铁路工程地质BIM建模技术与应用初探.pdf

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·其 他·收稿日期:20160804基金项目:中铁第一勘察设计院集团有限公司科技研究开发计划项目(院重大 ⁃147)铁路工程地质 BIM 建模技术与应用初探周福军 于国新 曹 峰(轨道交通工程信息化国家重点实验室〈中铁一院 〉陕西西安 710043)摘 要 BIM 技术被称为工程建设的第二次技术革命,国内外很多领域的各专业都在大力研究。 铁路工程具有专业多、工程大、管理难、技术高等特点,在工程信息化建设过程中,需要进行大量自主研发。 三维地质建模技术和应用,一直是铁路工程领域的难点。 本文分析三维地质建模的理论基础和实现途径,以点状数据源和平纵横断面为基础,形成点钻法和剖切法两种建模方法,根据地质情况,利用各个方法的优势,完成地质模型建立;当地质现象和地质体的空间特殊复杂时,采用单独的建模技术。 基于三维地质模型,进行广泛的专业应用,并提出进一步多专业协同设计目标,为铁路 BIM 全生命周期三维设计提供地质信息。关键词 铁路工程 BIM 技术 三维地质建模 插值运算 专业应用中图分类号   TU205;U21 文献标识码  A 文章编号 1009  4539(2016)11010605       PreliminaryStudyonTechnologyandApplicationofBIM EngineeringGeological  ModelinginRailway     ZhouFujun,YuGuoxin,CaoFeng    (StateKeyLaboratoryofRailTransit     ’    EngineeringInformatization(FSDI),XianShaanxi710043,China)Abstract       BIMtechnologyiscalledthesecondtechnical        ⁃revolutioninconstructionarea,organizationandindividualsofdifferent         professionsandfieldsaredevotinggreatefforttothetechnology.    ⁃  ⁃Withthecharacteristicsofmultispeciality,largeengi neering,difficult    management,andadvancedtechnologyof   railwayengineering,agreatdealof   ⁃specializedresearchanddevelopment     areneededduringrailwayinformationconstruction.          ⁃⁃Ithasalwaysbeendifficulttoestablishanduseathreedimensionalgeologicalmodel.⁃Threedimensionalgeological          modelingtheoryandmethodswereanalyzedinthispaper,themethodsofpoint               drillingandsectioncuttingplaneweredefinedbasedonpointdataanddifferentplaneandsection.  Accordingtonatural    conditions,geologicalmodelwasestablished.           Thespecialtechnologywasusedforcomplexgeologicalrockandsoilmass.Based ⁃                onthreedimensionalgeologicalmodel,awiderangeofprofessionalapplicationwasusedonownanddifferentprofessionalfields.      ⁃     ⁃   GeologicalinformationwasprovidedtothethreedimensionaldesignofBIMfulllifecycleinrailwayengineering. Keywords     ⁃     ⁃railwayengineering;BIMtechnology;threedimensionalgeologicalmodeling;interpolationoperation;professionalapplication 1概述BIM 技术自诞生以来,在建筑工程领域发展迅速[1],很快被引入到水电、公路、铁路、市政等领域,并将设计理念拓展为全专业三维设计。 