工程地質(zhì)BIM技術(shù)及其在水電工程中的應(yīng)用

羅　宇，任志剛，原先凡

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都　610072)

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工程地質(zhì)BIM技術(shù)及其在水電工程中的應(yīng)用

羅宇，任志剛，原先凡

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610072)

BIM是一種新型的設(shè)計(jì)方法，它實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)從二維空間到三維空間的變革，使基礎(chǔ)建筑信息數(shù)字化。目前，BIM主要應(yīng)用于建筑和結(jié)構(gòu)等專業(yè)，較少應(yīng)用與工程地質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。本文討論了BIM在工程地質(zhì)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，分析了傳統(tǒng)工程地質(zhì)設(shè)計(jì)與BIM工程地質(zhì)數(shù)字化設(shè)計(jì)方法和優(yōu)缺點(diǎn)；以及在引水隧洞設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例,為BIM在工程地質(zhì)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供了參考和借鑒。

BIM；工程地質(zhì)；數(shù)字化設(shè)計(jì)；三維模型

1　BIM的概念

BIM概念最早是由卡耐基麥隆大學(xué)的查理·伊斯特曼教授在1975提出的“建筑描述系統(tǒng)(Building Description System)”發(fā)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(shù)字技術(shù)，以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑三維模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。它具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點(diǎn)[1]。

BIM的作用在于可以在項(xiàng)目建造之前以數(shù)字化方式對(duì)其關(guān)鍵物理特征和功能特性進(jìn)行綜合探索；可以幫助提高項(xiàng)目交付速度、減少成本，并降低環(huán)境影響。借助BIM，設(shè)計(jì)人員可以在整個(gè)過程中使用協(xié)調(diào)一致的信息，可以更準(zhǔn)確的查看并模擬項(xiàng)目在現(xiàn)實(shí)世界中的外觀、性能和成本，還可以創(chuàng)建出更佳準(zhǔn)確的施工圖紙[2-4]。

2　BIM與工程地質(zhì)有機(jī)結(jié)合

2.1工程地質(zhì)設(shè)計(jì)的發(fā)展概況

解放以前，我國的工程地質(zhì)隸屬土木工程范疇，沒有建立獨(dú)立地質(zhì)工程學(xué)科。新中國建國后才有了長足的進(jìn)步和發(fā)展，形成了獨(dú)立的學(xué)科。至今，工程地質(zhì)勘察已成為工程建設(shè)中不可缺少的一個(gè)重要組成部分。工程地質(zhì)隨著建筑業(yè)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(fā)展；而三維技術(shù)的成熟，將進(jìn)行二次“信息革命”向三維化發(fā)展。水電行業(yè)自上世紀(jì)90年代以來，成都院、華東院、北京院等單位，在這方面進(jìn)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(zhì)團(tuán)隊(duì)正是應(yīng)用成都院開發(fā)的Geosmart地質(zhì)信息系統(tǒng)和Gocad水電地質(zhì)模塊，完成了玉瓦總承包項(xiàng)目的BIM應(yīng)用。

2.2BIM與專業(yè)地質(zhì)三維軟件的契合

BIM落實(shí)到水電地質(zhì)，其核心就是地質(zhì)信息的流轉(zhuǎn)和應(yīng)用，水電水利工程地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)類眾多，獲取手段不一，記錄格式、坐標(biāo)、描述的精細(xì)程度差異大。水電地質(zhì)BIM軟件應(yīng)以生產(chǎn)流程為主線，基本地質(zhì)條件為綱目，匯總各種勘測手段中的多元數(shù)據(jù)，圍繞五大地質(zhì)因素，按地質(zhì)屬性進(jìn)行分類，并與工程勘察階段、數(shù)據(jù)獲取手段及空間位置等眾多因素關(guān)聯(lián)，使得地質(zhì)數(shù)據(jù)變成“真正的數(shù)據(jù)信息”在生產(chǎn)過程中流動(dòng)起來，形成深度關(guān)聯(lián)又相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)中心。圍繞數(shù)據(jù)中心按不同需求構(gòu)建分析應(yīng)用系統(tǒng)，最終形成一體化的水利水電工程地質(zhì)設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水電水利工程地質(zhì)勘測全過程信息化。

作者目前使用的geosmart地質(zhì)信息系統(tǒng)能將所有地質(zhì)信息轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)信息，保存至數(shù)據(jù)中心庫；而Gocad三維制圖軟件能將geosmart地質(zhì)信息系統(tǒng)上傳至數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)直接提取，生成相應(yīng)的三維部件或模型，這與BIM根據(jù)建筑物相關(guān)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)模型完全契合。通過BIM工程地質(zhì)數(shù)字化設(shè)計(jì)生成BIM三維模型后，可以更直觀的查看各類地質(zhì)信息，模擬不同情況下地質(zhì)條件的變化、對(duì)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(zhì)數(shù)字化設(shè)計(jì)優(yōu)勢

