BIM設(shè)計在巖溶勘察中的應(yīng)用

徐德敏*，陳春文

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BIM設(shè)計在巖溶勘察中的應(yīng)用

徐德敏*，陳春文

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都，610072）

BIM的概念和技術(shù)多被用在建筑工程行業(yè),近幾年來，在水電工程中也普遍得到應(yīng)用，但相關(guān)文獻較少。本文就巖溶勘察采用BIM設(shè)計手段，對原始數(shù)據(jù)采集、三維數(shù)字建模、溶洞空間分布特征、工程處理措施等全生命周期進行了系統(tǒng)介紹。采用三維數(shù)字建模，直觀地揭示了溶洞分布的具體位置、規(guī)模，提出了解決方案，為BIM設(shè)計技術(shù)在水電工程的推廣應(yīng)用，提供了可以借鑒的案例。

建筑信息模型（BIM）；Geo Smart；GOCAD；巖溶塌陷；等值線圖

引言

BIM（Building Information Modeling）是基于三維數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)之上以實現(xiàn)提升建筑工程產(chǎn)業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)質(zhì)量和效率為目的的系統(tǒng)工程技術(shù)，它集成了項目參與各方對項目賦予的信息，它涵蓋了從項目策劃、設(shè)計、施工、運營維護直至拆除全生命周期內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，其核心內(nèi)容是三維、信息以及過程。工程中常采用單一的三維數(shù)字建模技術(shù)[1～2]，而包含數(shù)字信息系統(tǒng)BIM技術(shù)的運用相對較晚，姚遠在2011年時對BIM協(xié)同設(shè)計現(xiàn)狀進行了較為全面闡述[3]，該技術(shù)首先應(yīng)用于房屋建筑中，肖良麗等對其在建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢進行了論述[4]，在水電工程和其他工程項目的運用也得到越來越多的應(yīng)用[5、6]。本文結(jié)合猴子巖營地災(zāi)害治理，對BIM技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用提供可以借鑒的范例。

猴子巖水電站業(yè)主營地是一套冰水堆積形成的臺地，在緊鄰營地對外交通公路水泥路面路基于2015年9月發(fā)生了巖溶塌陷，形成了一個地表直徑約8～9m（下部直徑2～3m），深度30～40m塌陷坑，塌陷坑內(nèi)回填石渣100余車，約1500m3。為確保業(yè)主營地及周邊人員、建筑物安全，需對巖溶地質(zhì)災(zāi)害進行工程治理。目前共完成鉆孔15個，物探瞬變電磁剖面9條，高密度電法剖面4條。

1 設(shè)計過程

Geo Smart（水電水利工程地質(zhì)信息管理系統(tǒng)）平臺是由中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司地質(zhì)處自主研發(fā)的BIM操作平臺，該系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，承擔(dān)著工程地質(zhì)三維設(shè)計系統(tǒng)的原始地質(zhì)資料、地質(zhì)分析成果的管理及系統(tǒng)對外數(shù)據(jù)交流，分為數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)錄入、基礎(chǔ)地質(zhì)及工程地質(zhì)初步分析、常用地質(zhì)報表輸出、GOCAD對象創(chuàng)建及輸出、地質(zhì)分析成果等的管理功能。進入該系統(tǒng)的基礎(chǔ)界面如圖1所示：首先，將所有勘探信息永久錄入到工程地質(zhì)信息管理系統(tǒng)中，包括工程信息、勘探布置、原始地質(zhì)資料，并將數(shù)據(jù)同步到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中，形成同一項目中所有人都可以隨時調(diào)用的共用地質(zhì)資料，并在此基礎(chǔ)上對基礎(chǔ)地質(zhì)資料進行解析分析；因為保存在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中，隨時都可以快捷調(diào)用相關(guān)地質(zhì)資料信息，包括巖芯照片、最初的地質(zhì)編錄及其相關(guān)責(zé)任人。然后，在工程地質(zhì)三維解析系統(tǒng)中，打開GOCAD三維建模軟件，調(diào)用解析成果，進行數(shù)字建模，并將三維模型發(fā)布到網(wǎng)上形成可以共同調(diào)用使用的部件，用于勘察、設(shè)計當中去。最后，在工程地質(zhì)綜合應(yīng)用系統(tǒng)中，可以查詢相關(guān)工程信息、相關(guān)建模成果與原始地質(zhì)資料相關(guān)聯(lián)等信息。