经过工程应用总结发现,BIM 技术在缩短工期、降低造价、优化设计等方面具有明显优势[2] 。BIM 技术的应用具有数字化、可视化、多维化、协同性等特点[3],并贯穿设计、施工、运营、维护整个工程生命周期,是工程勘察技术的第二次革命,日益成为勘察设计企业转型升级的重要手段之一[4]。土建和其它工程领域,应用较成熟 BIM 软件和技术平台主要有    ⁃:AutodeskRevit、BentleyMicroSta601铁道建筑技术    RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·其 他·tion、DassaultCATIA 等,这些软件无法直接应用于地质专业。基于 BIM 进行三维地质建模在各个行业处于刚起步阶段,国内外没有专业的建模软件和完善的建模平台。 同时地质建模数据来源多样,建模精度、范围和深度要求不同,特殊地质体(断层、褶皱、溶洞等) 空间信息不规则,难以用常规方法表现。因此,地质 BIM 技术,是铁路行业工程建设信息化发展重难点问题。国内一些设计院、科研高校和软件公司开发了适用于本专业的三维地质软件,但由于与铁路工程地质专业的差别,难以很好地满足铁路工程在大范围、条带分布和地质复杂、专业多样等方面的要求,因此需要投入大量专门研究和探索。 中铁一院在各专业齐头并进的 BIM 研发思路下,基于 Autodesk 平台,开发完成铁路地质 BIM 软件,并实现地质信息数字化。 2建模理论  2.1理论基础地质体和地质信息是三维地质建模的基础[5],对地质体的认识,是建立在多种调查手段、勘探方法获取的各种地质信息的汇总,即综合地质信息。三维地质建模,就是利用软件平台,将地质体的所有地质信息在空间形态直观反应。到目前为止,对三维地质建模理论方法研究已经有 50 年的历史,已提出 20 多种地质信息模型的空间数据格式。 目前采用最多的就是钻孔等勘探数据、地质剖面图和数字地形图等内容[6]。研究发现,三维地质建模的核心内容之一是构建地质层面,仅依靠钻孔数据、地质界线等原始数据无法满足要求,需要科学的空间插值[7]。 本次研发的铁路工程地质三维建模软件主要采用:克里金法、径向基函数法、样条函数法、距离反比法四种插值方法。 以克里金法为例进行说明:三维空间坐标系中,假设已知坐标点(x,y,z),插值目标点 x∗、y∗坐标已知,z∗坐标需计算预估,按公式(1)表示,其中 Z∗v(x)为预估 Z 坐标,Z(xi)为预估点周围已知的有效样本,λi为权重系数,从而将预估坐标问题转化为求解权重系数,此时需要满足两个稳定条件式(2)、(3)。Z∗v( x) =∑n i= 1λiZ( xi)(1)E[Z∗v(x)  -Zv( x )] = 0(2)min{ Var[ Z∗v(x)  -Zv( x  )]} =min{E[Z∗v(x)  -Zv( x)2 ]}(3)  区域变量 Z(x)的 E[Z(x )]= m 计算,称为克里格法。 经过拉格朗日乘数法分析,上述计算转化为解目标函数公式(4),式中 μ 为拉格朗日常数。E[(Z∗0 -Z0)2]  =μ[∑iλ0i -1](4)  考虑已知数据点的随机误差,假设误差为高斯噪声,数学期望为零,方差为 σ2i =(1,2,  ... ,n )。 求解目标函数公式(4),得 Kriging 方程组公式(5) 和方差公式(6)。通过上述克里金插值算法,并以方差控制插值精度,可预估出地质层面构建需要的数据点,满足地质空间数据不足的缺点。∑iλ0iγij -λ0iσ2i +μ  =γi0( i= 1,2,  ... ,n)∑iλ0i =1ìîíïïïïïï(5)Var( Z∗0 -Z0) =∑iλ0iγi0+ μ(6)  2.2技术路线三维地质建模的总体思路,是从点到线、面、体的空间发展延伸理念,如图 1 所示。图  1三维地质建模技术路线 从上图可以发现,三维地质建模技术是一个逐步发展和完善的过程。 首先进行现场地质调查和勘察钻探,获取地质基础数据和初步的设计文件;处理初始数据的分类和属性,使其满足三维建模规范化;根据已知地质信息点,利用数学插值方法,在满足地质规律的前提下,预测未知区域的空间数据点,从而实现科学构建地质层面;针对褶皱、断层、滑坡、透镜体、溶洞等特殊地质现象和地质体,分析701铁道建筑技术    RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·其 他·其特殊性,采用单独建模方法;基于三维模型的专业应用主要有:模型剖切、任意切图、地层渲染、三维漫游、模拟施工和统计数量等。