傳統(tǒng)工程地質(zhì)設(shè)計(jì)弊端有：資料收集過程中存在填寫、編錄等不規(guī)范現(xiàn)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(shí)間長，不能直觀展示，修改繁瑣，一個(gè)部位的修改，將修改全部相關(guān)圖件。如遇特殊地質(zhì)情況等還需重新作圖分析，提出地質(zhì)成果慢等。

BIM工程地質(zhì)數(shù)字化設(shè)計(jì)優(yōu)勢：通過Geosmart地質(zhì)信息系統(tǒng)能保證收集資料的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化錄入。所有地質(zhì)人員錄入地質(zhì)資料均按同一標(biāo)準(zhǔn)輸入資料，某一項(xiàng)未填寫或填寫不正確、不規(guī)范均不能正常提交，保證資料錄入的完整性和規(guī)范性，并在流程系統(tǒng)中線上完成資料校核工作。而上傳到數(shù)據(jù)中心的資料不易丟失損壞，查看提取便捷。

因此，BIM工程地質(zhì)數(shù)字化設(shè)計(jì)三維模型就可通過Gocad三維制圖軟件直接提取數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)生成，BIM三維模型一但生成，所有基礎(chǔ)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(chǔ)數(shù)據(jù)，所有三維圖件和通過三維圖件生成的二維圖件均能自動(dòng)關(guān)聯(lián)資料進(jìn)行修改。技施階段隨著基礎(chǔ)資料更新，三維模型也能自動(dòng)完善，隨時(shí)都能提供最新的地質(zhì)成果。

3　BIM技術(shù)在玉瓦水電站中的應(yīng)用

3.1工程概況

玉瓦水電站位于白水江流域一級(jí)支流黑河上游，屬黑河～白水江水電規(guī)劃“一庫七級(jí)”開發(fā)的第二梯級(jí)電站，裝機(jī)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(guān)鍵線路工期。引水隧洞的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)將是工程地質(zhì)專業(yè)的工作重點(diǎn)及難點(diǎn)。

為了更加準(zhǔn)確的把控引水隧洞區(qū)的地質(zhì)條件，在地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施，以及做出準(zhǔn)確可靠的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。地質(zhì)專業(yè)對(duì)引水隧洞采用了BIM工程地質(zhì)數(shù)字化設(shè)計(jì)，招標(biāo)階段根據(jù)初期勘察地質(zhì)資料生成BIM三維模型，并且通過模型預(yù)測引水隧洞各段圍巖類別及比例。在技施階段根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際開挖揭示地質(zhì)條件更新修改模型。與招標(biāo)階段預(yù)測進(jìn)行對(duì)比，指導(dǎo)施工，對(duì)前期所預(yù)測的圍巖類別復(fù)核，做好地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

玉瓦水電站引水隧洞共設(shè)6條施工支洞，2014年12月4號(hào)支洞下游開挖遇到不良地質(zhì)洞段，規(guī)模不等的順層構(gòu)造破碎帶隨機(jī)發(fā)育，加之地下水異常豐富，圍巖類別為V類。受其影響，開挖進(jìn)尺緩慢，日平均進(jìn)尺不足1 m/天，已嚴(yán)重制約施工進(jìn)度。

根據(jù)已有BIM三維模型的數(shù)據(jù)資料顯示，該區(qū)域內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)大規(guī)模不良地質(zhì)洞段的不利因素，但不排除前期地質(zhì)資料匱乏造成的遺漏。為確保工程按期發(fā)電目標(biāo)的完成，開展了地質(zhì)復(fù)核工作，梳理制約工期的地質(zhì)因素，完善更新BIM三維模型。

3.2地質(zhì)資料收集

3.2.1開展地表調(diào)查

根據(jù)已有BIM三維模型地形圖，查勘該段區(qū)域內(nèi)的宏觀地形地貌。發(fā)現(xiàn)該區(qū)域可能存在一條軟弱巖帶和斷層。隨即制定調(diào)查線路，對(duì)推測的軟弱巖帶、斷層進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查、復(fù)核(見圖1)。

利用BIM三維模型能準(zhǔn)確、快速的從宏觀上判斷該區(qū)的宏觀地形地貌，目的明確的勘察可疑區(qū)域，不僅節(jié)省了大量時(shí)間，還減少了工作量。此次地表調(diào)查，現(xiàn)場地質(zhì)定點(diǎn)31個(gè)，區(qū)域內(nèi)未見明顯層位、產(chǎn)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(zhì)點(diǎn)相關(guān)信息錄入BIM三維模型。

