中小型水利勘察項目三維數字化應用與數據庫探索

賀 濤，何 強

（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007）

水利水電工程項目往往建設周期長、設計階段多，造成了勘測基礎資料種類多，數據量大。在傳統二維作業方式下，勘測工作做的越扎實，留存的數據量越大，但又因為數據可讀性不強，經常造成無法有效傳遞利用的問題。隨著項目的深入，對地質資料的誤讀情況會越來越多，不得不進行大量的補探作業或者邊施工邊勘探。隨著BIM相關應用在省級設計院推廣速度的加快，勘測領域也急需一套基于三維模型的數據庫管理體系，以符合行業長遠發展。

1 思路與方法

通過研讀政府各類政策，了解相關技術出現的深層次原因，結合實際工作清楚勘察需要解決的問題。對比市場中已存在的多類勘測軟件，通過工程項目測試，取得了三維勘測中各類工程實際應用點。最后考慮三維模型消費階段的應用，探索現階段適合中小型水利項目勘測的數據庫解決方案。

2 主要內容

2.1 政策分析

隨著計算機、互聯網、大數據、人工智能、無人機等新興行業的發展，正在倒逼傳統行業發生改變。為提高建筑行業信息化程度，整體拉動行業升級。湖南省“十一五”BIM規劃中指出主要任務：研究建立基于BIM的工程勘察流程與工作模式。在工程項目勘察中，推進基于BIM進行數值模擬、空間分析和可視化表達，實現建筑與其地下工程地質信息的三維融合。研究構建支持異構數據和多種采集方式的工程勘察信息數據庫，實現工程勘察信息的有效傳遞和共享。對比大型設計院，作為省級設計院更應該在三維數字化和數據庫搭建中體現自身特點。

2.2 軟件比選

目前普遍采用的勘察三維建模解決方法：①設計院自主研發；②軟件公司獨立開發；③設計院與軟件公司合作研發。

目前三維軟件較多，PowerGeo、GeoStation地質模塊都是基于MicroStation開發的。此外，還一些其他軟件商的地質模塊。

省級設計院大多數以中小型項目為主，項目普遍采用新技術，單位成本過高，在基于數據格式統一的前提下，Bentley平臺下開發的成熟地質模塊是最合適的。

2.3 三維協同

協同設計是設計方式與流程的一項重大變革，多專業在同一大平臺下進行協同設計，改變以往串聯工作模式，轉為串并聯混合型工作模式。

現有勘測BIM軟件基本能夠實現多人遠程信息化和移動化，野外數據記錄將更多的電子化。地質素描將被實景建模技術簡化，使得工程人員更加專注于技術問題的解決，而非大量的手工素描工作。服務器的海量存儲功能，將最大限度的保存歷史數據，保護工程人員權益，減少風險。采用同一數據庫，分配多層級權限的角色，使得每個人的權力和責任明確，避免工作缺漏。專業內的模型校審碎片化，技術總工可在家看資料，紕漏明了，地質分析推斷和鉆孔布置是否合理，實時上傳調取相關數據。

2.4 數據庫探索

分別嘗試了SQL2008、Access數據庫，未來海量大數據還會用到GIS軟件、Oracle。同時對Bentley自帶的eb軟件進行了探索，GIS平臺只嘗試了在超圖SuperMap和ArcGIS下實現BIM+GIS方法的探索。

數據庫基本架構需符合一般的巖土工程勘察工作流程，包括勘探布置、鉆孔數據、試驗數據、物探數據、施工地質、資料統計等。通過配置網絡服務器，分配權限，實現多人同時異地協同工作，提高工作效率，并能實現即時文件碎片化校審。

基于統一的數據服務，建立了標準化的數據字典，融合了水利、水電、巖土工程勘察的多行業標準，滿足多類項目、多勘察階段、多數據來源、多種應用等需求，為設計提供實時訪問的數據服務；

地質i-model全信息模型發布：在連接地質數據庫的情況下，自動化實時提取數據庫信息，發布地質全信息模型?？睖y數據庫有很大工程價值，對于設計院來說是一筆能夠長久保存的資產，對于業主來說可作為管理運維的基礎數據之一?？睖y基礎數據亦是“智慧水利”重要承載體。

3 應用案例及成果

我院在若干項目中應用了三維勘察設計。

三維地形模型是在測繪專業提供的二維dwg圖中，對原數據進行去除構筑物和錯誤信息，提取有用的高程點、特征線和等高線數據，再通過相應軟件生成，模型精度與原設計保持一致。不同點在于，毛俊和雅口項目使用GEOPAK生成模型，如圖1所示，而涔天河使用Geostation生成，如圖2所示，后者得到的地形表面更加平滑和接近實際，而且擁有便捷的修模工具，避免出現刺點和異形構網的問題。

另外，雅口航運工程中，研究了stm貼高清衛星圖的方法，通過谷歌下載Level17級高清衛星地圖附著在三維地形表面，形成了比較真實的三維地形模型，如圖3所示。但谷歌的投影坐標系和國內投影坐標系一般都存在米級以上的誤差，糾偏算法復雜，很難做到完全對齊。真正投入到項目，還是需要通過實景建模技術。

