鐵路工程地質BIM技術方法研究

黃新文 薛宇騰 張忠良

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 BIM概述

目前，多個國家和地區已陸續發布了BIM國家、行業及企業級標準。并將設計理念拓展為全專業的三維設計[1-2]。BIM技術具有數字化、可視化、多維化、協同性等特點[3]。利用BIM技術可以有效整合各方信息化的需求，構建一個統一、協同的信息環境。BIM技術貫穿于規劃、勘察、設計、施工、運營、維護的全壽命周期，成為勘察設計企業轉型升級的重要手段之一[4]。近些年，鐵路工程(尤其是重要工程)越來越多地采用了BIM技術，這已經形成一種趨勢。

國內建筑、公路、鐵路行業BIM技術所采用的軟件主要為：歐特克(Autodesk)的Revit/Civil3D、達索的CATIA、奔特力(Bentley)的Microstation以及在其基礎上形成的PowerCivil及AECOsim Building Designer。

2 地質BIM三維建模

BIM技術在工程地質勘察中的應用可分解為勘察資料整合、多源數據分析以及三維地質信息建模。工程地質勘察過程中，原始資料主要為區域地質資料、礦產資料、水文資料等地質信息，以及后續開展的工程地質調繪、地質勘探、工程物探、原位試驗、土工試驗等勘察信息。這些信息種類多樣、形式各異，可利用BIM技術將其合理分類并有機整合，使地質數據能夠有序地向下傳遞。基于BIM技術所提供的數據信息平臺，可以有效提高工程地質信息整合工作的效率和質量，其統一的數據存儲格式也為基于BIM技術的三維地質建模提供了基礎信息。

自20世紀70年代開始，經過幾十年的積累與完善，國外的三維地質建模軟件在穩定性及功能方面都有了較大的發展。這些軟件主要涉及到地質基礎信息處理、地震勘探分析、地質三維建模、礦山三維建模、礦產評估、礦產管理、模型處理、生產流程管理等領域。國內的三維地質建模研究始于20世紀80年代末。隨后，國內學者在多個領域對三維地質建模技術進行了大量的探索與研究。目前，市場上已有的三維建模軟件主要應用于礦山地質以及石油地質等方向[9]，在軌道交通和公路、鐵路等線性工程方面應用較少。

3 鐵路工程地質BIM技術現狀

3.1 鐵路BIM標準

中國鐵路BIM聯盟成立于2013年。隨后，聯盟開展了站前、站后多個專業BIM 標準體系的研究，初步建立了鐵路BIM 標準體系框架，編制發布了《鐵路工程實體分解指南》、《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》、《鐵路工程信息模型數據存儲標準》等多項鐵路BIM技術標準[10-12]，為BIM底層平臺的搭建提供了標準保障。目前，正在多個鐵路項目上開展試點應用及標準驗證工作。

在工程地質標準體系方面，中國鐵路BIM聯盟并未形成統一的標準，僅在《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》中對巖層分類進行了定義[13]。

3.2 鐵路工程地質BIM技術

鐵路工程具有線路長、工點多、分布范圍廣、參與單位多、投資大、質量要求高、安全風險大等特點，任何的細節失誤都會造成巨大的損失。BIM技術的數字化、多維化，以及多專業、多單位的協同化工作等特點，可貫穿鐵路工程的全壽命周期。

多專業協同設計能實現不同階段專業間的無縫銜接，達到信息最大程度的共享[14-15]，減少施工階段由于設計變更而造成的浪費。此外，還能提高工程管理能力，使工程管理更加精細化，決策更加科學化。

(1)專業設計

鐵路設計過程中涉及的專業有線路、站場、地質、路基、橋梁、隧道等二十幾個專業，各專業分工非常精細，專業間通過設計協同平臺進行統一管理和運作。目前，大部分BIM技術應用仍處于利用已完成的二維圖件進行翻模的狀態，還未形成流暢的正向設計流程。因此，適合鐵路工程協同設計的BIM技術流程及工作流程還有大量的工作要做。

