鐵路工程地質BIM建模技術

李紅旭

（中國鐵路設計集團有限公司 地質勘察設計研究院，天津 300251）

0 引言

建筑信息模型（BIM）技術是一種應用于工程設計建造管理的數據化工具，通過參數模型整合各種項目相關信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面具備強大的技術支撐能力。而地質數據作為設計的開端，具有舉足輕重的作用。其中，地質BIM模型是實現地質BIM技術的基石，是所有地質信息的幾何載體。地質BIM建模可采用基于鉆孔離散地層點、二維地質斷面、層面點云的建模方法等構建三維地質模型［1-4］，但在工程應用方面，受到一定程度的制約，主要表現為：

（1）工程地質條件的復雜性，認知程度的局限性［5-6］。地質體在建造演化過程中形成極其復雜的幾何形態和拓撲關系，而因為工程特性的差異又被人為劃分為各種地層，使其更具復雜性、不連續性及不確定性；現有勘察技術手段只能獲取有限的地質信息，難以準確地、全面地揭示工程范圍內的地質條件，需要地質工程師根據自身經驗推斷與解譯。

（2）可視化工具的局限性。工程地質條件的復雜性、認知程度的局限性導致三維地質建模方法和技術尚不成熟，空間拓撲關系的處理方法、多源地質信息的融合技術、特殊地質現象的表現形式等問題亟待解決［7-8］。既有三維地質建模商業軟件大多針對油藏、礦山等行業，針對鐵路工程的寥寥無幾，且人工交互工作量較大，無法滿足大規模工程應用需要。

（3）BIM標準與應用脫節。近年來，鐵路、水電、公路等行業紛紛發布行業BIM標準，并伴隨研究的不斷深入進行補充、完善。而BIM平臺軟件存在專業功能模塊欠缺，對長線路、多專業、大體量模型的綜合承載能力不足等問題，導致標準與應用脫節。

鐵路工程地質BIM建模技術依據《鐵路工程信息模型數據存儲標準》（鐵路BIM聯盟發布的工業基礎類型（IFC）標準）構建鐵路工程地質BIM數據模型架構［9］，結合鐵路工程勘察設計特點，以審核完成的地質斷面為基礎，提出快速、準確地將二維地質斷面中地質界線及其屬性信息自動化辨識的方法，進而建立地質BIM模型并賦予其IFC標準地質信息的一整套方法，自主研發了相關軟件，并在京雄城際鐵路等多項大型工程中得到成功應用。

1 鐵路工程地質BIM數據模型架構

由于鐵路地質數據格式及內容的多元性，目前將標準化鐵路地質數據應用到BIM技術中來仍沒有較好的解決方案［10］。IFC標準是一種國際通用數據標準，其核心是如何描述及如何獲取工程信息，該標準可以解決多元終端數據格式不匹配的問題［11］。《鐵路工程信息模型數據存儲標準》就是在IFC標準架構下編制和擴展的。

根據鐵路工程地質特點和工作內容，對鐵路地質數據信息進行歸納整理，將其中關鍵性地質元素的構成結構翻譯成IFC標準架構中的部件、構件及屬性數據。鐵路工程地質BIM數據模型架構被設定為一個帶狀的地質組合體及相關附屬地質元素的集合。

針對某一鐵路工程，根據不同工點類型，將整段線路劃分為若干地質空間結構單元（Ifc Spatial Structure Element）-地質工點（Ifc Geology Part），每個地質工點中均包含若干地質構件（Ifc Geology Element），主要包括地質體（Ifc Rock Soil Mass）和地質鉆孔（Ifc Drill Hole）等，這些基本構件元素通過地質空間結構單元與構件的方式（見圖1）被組織起來［9］。屬性信息是以屬性集（property set）模式賦予到地質工點（Ifc Geology Part）、地質體（Ifc Rock Soil Mass）、地質鉆孔（Ifc Drill Hole）等實體上。