圖1　地質(zhì)調(diào)查線路與地質(zhì)點(diǎn)三維模型

3.2.2綜合分析已開挖揭示地質(zhì)條件

根據(jù)已開挖揭示地質(zhì)條件綜合分析預(yù)測不良地質(zhì)洞段地質(zhì)特征。

在前期隧洞開挖過程中，收集到的地質(zhì)資料均已錄入Geosmart三維信息系統(tǒng)，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(tǒng)完整的展示，省去了大量資料查閱、整理時(shí)間，并能在三維圖形上直觀展示，便于地質(zhì)工作人員作出判斷。

3.2.3采用TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

此外，還對(duì)該不良地質(zhì)洞段做了TRT地震波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并將TRT預(yù)報(bào)檢測數(shù)據(jù)與三維模型關(guān)聯(lián)(見圖3)。

圖2　引水隧洞相關(guān)信息三維模型展示

圖3　 TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維模型

TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)檢測資料顯示：掌子面前方20 m范圍內(nèi)地震波反射不明顯，開挖面內(nèi)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(nèi)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(zhì)資料，集中展示在BIM三維模型上，所有資料相互關(guān)聯(lián)，通過模型系統(tǒng)分析該區(qū)域的地質(zhì)條件(見圖4)。

3.3.2空間分析結(jié)論及推測

該區(qū)域未見明顯層位、產(chǎn)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(qiáng)度低，抵抗構(gòu)造影響能力差，加之隨構(gòu)造發(fā)育的地下水影響，使本就破碎的巖體進(jìn)一步惡化，從而產(chǎn)生不良地質(zhì)洞段。在區(qū)內(nèi)大構(gòu)造不發(fā)育情況下，巖體的單層厚度及強(qiáng)度是影響圍巖穩(wěn)定好壞的主控因素。

利用BIM三維模型發(fā)現(xiàn)地表調(diào)查地質(zhì)點(diǎn)和隧洞開挖揭示的巖體單層厚度與產(chǎn)狀具備協(xié)調(diào)性，通過三維多點(diǎn)連線，直觀的推斷出該區(qū)域總體產(chǎn)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(zhì)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(yù)測和實(shí)際開挖揭示巖層厚度分界示意

3.3.3提出地質(zhì)建議及成果

根據(jù)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(gòu)造和地下水，圍巖地質(zhì)條件無明顯變化。如向山內(nèi)側(cè)調(diào)整洞軸線，以最短距離快速穿過該段薄層不良地質(zhì)洞段進(jìn)入中厚層巖層，距離只有230 m。

經(jīng)過多方商討決定采納地質(zhì)設(shè)計(jì)建議，調(diào)整洞軸線方向。隨后的開挖過程中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)三維模型推測的巖體單層厚度分層與實(shí)際開挖揭示的地質(zhì)條件一致，且厚度分層界線預(yù)測精度達(dá)到20 m以內(nèi)。進(jìn)入中厚層后，圍巖類別迅速由Ⅳ、Ⅴ類圍巖變?yōu)棰箢悋鷰r，之前的地質(zhì)結(jié)論：巖體的單層厚度及強(qiáng)度是影響圍巖穩(wěn)定好壞的主控因素，也得到了應(yīng)證。

因?yàn)锽IM工程地質(zhì)數(shù)字化設(shè)計(jì)，在遇到不良地質(zhì)情況發(fā)生時(shí)，及時(shí)的提出了相應(yīng)的地質(zhì)結(jié)論及建議。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，此次洞軸線調(diào)整，雖然洞軸線增加了52 m，但項(xiàng)目工期縮短5.1個(gè)月，投資節(jié)約186萬元。而期間BIM地質(zhì)數(shù)字化設(shè)計(jì)體現(xiàn)出的高效性、及時(shí)性、準(zhǔn)確性就不言而喻。

4　結(jié)　語

隨著傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)在工程地質(zhì)中的發(fā)展，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)日益突出。為了滿足更好的設(shè)計(jì)要求和更復(fù)雜的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)，BIM技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在建筑行業(yè)得到了極大的推廣和應(yīng)用，也取得了良好的效果。BIM技術(shù)在工程地質(zhì)設(shè)計(jì)中應(yīng)用尚屬起步階段，本文所提出的BIM工程地質(zhì)數(shù)字化設(shè)計(jì)望能在將來的工程地質(zhì)設(shè)計(jì)中得到推廣和應(yīng)用。

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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(zhì)勘察工作。

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