工程地質BIM技術及其在水電工程中的應用

羅　宇，任志剛，原先凡

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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工程地質BIM技術及其在水電工程中的應用

羅宇，任志剛，原先凡

(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是一種新型的設計方法，它實現了設計從二維空間到三維空間的變革，使基礎建筑信息數字化。目前，BIM主要應用于建筑和結構等專業，較少應用與工程地質設計領域。本文討論了BIM在工程地質設計中的應用，分析了傳統工程地質設計與BIM工程地質數字化設計方法和優缺點；以及在引水隧洞設計中的應用實例,為BIM在工程地質設計中的應用提供了參考和借鑒。

BIM；工程地質；數字化設計；三維模型

1　BIM的概念

BIM概念最早是由卡耐基麥隆大學的查理·伊斯特曼教授在1975提出的“建筑描述系統(Building Description System)”發展而來。而今BIM被最終定義為“建筑信息模型(Building Information Modeling)”，其概念是利用三維數字技術，以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型基礎，進行建筑三維模型的建立，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它具有可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性五大特點[1]。

BIM的作用在于可以在項目建造之前以數字化方式對其關鍵物理特征和功能特性進行綜合探索；可以幫助提高項目交付速度、減少成本，并降低環境影響。借助BIM，設計人員可以在整個過程中使用協調一致的信息，可以更準確的查看并模擬項目在現實世界中的外觀、性能和成本，還可以創建出更佳準確的施工圖紙[2-4]。

2　BIM與工程地質有機結合

2.1工程地質設計的發展概況

解放以前，我國的工程地質隸屬土木工程范疇，沒有建立獨立地質工程學科。新中國建國后才有了長足的進步和發展，形成了獨立的學科。至今，工程地質勘察已成為工程建設中不可缺少的一個重要組成部分。工程地質隨著建筑業的“信息革命”，從最開始的紙上手繪作圖，逐步向電腦CAD作圖發展；而三維技術的成熟，將進行二次“信息革命”向三維化發展。水電行業自上世紀90年代以來，成都院、華東院、北京院等單位，在這方面進行了大量的探索和研究工作，取得了豐碩的成果。作者所在的地質團隊正是應用成都院開發的Geosmart地質信息系統和Gocad水電地質模塊，完成了玉瓦總承包項目的BIM應用。

2.2BIM與專業地質三維軟件的契合

BIM落實到水電地質，其核心就是地質信息的流轉和應用，水電水利工程地質勘測數據類眾多，獲取手段不一，記錄格式、坐標、描述的精細程度差異大。水電地質BIM軟件應以生產流程為主線，基本地質條件為綱目，匯總各種勘測手段中的多元數據，圍繞五大地質因素，按地質屬性進行分類，并與工程勘察階段、數據獲取手段及空間位置等眾多因素關聯，使得地質數據變成“真正的數據信息”在生產過程中流動起來，形成深度關聯又相對獨立的數據中心。圍繞數據中心按不同需求構建分析應用系統，最終形成一體化的水利水電工程地質設計平臺，實現水電水利工程地質勘測全過程信息化。

作者目前使用的geosmart地質信息系統能將所有地質信息轉化成數據信息，保存至數據中心庫；而Gocad三維制圖軟件能將geosmart地質信息系統上傳至數據中心的數據直接提取，生成相應的三維部件或模型，這與BIM根據建筑物相關數據作為基礎模型完全契合。通過BIM工程地質數字化設計生成BIM三維模型后，可以更直觀的查看各類地質信息，模擬不同情況下地質條件的變化、對建筑物的影響，能更有效的輔助工程師做出正確的判斷。

2.3BIM工程地質數字化設計優勢

傳統工程地質設計弊端有：資料收集過程中存在填寫、編錄等不規范現象造成資料收集不完整。收集資料易丟失、損壞，查看翻閱不便等多種情況；制圖方面工作量大，成圖時間長，不能直觀展示，修改繁瑣，一個部位的修改，將修改全部相關圖件。如遇特殊地質情況等還需重新作圖分析，提出地質成果慢等。