圖1 地質空間結構單元與構件關系

2 鐵路工程地質BIM建模技術

2.1 地質界線及其屬性信息辨識方法

現有三維地質建模方法大多是以二維地質資料為基礎，如二維地質斷面等，提取地質界線及其屬性信息，進一步推演計算形成地質界面，并最終構建三維地質模型。而二維地質斷面中地質界線是地質工程師結合鉆孔信息及區域地質條件等綜合判定的，傳統數據庫中并無附帶準確的地質屬性信息的地質界線數據，三維地質建模時需人工提取地質界線及其屬性信息，工作量大且效率低。因此，提出一種能夠高效、準確地將二維地質斷面中地質界線及其屬性信息自動化辨識的方法。地質界線及其屬性信息辨識方法流程見圖2。

圖2 地質界線及其屬性信息辨識方法流程

該方法的基礎是建立空間坐標與平面坐標的對應關系，通過比對工程地質數據庫和工程地質斷面圖中的鉆孔編號及孔口坐標，建立數據庫中鉆孔地層分層節點（三維空間坐標x，y，z）與斷面圖中地質界線節點（二維平面坐標α，β）的坐標轉換關系，即α與（x，y），β與z的對應關系。

該方法的核心是地質界線的屬性是唯一的，代表地質界線的上方一側的地層信息，篩選連接在同一地層分層節點、且位于該節點同一側的所有地質界線，若有且只有1條地質界線滿足要求，則將地層分層節點的屬性信息（或代表屬性信息的唯一識別碼）賦予該地質界線，若有多條地質界線滿足要求，比較地質界線通過地層分層節點一段的坡比，將地層分層節點的屬性信息（或代表屬性信息的唯一識別碼）賦予坡比最大的地質界線。將二維地質斷面中地質界線辨識并賦予識別碼后，按照一定格式輸出，用作地質BIM建模基礎數據。

假設地層分層節點為C，屬性信息已知。地層分層節點C左側地質界線的屬性信息辨識方法如下：若位于節點左側地質界線數量m=1，直接將該節點的屬性信息賦予該地質界線；若位于節點左側地質界線數量m>1，比較地質界線通過節點C的一段直線坡比，方向為由地層節點指向左側，取坡比最大的直線（CK）所在地質界線（CKA），賦予該節點C的屬性信息（見圖3）。

圖3 地層分層節點C左側的地質界線

2.2 地質BIM建模方法

鐵路工程勘察設計具有以下特點：采用鉆探、原位測試（靜力觸探、動力觸探、標準貫入試驗等）為主，調繪、物探、簡易勘探等手段為輔的綜合勘探方法，主要沿線路方向進行縱斷面勘察，輔以一定量的橫斷面勘察，查明鐵路工程場地的地質條件，設計專業以縱斷面、橫斷面等為基礎進行施工圖設計。基于達索V6Experience平臺，結合鐵路工程勘察設計特點，提出一種地質BIM建模方法。鐵路工程地質BIM建模方法流程見圖4。

圖4 鐵路工程地質BIM建模方法流程

該方法將上述得到的地質界線為基礎數據，結合地形曲面及平面線位中線，以工點范圍、勘探深度為邊界構建工程感興趣區域實體。地質界面建模時將工程分為縱斷面段落和橫縱斷面段落。縱斷面段落只含縱斷面勘察，以地質界線為單位，數據點為基準，采用結合地形曲面的等厚推演或水平推演法形成地質界面。橫縱斷面段落同時含縱斷面和橫斷面勘察，橫縱斷面布置示意見圖5，縱、橫斷面交割形成的區域主要有ABED、BCFE兩種類型，采用交叉剖面展平投影法建模。以BCFE類型為例說明推演點線的方法：對于EBCF段的地質界面線已知，EF段未知；將折面EBCF展平，將EBCF展平面上的地質界面線按比例投影到EF面上，通過空間坐標轉換得到的EF面上的地質界面線及數據點（即推演點），并繼承原地質界面線屬性。

圖5 橫縱斷面布置示意圖

特殊地質結構-斷層等建模可采用3種方式：（1）以特殊地質結構的一個已知點及其產狀成面；（2）以特殊地質結構的平面展布線為斷面，以縱斷面展布線為引導線，掃略成面；（3）以物探等成果獲取的點云直接成面。