圖1 Geo Smart工程地質(zhì)三維設(shè)計系統(tǒng)

2 GOCAD三紡動態(tài)分析

GOCAD（Geological Object Computer Aided Design）三維可視化軟件具有建模容易、易于更新等顯著優(yōu)點，它采用離散平滑內(nèi)插方法(Discrete Smooth Interpolation，簡稱 DSI)作為核心技術(shù)，將離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)曲面，建立巖土體的三維模型，逼真地反映地質(zhì)體的全貌，直觀展示各地質(zhì)單元間的空間關(guān)系和因果關(guān)系。

采用常規(guī)二維作圖，將縱、橫剖面相同地質(zhì)線條導(dǎo)入三維，無法擬合在同一個平面上（圖2）。這是因為，雖然二維縱、橫剖面某一地質(zhì)界線相交點可以保證在同一平面，但其他點只能根據(jù)相鄰鉆孔資料及地質(zhì)經(jīng)驗從單個剖面畫出剖面線趨勢。把這些經(jīng)過校核審查過的二維剖面線導(dǎo)入三維，就得到圖2的情況，圖中兼顧了各個剖面地質(zhì)界線，加上鉆孔控制點也完全鎖定地質(zhì)界面（而二維情況，鉆孔若未在剖面線上，其控制點資料只能間接引用），最終形成最合理的地質(zhì)界面。因此，利用GOCAD三維建模，可以更直觀、準確地分析由勘探點控制的地質(zhì)界面的空間走勢。利用其自帶的二維切圖功能，可以快速、高效完成所需要的任意地質(zhì)圖件。

圖2 最終的常規(guī)作圖曲線在GOCAD三維曲面上的相對關(guān)系

根據(jù)已有鉆探和物探資料，結(jié)合地質(zhì)踏勘測繪資料（圖3），做出地質(zhì)體空間分布特征（圖4），在對外公路區(qū)下游側(cè)黃店子組（Pth）斑狀流紋巖地層中未發(fā)現(xiàn)有溶蝕現(xiàn)象。研究區(qū)基巖溶蝕現(xiàn)象表現(xiàn)為溶孔溶隙和溶洞現(xiàn)象，巖溶塌陷主要是由基巖中的溶洞坍塌所引起的，溶洞在業(yè)主營地區(qū)僅在靠近支溝側(cè)YKZ15鉆孔揭示有溶洞分布（表1），溶洞頂板埋深較大；其他在對外公路區(qū)的6個鉆孔揭示溶洞分布（表1）范圍相對較大，埋深較淺，所以導(dǎo)致巖溶塌陷。

表1 地下溶洞鉆探資料統(tǒng)計表

Tab.1 Underground karst cave drilling data statistics

圖3 業(yè)主營地及對外交通公路巖溶塌陷及地層分界

3 溶洞分布特點及工程治理

研究區(qū)范圍在業(yè)主營地區(qū)溶洞頂板埋深一般80～120m，在對外交通公路區(qū)埋深一般30～50m（圖5）。因在營地區(qū)溶洞埋深整體較大，不易產(chǎn)生巖溶塌陷，且分布范圍有限，對營地房屋建筑影響不大。在大渡河下游側(cè)公路段無溶蝕現(xiàn)象，在對外交通公路接近營地段溶蝕現(xiàn)象僅以溶孔溶隙為主要特點。受前震旦系黃店子組（Pth）巖層控制，溶洞分布區(qū)集中在進業(yè)主營地第一個之字形轉(zhuǎn)彎南北方向YKZ01、YKZ04、YKZ06號鉆孔區(qū)域，溶洞發(fā)育向坡外東北方向逐漸變厚，厚度一般30～50m（圖6），相應(yīng)溶洞頂板埋深較淺，一般20～40m（圖5），兩次巖溶塌陷即發(fā)生在該區(qū)域附近。