BIM工程地質數字化設計優勢：通過Geosmart地質信息系統能保證收集資料的規范化、標準化錄入。所有地質人員錄入地質資料均按同一標準輸入資料，某一項未填寫或填寫不正確、不規范均不能正常提交，保證資料錄入的完整性和規范性，并在流程系統中線上完成資料校核工作。而上傳到數據中心的資料不易丟失損壞，查看提取便捷。

因此，BIM工程地質數字化設計三維模型就可通過Gocad三維制圖軟件直接提取數據中心數據生成，BIM三維模型一但生成，所有基礎資料均能直觀的展示在三維模型上，而大量的施工圖紙均能通過Gocad軟件一鍵成圖，大大縮減工作量。如有修改，只需更新Geosmart基礎數據，所有三維圖件和通過三維圖件生成的二維圖件均能自動關聯資料進行修改。技施階段隨著基礎資料更新，三維模型也能自動完善，隨時都能提供最新的地質成果。

3　BIM技術在玉瓦水電站中的應用

3.1工程概況

玉瓦水電站位于白水江流域一級支流黑河上游，屬黑河～白水江水電規劃“一庫七級”開發的第二梯級電站，裝機容量49 MW。屬長引水隧洞式水電站，引水隧洞全長14.1 km，占總投資的61%，且為關鍵線路工期。引水隧洞的超前地質預報將是工程地質專業的工作重點及難點。

為了更加準確的把控引水隧洞區的地質條件，在地質條件發生變化時及時做出應對措施，以及做出準確可靠的超前地質預報。地質專業對引水隧洞采用了BIM工程地質數字化設計，招標階段根據初期勘察地質資料生成BIM三維模型，并且通過模型預測引水隧洞各段圍巖類別及比例。在技施階段根據現場實際開挖揭示地質條件更新修改模型。與招標階段預測進行對比，指導施工，對前期所預測的圍巖類別復核，做好地質預報工作。

玉瓦水電站引水隧洞共設6條施工支洞，2014年12月4號支洞下游開挖遇到不良地質洞段，規模不等的順層構造破碎帶隨機發育，加之地下水異常豐富，圍巖類別為V類。受其影響，開挖進尺緩慢，日平均進尺不足1 m/天，已嚴重制約施工進度。

根據已有BIM三維模型的數據資料顯示，該區域內沒有發現大規模不良地質洞段的不利因素，但不排除前期地質資料匱乏造成的遺漏。為確保工程按期發電目標的完成，開展了地質復核工作，梳理制約工期的地質因素，完善更新BIM三維模型。

3.2地質資料收集

3.2.1開展地表調查

根據已有BIM三維模型地形圖，查勘該段區域內的宏觀地形地貌。發現該區域可能存在一條軟弱巖帶和斷層。隨即制定調查線路，對推測的軟弱巖帶、斷層進行現場調查、復核(見圖1)。

利用BIM三維模型能準確、快速的從宏觀上判斷該區的宏觀地形地貌，目的明確的勘察可疑區域，不僅節省了大量時間，還減少了工作量。此次地表調查，現場地質定點31個，區域內未見明顯層位、產狀及巖性差異，無推測的軟弱巖帶和斷層分部。并將收集的地質點相關信息錄入BIM三維模型。

圖1　地質調查線路與地質點三維模型

3.2.2綜合分析已開挖揭示地質條件

根據已開挖揭示地質條件綜合分析預測不良地質洞段地質特征。

在前期隧洞開挖過程中，收集到的地質資料均已錄入Geosmart三維信息系統，并通過Gocad軟件更新至三維模型(見圖2)。原始資料在BIM三維模型中系統完整的展示，省去了大量資料查閱、整理時間，并能在三維圖形上直觀展示，便于地質工作人員作出判斷。