將感興趣區域實體與地質界面、特殊地質結構面進行布爾運算，感興趣區域實體被分割成若干個地質體。測量地質體下表面上某一點和所有地質界面的距離，選擇距離最小的地質界面，將其地質屬性（識別碼）賦予地質體，實現地質體辨識。以識別碼為紐帶，將IFC標準property set賦予IfcGeologyPart和IfcRockSoil-Mass，最終獲得鐵路工程地質BIM模型。

3 軟件研發與工程應用

3.1 軟件研發

為滿足鐵路工程地質BIM建模技術應用需求，針對工程需要而現有軟件無法滿足的功能進行開發。鐵路工程地質BIM建模系統主要由工程地質界限數據標準化系統（CRDC_ProGeoRIM）和鐵路工程三維地質建模系統（CRDC_GeoRIM）2個部分組成，鐵路工程地質BIM建模系統架構見圖6。

圖6 鐵路工程地質BIM建模系統架構

CRDC_ProGeoRIM基于Visual Studio 2008開發環境，采用VB.NET編程語言，是實現地質界線及其屬性信息辨識的數據標準化工具。該軟件支持地質人員通過比對圖件與數據庫，自動化辨識地質界線并賦予識別碼，將二維平面坐標轉換為三維空間坐標，為地質BIM建模提供基礎數據。

CRDC_GeoRIM基于達索V6Experience開發環境，采用其內置的VBA編程語言，是實現鐵路工程地質BIM模型構建的建模工具。該插件支持地質人員通過參數化、流程化實現自動化建立地質BIM模型，但復雜地質條件下必須結合調繪、物探等信息進行人工干預，進而實現模型的快速重構，建立鐵路工程地質BIM模型，輸出成果為標準IFC格式。

3.2 工程應用

趙杖子大橋全長193.37 m。橋址區為中低山區溝谷地貌，地形起伏大，植被發育。勘探深度范圍內所揭露的地層為第四系全新統人工堆積層素填土、第四系全新統沖洪積層、坡洪積層及坡殘積層，主要為粉質黏土、碎石類土，下伏侏羅系上統大北溝組凝灰巖及燕山期粗安巖，兩者不整合接觸。

地下水類型為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。地震動峰值加速度為0.05g（地震基本烈度Ⅵ度），土壤標準凍結深度1.20 m，最大凍結深度1.39 m。

在該鐵路工程的IFC標準架構下建立地質工點-趙杖子大橋（IfcGeologyPart），利用開發的軟件，通過比對趙杖子大橋數據備份庫與二維工程地質縱斷面（見圖7），快速準確地提取地質界線及其屬性信息，并按照地質BIM建模方法建立趙杖子大橋的地質BIM模型（見圖8）。地質模型在線位左線位置斷面與二維工程地質縱斷面保持一致。

圖7 趙杖子大橋工程地質縱斷面

圖8 趙杖子大橋地質BIM模型

基于鐵路工程地質BIM模型，結合工程設計信息，實現了工程量統計、任意方向剖切等功能應用（見圖9）。輸出的標準IFC格式文件可導入GIS平臺，在多平臺之間實現標準數據交換，幾何模型和非幾何信息不丟失，為進一步協同設計、虛擬施工、數字交付與智能服務等提供模型基礎、信息支撐。

圖9 地質BIM模型應用

4 結論

依據《鐵路工程信息模型數據存儲標準》構建鐵路工程地質BIM數據模型架構，實現了標準與應用的融合落地。輸出成果為標準IFC格式，在多平臺之間實現了標準數據交換，為進一步協同設計、虛擬施工、數字交付與智能服務等提供模型基礎、信息支撐。提出能夠快速、準確地將二維地質斷面中地質界線及其屬性信息自動化辨識的方法，進而建立地質BIM模型并賦予其IFC標準地質信息的一整套方法，并自主開發了CRDC_Pro-GeoRIM、CRDC_GeoRIM軟件，提升了二維地質信息提取、辨識效率，通過參數化、流程化交互式快速建立地質BIM模型，滿足了鐵路工程勘察設計大規模應用需求。

鐵路工程地質BIM建模技術在多項大型工程中得到成功應用，但其功能仍需探索和完善，基于地質BIM模型的功能應用，應與設計、施工、運維等緊密結合，有待進一步開發與拓展，以最終實現BIM技術的應用價值。