三维建模在完成地质现象和地质体的三维直观可视化外,更重要的是实现地质信息的数字化,在三维模型体上可方便查看,在专业应用过程中信息可传递,并保证不出错、不丢失。  2.3实现方法常用的三维地质建模主要有两种实现方法:第一种是根据原始勘察的点数据源直接建模,如观测点产状、岩性、构造信息,钻孔、试坑分层信息,试验和原位测试成果等;第二种方法利用二维的线状成果构造地质层面,完成体建模。第一种建模方法要求足够的点状数据,工程实际中,地质调查点、钻探及化验等信息的获取需要的费用高、时间长;第二种建模方法需要根据既有的调查、勘探和化验资料,完成地质体对应的二维平面图、剖面图及必要的横断面图设计,基于平纵横的关系生成空间地层面,然后建立三维模型。本次铁路 BIM 设计三维地质建模研究,综合现有两种建模方法,针对不同地质条件,发挥各个方法的优势,便携高效地完成地质建模。 当地质条件简单、勘探数量和资料丰富时,采用点数据源直接建模,建模效率高;当地质条件复杂或勘探资料较少时,采用平纵横配合建模方法,并充分利用既有二维图件的数字信息化成果,完成复杂地质建模。 3地质 BIM 建模  3.1点钻建模法该建模方法,以现场地质勘察测绘的原始点状数图  2钻孔分层信息三维展示据为基础,主要有:观测点(包含地层岩性分布、地质产状、构造等),钻探、挖探揭示的地层深度划分(见图 2),原位测试的动探和标贯数据等,室内岩、土、水等试样的测试数据,将上述所有地质信息叠加到上一个 BIM 三维模型上,形成地质体三维模型。根据勘察点数据源直接建模,其程序后台的实现方法,是通过对相邻控制点的地层信息进行相互判别,判断不同地层面的连接关系,同一地层连结成线,多个钻孔之间用插值运算连线,生成各自的地层面,进而形成三维地质体(见图 3、图 4)。  图  3相邻钻孔地层剖面连结      图  4基于钻孔的三维地质体模型   3.2剖切建模法目前二维设计过程中,传统勘察手段获取的地质成果资料,主要通过地质平面图和剖面图进行表达,并配合工程地质报告进行说明。 研究发现,二维平面图中点状地质信息(勘探点、产状点、时代等),在二维和三维设计过程中都比较容易表达,且地质界线数量相对较少。 工作的重难点是在地表以下工程深度范围内的地质信息获取和表现,在剖面图(纵断面图、横断面图等)中,地质内容具有层位划分多、深度分布大、界线尖灭杂等的特点,且地质界线空间分布复杂、数量众多。 无论是二维设计还是在三维研究中,剖面图地质信息的表现和利用,都是工作的难点。剖切建模法,基于平纵横断面,首先将二维平面与剖面的地质界线进行三维空间投影换算,并在三维空间进行地质属性匹配,配合其它辅助剖面等信息,完成地质层面建立(见图 5)。根据地质层面的空间分布,结合模型边界范围与封底高程,完成三维地质体建立(见图 6)。 图  5三维地质 层面构建      图  6基于平纵横的 三维地质体模型   3.3特殊地质体建模自然界中的地质现象和地质体,由于其空间形态的复杂性、非线性和不规则性,存在部分实体难以用较规则的几何算法或曲面直接表现,针对特殊地质现象和地质体,分析其特殊性,采用单独建模方法。 下文对褶皱、断层、滑坡、溶洞、透镜体等特殊地质现象和地质体进行说明。褶皱的地质建模主要受枢纽、轴面产状以及两翼地层岩性和产状的控制。 断层建模应分析断层产状、两盘地层的分布,并在后台处理断层与地层801铁道建筑技术    RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·其 他·的相互切割关系(见图 7)。滑坡建模主要由平面形态、主轴、横断面控制,并且在自然界中经常遇到多次分级滑动的滑坡,各级滑坡存在相互覆盖和切割的关系[8],对三维建模带来困难(见图 8)。 当滑坡体分布于整个地质模型边界时,模型边界范围与滑坡体发生切割关系,即仅有部分滑体位于模型范围内,建模时应单独考虑。图  7褶皱、断层三维地质体建模      图  8多级滑坡三维地质建模 溶洞(土洞)建模时,根据勘探成果首先完成其断面设计,且不同位置断面的几何形态不同,再确定洞轴线的空间分布,溶洞的模型就是不同断面沿轴线的空间扫略。 完成几何建模后,按溶洞实际充填情况和物质种类,进行溶洞充填(见图 9)。 图  9复杂断面溶洞和 透镜体三维地质建模简单透镜体可在空间按近似椭圆盘建模,复杂透镜体建模与溶洞类似,先确定断面形态,后在空间扫略(见图 9)。  3.4地质信息数字化基于地质模型开发了多种信息录入和查询方式,一是软件开发属性窗口,二是鼠标停留于实体上方  1s 直接显示(见图 10),其它还可通过软件菜单、右键实体等编辑、查看地质信息。 在模型应用过程中,任意剖切、成图、模拟开挖等,地质信息可直接传递。 