3.2.3采用TRT超前地質預報

此外，還對該不良地質洞段做了TRT地震波超前地質預報，并將TRT預報檢測數據與三維模型關聯(見圖3)。

圖2　引水隧洞相關信息三維模型展示

圖3　 TRT地質超前預報數據導入三維模型

TRT地質超前預報檢測資料顯示：掌子面前方20 m范圍內地震波反射不明顯，開挖面內未見低阻異常，巖體情況與掌子面類似；掌子面前方20～70 m段地震波反射明顯，推測該段內巖體均一性變差；掌子面前方70～90 m段地震波反射無異常，推測該段巖體均一性變好；掌子面前方90～100 m段存在一明顯低阻異常。

3.3空間分析

3.3.1完善三維模型

將收集到的所有地質資料，集中展示在BIM三維模型上，所有資料相互關聯，通過模型系統分析該區域的地質條件(見圖4)。

3.3.2空間分析結論及推測

該區域未見明顯層位、產狀及巖性差異，無推測的軟弱巖帶和斷層分部。該段隧洞主要因圍巖巖體單層厚度薄、強度低，抵抗構造影響能力差，加之隨構造發育的地下水影響，使本就破碎的巖體進一步惡化，從而產生不良地質洞段。在區內大構造不發育情況下，巖體的單層厚度及強度是影響圍巖穩定好壞的主控因素。

利用BIM三維模型發現地表調查地質點和隧洞開挖揭示的巖體單層厚度與產狀具備協調性，通過三維多點連線，直觀的推斷出該區域總體產狀，并推測出了五層厚度不一的巖層分層界線(見圖5、6)。利用原有地質勘察手段，將需要大量剖面圖和平面圖切圖判定，工作量巨大。

圖4　三維模型展示示意

圖5推測巖體單層厚度劃分層與洞軸線三維俯視圖6三維預測和實際開挖揭示巖層厚度分界示意

3.3.3提出地質建議及成果

根據BIM三維模型顯示：沿原洞軸線方向開，前方約680 m巖層依然為薄層為主，且伴隨小構造和地下水，圍巖地質條件無明顯變化。如向山內側調整洞軸線，以最短距離快速穿過該段薄層不良地質洞段進入中厚層巖層，距離只有230 m。

經過多方商討決定采納地質設計建議，調整洞軸線方向。隨后的開挖過程中發現，根據三維模型推測的巖體單層厚度分層與實際開挖揭示的地質條件一致，且厚度分層界線預測精度達到20 m以內。進入中厚層后，圍巖類別迅速由Ⅳ、Ⅴ類圍巖變為Ⅲ類圍巖，之前的地質結論：巖體的單層厚度及強度是影響圍巖穩定好壞的主控因素，也得到了應證。

因為BIM工程地質數字化設計，在遇到不良地質情況發生時，及時的提出了相應的地質結論及建議。據不完全統計，此次洞軸線調整，雖然洞軸線增加了52 m，但項目工期縮短5.1個月，投資節約186萬元。而期間BIM地質數字化設計體現出的高效性、及時性、準確性就不言而喻。

4　結　語

隨著傳統二維設計在工程地質中的發展，傳統二維設計的缺點日益突出。為了滿足更好的設計要求和更復雜的工程項目設計，BIM技術應運而生，并在建筑行業得到了極大的推廣和應用，也取得了良好的效果。BIM技術在工程地質設計中應用尚屬起步階段，本文所提出的BIM工程地質數字化設計望能在將來的工程地質設計中得到推廣和應用。

[1]杰里·萊瑟琳，王新.BIM的歷史[J].建筑創作.2011(6)：146-149.

[2]謝曉晨.論我國建筑業BIM應用現狀和發展[J]. 土木建筑工程信息技術，2014,6(6)：90-101.

[3]宦國勝，王海俊，沈國華. 水利工程中三維信息模型技術平臺的比選和應用[J]. 江蘇水利，2015(1)：41-43.

[4]黃錳鋼，王鵬翊. BIM在施工總承包項目管理中的應用價值探索[J]. 土木建筑工程信息技術，2013,5(5)：88-91.

2016-03-07

羅宇(1985- )，男，重慶武隆人，助理工程師，從事水利水電工程地質勘察工作。

P628.3,TV22

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1003-9805(2016)03-0094-04