鐵路地質數據存儲標準研究

張晨

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251）

0 引言

鐵路地質工作內容包羅萬象，地質情況復雜，再加上鐵路帶狀工程的特點，工程區域內地質情況變化極大，構造豐富，工程勘探手段多樣，成果多元［1］，因此地質數據很難用通用的數據語言表達清楚。

BIM技術是目前世界各國都在推廣的革命性工程數字化技術，囊括了一個工程“從生到死”的全過程［2］，對工程決策、設計、施工、運營管理及后期拆除等均具備強大的技術支撐能力。而在鐵路工程設計中，地質數據作為一切設計的開端，具有舉足輕重的作用［3］。但基于鐵路地質數據格式及內容的多元性，目前關于標準化的鐵路地質數據如何應用到BIM 技術中來仍然沒有較好的進展和解決方案。

工業基礎類型（Industry Foundation Class，IFC）標準是一種國際通用數據標準［4］，其核心是如何描述及獲取工程信息，該標準可以解決多元終端數據格式不匹配的問題［5］。用一種國際通用的格式來解決復雜的地質數據在不同軟件、系統間的交互具有極佳效果［6］。在此，以上述IFC標準的架構為基礎，開展對鐵路地質數據信息存儲標準的編制和擴展。

1 鐵路工程信息模型基礎數據體系概述

鐵路工程信息模型基礎數據是在IFC體系結構的基礎上，根據鐵路工程需要進行擴展，鐵路工程信息模型基礎數據體系結構見圖1。在資源層（Resource Layer）的幾何資源中增加了線路中心線的部分定義；在核心層（Core Layer）的產品擴展（Product Extension）中擴展了IFC Alignment 類，用于表示鐵路線路中心線；在共享層（Interop Layer）中增加了鐵路工程共享模式的定義，包括公用類型、公用空間結構、公用零件和公用屬性集［8］；在專業領域層（Domain Layer），暫時擴展了線路、軌道、路基、橋梁、隧道、站場6個專業領域。

鐵路工程空間結構組成見圖2。鐵路項目（IfcProject）可包含1條或多條鐵路線（IfcRailway）和1個或多個鐵路樞紐（IfcRailwayTerminal）。鐵路線（IfcRailway）可包含1條或多條線路中心線（IfcAlignment），1條或多條軌道（IfcTrack），1個或多個路基（IfcSubgrade）、橋梁（IfcBridge）、隧道（IfcTunnel）、車站（IfcRailwayStation）、建筑（IfcBuilding）工點。鐵路樞紐（IfcRailwayTerminal）也可包含一系列鐵路線（IfcRailway）和鐵路車站（IfcRailwayStation）。

在上述工作基礎上，地質專業根據自身專業特點和工作內容，將自身工作中的重點內容，尤其是與其他專業存在協同的技術指標和工作成果整理分類，翻譯成面向對象的數據存儲與交換模式，與鐵路其他站前專業的存儲標準融為一體，使鐵路信息模型從勘察到設計、施工成為一個完整的體系［7］。

2 鐵路地質數據存儲標準構建

2.1 模型架構

鐵路地質BIM數據模型架構被設定為1個帶狀的地質組合體及相關附屬地質元素的集合。由于線路過長，根據不同工點類型，將整段線路劃分為若干地質工點，每個地質工點里面均包含若干地質體和地質鉆孔［8］，這些基本構件元素通過圖3 的方式被組織起來。其中：地質工點（IfcGeologyPart）可以被視為鐵路地質工程的節點單元。地質構件（IfcGeologyElement）主要包括巖土體（IfcRockSoilMass）、鉆孔（IfcDrillHole）、鉆孔地質體（IfcDrillHoleLayer）。

圖3 地質空間結構單元與構件關系

2.1.1 地質空間結構單元

本標準在IfcSpatialStructureElement 下派生出地質工點（IfcGeologyPart）。地質工點（IfcGeologyPart）通過預定義類型屬性（PredefinedType）進一步分為：橋梁工點（FORBRIDGE）、路基工點（FORSUBGRADE）、隧道工點（FORTUNNEL）、建筑工點（FORBUILDING）［9］。地質空間結構單元Express-G圖見圖4。