坡體上有生活用水管路通過，存在水管破裂導(dǎo)致水流下滲，對地基穩(wěn)定不利的隱患；公路過往車輛較多，震動荷載的增加，有可能破壞巖溶的支撐結(jié)構(gòu)，有產(chǎn)生再次塌陷的可能，因此，需對該區(qū)域段溶洞分布區(qū)進行工程處理。溶洞分布底板高程一般1680～1720m（圖6），結(jié)合勘探揭示溶洞分布空間特點，有針對性增加必要鉆探，并以揭穿該區(qū)域溶洞底板高程為控制。在查清溶洞分布具體范圍后，采用避開溶洞頂板埋深較淺區(qū)域?qū)⒐犯木€，并采用局部碎石樁支撐等手段，進行巖溶塌陷災(zāi)害防治。

4 結(jié)束語

通過采用BIM設(shè)計，認為對外交通公路區(qū)溶洞分布區(qū)需進行工程處理，處理范圍主要集中在進業(yè)主營地第一個之字形轉(zhuǎn)彎附近南北方向YKZ01、YKZ04、YKZ06號鉆孔區(qū)域。

BIM設(shè)計具有數(shù)字化、可視化、多維化、協(xié)同性、模擬性等特點，并貫穿設(shè)計、施工、運行等各個階段?；跀?shù)據(jù)中心的巖溶勘察與分析一體化技術(shù)，實現(xiàn)了地質(zhì)信息的一體化存儲和交換，信息完整；三維設(shè)計直觀、快捷，成果精度高，提高了工程地質(zhì)分析評價的合理性；地質(zhì)屬性及地質(zhì)分析過程完整記錄，設(shè)計成果可快速追溯。三維建模不是簡單的數(shù)字模擬，而是三維空間的精確作圖。通過GOCAD建模，可快速、準確組建工程地質(zhì)體的地層、巖性、構(gòu)造、物理地質(zhì)現(xiàn)象等的具體分布數(shù)字模型，實現(xiàn)了三維空間地質(zhì)分析、數(shù)據(jù)庫管理、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，快速批量二維切圖；提高了地質(zhì)測繪、勘探工作的針對性，節(jié)約了大量鉆探工作量。巖溶勘察BIM設(shè)計縮短勘察周期約180天，節(jié)約成本約300百萬元；該技術(shù)的應(yīng)用，推動了地質(zhì)勘察設(shè)計全生命周期信息化的應(yīng)用空間和發(fā)展前景。

[1] 張杰, 武枝. 基于GOCAD的煤礦三維地質(zhì)建模分析[J]. 應(yīng)用技術(shù), 2015, (12). 112-113.

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[3] 姚遠. BIM協(xié)同設(shè)計的現(xiàn)狀[J]. 四川建材, 2011, 37(001): 193-194. (Yao yuan. Present Situation of the BIM Collaborative Design[J]. Sichuan Building Materials, 2011, 37(001): 193-194.

[4] 肖良麗, 等.淺析BIM技術(shù)在建筑工程設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計, 2013(1): 74-77. (General Advantage Analysis of BIM Technology Application in Structure Design[J]. Construction & Design For Project. 2013(1):74-77.

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BIM Design Application In Karst Survey

XU Demin*, CHEN Chunwen

（Chengdu Engineering Corporation Limited of Power China, Sichuan Chengdu, 610072, China）

The concept and technology of BIM are usually used in the architectural engineering, in recent years, they are also widely used in hydropower engineering, but the published papers are less. Using the BIM design method, the whole life cycle of Karst survey including original data acquisition, 3 d digital modeling, cave space distribution characteristics, engineering treatment measures, etc is systematically introduced in this paper. Using 3 d digital modeling, intuitively revealed the location and scale of karst cave distribution, and put forward the solution. It provides a meaningful instance for the BIM design technology in the application of hydropower project.

Building information model (BIM); Geo Smart; GOCAD;Karst collapse; Contour map

徐德敏, 陳春文. BIM設(shè)計在巖溶勘察中的應(yīng)用[J]. 數(shù)碼設(shè)計, 2017, 6(5): 176-178.

XU Demin, CHEN Chunwen. BIM Design Application In Karst Survey[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 176-178.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.072

TU195

A

1672-9129(2017)05-0176-03

2017-01-19；

2017-01-27。

徐德敏（1971-），男，遼寧大連人，博士，高工，主要從事水電工程勘測設(shè)計。E-mail: 775325304@qq.com