与目前铁路二维地质软件实现数据无缝传输,软件实现的数字化信息程度高。图  10地质体属性信息化 4地质模型应用  4.1任意剖切、成图三维数字模型的一大特点是直观,可多视角分层次地观察和分析研究对象[9]。 除此之外,地质BIM 模型可方便地进行地层分层剥离展示,任意断面和角度的空间剖切、二维断面成图等(见图 11)。  4.2材质渲染、三维漫游为了更好地利用三维模型的空间直观效果,对建立的地质体模型进行材质渲染,以便于更加形象地表达自然地质现象(见图 12)。 图  11三维地质模型剖切 图  12三维地质模型材质渲染 在三维地质模型上进行工程开挖,通过三维漫游,可便捷地观察地表以下岩土体分布特征。 进而分析工程穿越时的地质情况,并提出相应工程处理措施(见图 13)。 图  13模型隧道开挖和漫游  4.3其它工程应用基于三维地质模型的工程应用主要有两类:一是模拟工程施工,包括隧道体开挖(见图 13)、基坑开挖、基桩布设、边坡刷方;二是土方计算,查询工程范围岩土体地质信息和工程方量(见图 14)。图  14边坡刷方与工程信息查询   4.4多专业 BIM 协同设计基于 BIM 技术的铁路工程三维设计,是集合勘901铁道建筑技术    RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·其 他·察设计、工程施工、运营维护全生命周期的过程。在整个铁路建设流程中涉及的专业众多、工程规模巨大、管理协调复杂、技术要求高、建设周期长,更加需要各个专业间相互配合、密切协作  [10-12]。三维地质模型具有空间形态复杂、数据体量庞大,如何更方便、更顺畅地形成地质 BIM 模型与各个下游专业间的协同设计,是整个 BIM 设计流程中急待解决的技术难题,也是当前铁路设计行业的研究热点。 5结论地质 BIM 技术一直是铁路行业工程建设信息化发展重难点问题,本文分析三维地质建模过程中的理论基础,选择适用于地质数据预估的插值方法,形成地质建模的技术路线。 以点状数据源和平纵横剖面为基础,形成点钻法和剖切法两种建模方法,实现地质体三维建模,并针对特殊地质体(褶皱、断层、滑坡、溶洞和透镜体等),采用单独建模方法实现。 在地质模型基础上,实现多项工程应用,模拟开挖和统计工程数量。 本文的研究成果,数字化程度高,可为铁路全专业 BIM 设计提供可靠直观的三维地质信息。参考文献  [1]魏州泉.铁路行业 BIM 技术应用难点分析及对策建议[J].铁路技术创新  ,2015(3):14-16.  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(上接第 46 页) 8结束语(1)水上钻探受控因素较多,勘察施工和陆上作业相比差异很大,从平台的选择和定位、钻探设备的选型、合理钻进工艺的使用到水上作业安全事项等都有更高的要求,须充分考虑各种因素影响,研究制定具有针对性的施工方案、应急预案和安全保障措施。 重视施工人员操作规范,对水上钻探进行全过程控制,各环节严格管理。(2)资料整理要结合工程实际,充分考虑水上钻探不利因素所造成的偏差,如高程坐标数据误差、取样定名的偏差等。(3)针对在大潮差的潮汐河道上实施水上钻探作业,应充分考虑潮汐对于钻探施工的影响,可采用重锚解决钻船固定问题,采取上固下拉法进行套管安装,同时,采用双层套管解决软弱地层中深孔钻进难及取芯率低的问题。参考文献  [1]任良治. 汛期江上工程钻探施工实践[J]. 探矿工程:岩土钻掘工程  ,2010,37(9):58-59.  [2]王光辉,陈必超. 浅海水域工程勘察钻探方法和技术措施 [J]. 探矿工程:岩土钻掘工程  ,2013,40(4):9-11.  [3]古传.水上工程勘察钻探方法与措施研究[J]科技信息 ,2010(15):267.  [4]李维滔,李安军. 珠江八大出海口门整治工程水上钻探技术[J]. 西部探矿工程 ,2005,1(7):63.  [5]铁道部第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社,1999.  [6]邵景林,祁建忠,高杰. 西气东输管道通过长江工程地质勘察水上钻探工艺合理性分析[J]. 工程勘察,2002   (2):52-54.  [7]郭培国. 工程勘察的水上钻探施工技术 [J]. 探矿工程:岩土钻掘工程  ,2012,39(S1):80-82.  [8]铁道部第一勘察设计院,中华人民共和国铁道部 .TB    10012-2007铁路工程地质勘察规范[S]. 北京:中国铁道出版社  ,2007:27-35.  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