圖4 地質空間結構單元Express-G圖

2.1.2 地質構件

定義了地質空間結構單元后，還要對地質相關的構件進行定義，以便將所有地質數據分類綜合到體系當中來。地質構件Express-G圖見圖5。具體構件如下：

（1）地質元素（IfcGeologyElement）：是所有地質構件的父類。

圖5 地質構件Express-G圖

（2）巖土體（IfcRockSoilMass）：占有一定空間，具備固有成分并可與周圍物質相區別的地質作用的產物。通過預定義類型屬性（PredefinedType）進一步分為：碎石土（SOILAGGREGATE）、砂土（SANDYSOIL）、粉土（MUDDYSOIL）、黏性土（CLAYEDSOIL）、巖石（ROCK）；通過特殊巖土類型屬性（SpecialGeologyType）進一步分為：一般巖土（GENERALGEOLOGY）、濕陷性土（COLLAPSIBLESOIL）、膨脹土（EXPANSIVESOIL）、凍土（FROST）、紅黏土（REDCLAYEDSOIL）、軟土（YIELDINGSOIL）、混合土（MIXEDSOIL）、填土（BANKING）、鹽漬巖土（HALOMORPHICSOIL）、殘積土（RESIDUALSOIL）、污染土（POLLUTIONSOIL）；通過地質災害類型屬性（Geology-DisasterType）分為：一般地質類型（GENERAL）、滑坡（LANDSLIDE）、泥石流（DEBRISFLOW）、巖溶（KARST）、小型采空（GOB）、放射性廢物（RADIOACTIVE）、地震液化（EARTHQUAKELIQ）、風沙（SANDSTORM）。

（3）鉆孔（IfcDrillHole）：以勘探點所處的地面位置為圓心，一定半徑和深度范圍內的地層集合。

（4）鉆孔地質體（IfcDrillHoleLayer）：鉆孔中的地層，是巖土體（IfcRockSoilMass）的子類。

2.2 實體定義

用來表達三維空間中具體地質模型的數據類型。下述實體將會成為所有地質信息的幾何載體，具體包括地質元素（IfcGeologyElement）、地質工點（IfcGeologyPart）、巖土體（IfcRockSoilMass）、鉆孔（IfcDrill-Hole）、鉆孔地質體（IfcDrillHoleLayer）。其中，IfcGeologyElement 是所有地質構件的父類。IfcGeologyPart 用以表達地質工點。IfcRockSoilMass 定義為地質體的基本單元，若干巖土體構成整片區域內的地質狀況。Ifc-DrillHole定義以勘探點所處的地面位置為圓心，一定半徑和深度范圍內的地層集合。IfcDrillHoleLayer 定義為鉆孔探測到的地層單元。上述實體所包含的屬性集見表1—表5。

表1 IfcRockSoilMass屬性集（之一）

表2 IfcRockSoilMass屬性集（之二）

表3 IfcRockSoilMass屬性集（之三）

表4 IfcRockSoilMass屬性集（之四）

表5 IfcDrillHoleLayer屬性集

3 鐵路地質IFC標準的軟件實現

基于VBA 語言對CATIA 軟件進行二次開發，將上述地質數據存儲標準落實到軟件當中，并與三維地質建模功能結合在一起，進而實現IFC地質屬性信息與地質三維模型間的融合落地。

首先根據傳統地質資料中的柱狀圖、縱斷面等地質圖件結合試驗信息，在CATIA 平臺中構建出地質體和地質鉆孔的幾何模型，其中每個幾何體中都具備獨有的識別碼，以此為屬性信息的鏈接預備接口。CATIA中的地質體構建見圖6。

圖6 CATIA中的地質體構建

之后，利用地質數據庫與地質幾何體識別碼的一一對應關系將地質信息與三維幾何體融合在一起。IFC數據在CATIA中的程序化實現見圖7。

圖7 IFC數據在CATIA中的程序化實現

4 結束語

根據地質數據的結構特點和屬性類型，將所有信息按照不同尺度進行分類，并將其擴展為IFC結構體系中的一部分，使地質數據成為國際通用的存儲與讀寫格式，并通過VBA 編程，實現了地質IFC 屬性信息在軟件中的落地，為地質BIM 技術的實現及在鐵路工程中的應用提供了堅實的技術支持。