在智能鐵路構件化設計中，很難將建筑BIM的方法直接套用(尤其是路基、地質專業等與地形面密切相關的專業)。因此，有必要研究這些構件的構成方法，并利用軟件開發出適用于這些專業的相關參數化構件，形成一套鐵路專用的構件化設計方法。

(2)專業協同

鐵路工程勘察設計中，地質專業是最基礎的專業，工程地質勘察對鐵路選線以及專業工程設置都起著決定性的作用。此外，地質專業還承擔著為各個專業提供地質資料的任務。

勘察設計的相關專業(如橋梁專業)可通過協同平臺，從地質模型中快速提取橋墩位置的地質信息及相應的地質參數，并進行專業結構計算，從而實現專業構件的快速設計。

4 地質三維建模方法

目前，地質三維建模主要有三種方法。

(1)地層面剖切法

該方法通過地層數據信息生成地層分界面，再由網格逐層切分形成三維地質體。這種方法建模準確度相對較高，對三維地層的平面范圍、縱向深度控制相對準確，但是工作周期較長、操作難度較大，主要適用于山區或地層較為簡單的地質情況。

(2)橫向擬合拉伸法

該方法通過鉆孔剖面連線向兩側橫向擬合拉伸，生成三維地質體，避免了大量切割網格的過程，易于掌握、出錯率低、建模速度快，但是缺少三維平面控制，平面精度較低，主要適用于地形平坦、地層較為復雜的地質建模。

(3)三棱柱法

通過勘探孔確定位置關系及地層關系，然后逐層圍合，形成地質體的三棱柱。這種方法適合于地形簡單、地層復雜場地的地質建模。

5 工程實例

5.1 八達嶺隧道及八達嶺地下站

八達嶺隧道是京張高鐵的控制性工程，全長12.01 km，穿越居庸關、水關、八達嶺長城等多個風景名勝區。八達嶺長城站是八達嶺隧道內的地下車站，位于北京延慶八達嶺滾天溝停車場下方，可為八達嶺景區提供便捷、高效、環保的交通方式。

地質模型采用剖切方法逐層生成，首先根據地質勘察數據生成地層網格面，再由網格面逐層切分，形成三維地質體。BIM成果見圖1～圖3。

圖1 八達嶺隧道地質模型

圖2 八達嶺地下站地質模型

圖3 八達嶺隧道出口段地質模型

根據隧道實際開挖情況，建立隧道圍巖模型、巖性模型，見圖4～圖5。

圖4 八達嶺地下站圍巖等級模型

圖5 八達嶺地下站巖性模型

5.2 官廳水庫特大橋

京張高鐵官廳水庫特大橋是京張高鐵全線的控制性工程之一，位于河北省懷來縣東花園鎮與狼山鄉之間，跨越官廳水庫。

橋址區主要為第四系地層，鉆孔內地層復雜，難以采用地層面剖切的方法進行建模。故決定采用鉆孔剖面連線向兩側拉伸生成三維地質體的建模方法。該方法適宜軟件編程和批量化實現，地質模型見圖6～圖7。

圖6 官廳水庫特大橋地質模型(全景)

圖7 官廳水庫特大橋地質模型(局部)

5.3 清河站

清河站是京張高鐵規模最大的車站，也是目前北京市內引入地鐵線路最多的高鐵車站，建成后將成為北京市北部的綜合交通樞紐(圖8)。

圖8 清河站地質模型

車站范圍內為第四系地層，鉆孔多，剖面多，地層復雜，建模難度較大。地質模型主要采用了逐層圍合形成地質體的三棱柱法。

6 結論

結合京張高鐵地質建模情況，總結了適用于鐵路工程的地質建模方法，并將建模方法應用于工程實踐，針對不同類型工點運用不同的建模方法，達到了提高建模效率的目的。