形圖中高程點的Z坐標值文字標注不一致時，無法生成符合實際情況的模型，此時需要對圖紙中高程點的Z坐標進行手動處理，使其與圖紙的文字標注相符。

(2)創建地形模型

新建文件，導入預處理好的地形圖，參考地形圖時注意統一坐標系和比例尺。創建過濾選擇，選擇高程點，進行插值和擬合[9-10]生成地形模型如圖2。

圖2 地形模型

1.2 建立三維地質模型

(1)數據預處理

圖3 地層面建立流程

將地質剖面圖參考進文件，處理剖面圖在垂直方向和水平方向上的比例尺，使兩個方向的縮放比例相同。旋轉剖面圖，使其豎直方向與軟件內的Z軸平行。參考總平面圖，調整坐標和統一比例尺，在軟件內的xOy平面內將剖面圖沿線路走向進行平移，將xOy平面內將鉆孔點處地層分界線與鉆孔點相交點移動至總平面圖上對應的鉆孔點處，與總平面位置相對應。

(2)生成地質層面

首先創建地質圖層，使得每種地質層有對應的圖層，然后使用創建智能線功能繪制地層分界線，不同的地層分界線使用不同的圖層創建，在鉆孔處繪制地層分界線時做打斷處理。地層分界線繪制完畢后，使用自動創建復雜多邊形命令，連接相同地層分界線形成地層面。如圖3所示。

(3)實體地質模型建立

將創建的復雜多邊形進行網格化，然后將網格增厚自動形成網格體，再將網格體轉化為智能實體，轉化成智能實體是為了以后方便與其他BIM構件相切、開洞等運用。建立實體模型后將地形模型參考進入，做布爾運算將超出地形面以上的多余模型切除掉。流程如圖4所示。

(4)地質屬性錄入

三維地質模型的數據結構是“信息+模型”，用來表達實際存在的對象。信息模型的屬性是通過“對象類型+對象樣式”(英文為“DataGroup+Part”)來設置的。前者表示信息模型對象是什么； 后者表明信息模型對象是如何表現的[11]。因此需要設置每種地質體的信息[12]，在對象類型里面添加地質體名稱、圍巖等級、是否有重要建筑、地下管線復雜區域等信息[13]； 在對象樣式里添加圖層、線寬、二維切圖填充圖案、工程量統計、渲染材質等表現屬性。如圖5、圖6所示。

圖4 實體模型建立流程

圖5 類型屬性

圖6 樣式屬性

2 工程案例

2.1 工程概況

青島市地鐵8號線大洋站—青島北站站區間是青島市地鐵8號線橫跨膠州灣北部的跨海區間，是控制全線工程的最重要的節點工程。青島市地鐵8號線過海段區間為大洋站—青島北站區間，區間設計起點里程為YDK38+895.063，區間設計終點里程為YDK46+659.840(ZDK46+795.762)，區間長約為7.900km。大洋站至海域區間為剝蝕堆積地貌、剝蝕地貌和侵蝕堆積地貌。區間穿過東大洋社區段為剝蝕堆積地貌，整體東高西低。剝蝕地貌主要為紅島區的東大山(最高48m)，海域與陸地呈斷崖式基巖岬角岸； 侵蝕堆積地貌—準平原區分布于紅島東大洋村南，地表為耕地、現代建筑及道路。線路區域海底地貌可以分為三大類：海蝕地貌、海積地貌和人工地貌。常規的地勘報告對于不是地質專業的施工人員來說是比較難以理解的，三維地質模型能形象、直觀的展示施工區域的地質狀況，因此建立地質模型時很有必要的。

2.2 工程應用

依托本項目開發的“托本項目開發的項目信息管控平臺”通過本文介紹快速建模方法，基于ABD軟件建立大洋站～青島北站區間地質模型，為平臺提供重要的地質數據。

2.2.1 模型建立

因為本項目現有地勘資料只有地質縱斷面CAD圖紙，依據地質區間縱斷面圖，依據本文介紹三維地質模型快速構建方法建立大青區間地質模型。剛建立的地質模型都只有默認的材質，需要進行材質的替換，以便用戶直觀認識。

2.2.2 數據應用

將建立好的地質模型，通過開發插件轉換成適合本項目平臺的文件格式，將地質三維信息模型導入平臺使用。

三維信息地質模型主要用于描述地下復雜的三維地質環境，將復雜的地質構造情況、地質體的形態和結構以三維的形式表現出來，使施工管理人員更加真實直觀地認識各種地質體； 同時支撐地質信息快速查詢的功能，結合施工進度模塊真實反應當前施工環境便于施工管理人員了解當前施工區域的周圍環境，做好安全措施的準備[14-15]。

系統可實現地質塊屬性查詢，包含了地質塊的名稱、圍巖級別、還有地質的基本屬性，如圖9。

圖7 大青區間地質模型

圖8 材質替換

圖9 平臺地質屬性查詢

當盾構機掘進到破碎帶、盾構上方有房屋等危險地帶時，會彈出危險提示，提示管理人員當前要進入區域的環境情況，為管理人員進行合理規劃施工方法、進度等提供決策依據，如圖10～圖11。

圖10 斷裂帶危險環境提示

圖11 上蓋房屋施工環境提示

3 結束語

利用工程單位單位日常使用的地質剖面數據，通過簡便操作進行三維地質的快速建立，降低地質建模對工程人員的技術水平要求，工程單位不必設專人進行建模或將建模工作外包，節省經費； 地質模型能快速建立，緩解“建模速度跟不上施工速度”的尷尬問題，使BIM技術在施工項目中的應用更順暢。同時有助于施工人員更加全面準確地掌握地質信息，進而更有效地組織施工方案和防護措施，對于隧道施工進度把控和隧道施工安全起到更重要的指導作用。本文介紹的快速建立地質模型方法因為只是利用了地質剖面圖的數據建立的模型，因此在剖面以外的數據是不完全準確的。此方法建立的模型能滿足施工管理人員了解當前施工區域的周圍環境和直觀地認識各種地質體。