圖1 毛俊水庫工程三維地形模型

圖2 涔天河水庫導流洞入口地形

圖3 雅口航運工程三維地形模型

三維地質模型的創建，首先是在三維地形模型基礎上，調用數據庫中存儲的大量勘測數據，形成鉆孔勘探線模型，第二步在二維切圖模式中編輯各個剖面，形成線框模型，最后在三維模式下形成各種通過顏色區分的水文界面、地層界面和結構面，如圖4、6所示，最后通過面與面之間的空間拓撲運算形成網格體，如圖5、7所示。

圖4 毛俊水庫工程三維地質模型

圖5 雅口航運工程三維地質模型

圖6 涔天河水庫入口邊坡三維地質模型

圖7 深圳濱河中學拆建項目三維地質模型

圖8 毛俊水庫左壩肩地質開挖模型

圖9 雅口航運工程壩基地質開挖模型

圖10 涔天河開挖面與地質構造關系

圖11 濱河中學拆建工程地質開挖模型

三維地質模型基本攬括了所有地質要素，對于地質薄層及構造面都進行了詳細的建模，通過模型，設計人員對項目地質情況判斷一目了然，如圖10所示。

在地質模型基礎上，通過 PowerCivil和GEOPAK進行開挖設計，以此得到基礎和高邊坡開挖模型，可以充分應用三維模型可視化的便利條件，直觀查詢基礎和高邊坡結構面的不利組合，提供給設計進行穩定分析，通過多種開挖方案對比，達到科學合理利用巖體的效果如圖8所示。同時，通過三維地質體，能直接統計各地層的開挖方量，降低造價專業的工作強度，并能提高統計精度，對于業主控制預算有很好的幫助作用。通過開挖模型展示各個地層的開挖情況，利于特殊地層的處理和精細化設計，便于設計優化和項目審查的通過，如圖9、11所示。

三維地質模型的應用，不僅在數據顯示上，在深圳濱河中學拆建項目中，周邊高層建筑密集，地下管網極其復雜。傳統的工作模式下，由于地下管線連接方式不清晰，設計單位和業務主管部門找不到準確的管線接入口，導致重復作業而延長項目周期。采用PowerCivil的SUE模塊對周邊地下管網建模后，通過模型能清晰的看到井與井、管與井之間的空間位置關系，如圖12所示。管網模型自帶各類屬性，區分給排水、污水、電氣等專業管線，為相應專業設計提供了良好的三維解釋。通過地下管線與地質開挖模型進行碰撞分析可以得到更為可靠的線路改遷方案在開挖模型的基礎上，通過專業接口導入邁達斯軟件中，模擬計算基坑支護方案的可行性，為勘察報告中基坑支護方案的建議提供了理論支撐，如圖13所示。結果顯示，原設計方案偏保守，改為分邊且局部放坡的方式對基坑設計優化，減少約15%的基坑支護工程量，有效提高了工程的經濟效益。

圖15 2-2’剖面圖

圖12 濱河中學拆建項目地下管網模型

圖13 基坑支護方案有限元分析模擬

現有BIM技術在推廣過程中最大阻力來自于二維出圖能力的不足，出圖標準與國外差異巨大。上述勘測項目采用BIM技術出圖，三維模型與二維圖紙一致，如圖14、15所示。修改模型后能更新圖紙，提高了本專業人員的出圖積極性。設計方案修改后不用重新編輯圖紙，提高了生產效率。

圖14 鉆孔柱狀圖

4 結語

省級設計院的勘察設計項目多屬于中小型，通過以上諸多勘察項目的三維數字化應用和數據庫探索發現，以BIM設計應用為基礎，打造一支能熟練運用BIM技術的小型隊伍，與軟件公司合作，選用基于MicroStation平臺開發的地質模塊，將中小型水利項目的數據管理起來，形成數據格式統一、通用、安全的數據庫，利用數據庫強大的延展性，服務“智慧水利”，將是省院最適用的發展道路。

現階段BIM所涉及的軟件種類太多，平臺也不盡相同，要想完全掌握，難度很大，因此在效率提升上還存在諸多問題，現階段只能制定一系列規范化的工作流程，從側面提升工作效率。

［1］朱思蓉，羅斌，王漢東，等.空間數據庫技術在流域規劃工作中的應用［J］.水利規劃與設計，2017，167（09）：146-150+161.

［2］李敏.基于BIM技術的可視化水利工程設計仿真［J］.水利技術監督，2016（03）：13-16.

［3］王國光，單治鋼，徐震.GeoStation地質三維勘察設計系統開發建設［J］.華東工程技術，2012，122：14-18.

［4］王軍輝，汪小麗，呂彥菲，等.地質3D數字建模技術在城市地鐵沿線地質條件分析中的應用［J］.隧道建設，2013，33（12）：813-816.

［5］田小普，張碩，賈雷，等.三維地質建模技術在北京地鐵建設中的應用研究——以車公莊西站為例［J］.科學技術與工程，2012，12（25）：6362-6368.

［6］陳健，王金鋒.華東院三維協同設計應用實踐［J］.華東工程技術，2012，33（04）.

［7］趙順耐.BentleyBIM解決方案應用流程［M］.北京：知識產權出版社，2017.

［8］陳健.追夢——工程數字化技術研究及推廣應用的實踐與思考［M］.北京：中國水利水電出版社，2016.

［9］張海陽.GEOPAK三維邊坡設計中地質條件處理探討［J］.建筑工程技術與設計，2014（22）.

［10］鐘登華，李明朝.水利水電工程地質三維地質建模與分析理論及實踐［M］.北京：水利水電出版社，2006.