基于BIM的隧道工程勘察地形模型構(gòu)建

(上海地礦工程勘察有限公司,上海 200072)

1 引言

近年來BIM技術(shù)因其技術(shù)優(yōu)勢，在建筑業(yè)中如火如荼的高速發(fā)展。與建筑業(yè)不同，隧道工程有帶狀分布、與地形地質(zhì)關(guān)系密切等獨特的特征，以至于BIM技術(shù)在隧道工程發(fā)展較為遲緩。又因其獨有的特征特性，建筑業(yè)成熟的BIM技術(shù)不能完全應(yīng)用于隧道工程，因此探索BIM技術(shù)的在其領(lǐng)域的發(fā)展是十分必要的。

而建模是BIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，針對隧道工程模型的構(gòu)建，前人已經(jīng)有了一些探索，如在紫之隧道工程中以Bentley Microstation R 系列軟件作為軟件平臺，根據(jù)勘探資料的數(shù)據(jù)坐標(biāo)建了地形地質(zhì)模型，及根據(jù)設(shè)計施工圖構(gòu)建隧道結(jié)構(gòu)模型[1]； 魏清武[2]探索了BIM 技術(shù)在地鐵隧道工程施工中的應(yīng)用，其地質(zhì)模型模型是根據(jù)地形數(shù)據(jù)及地質(zhì)測繪資料構(gòu)建，其隧道建筑模是根據(jù)施工圖設(shè)計資料構(gòu)建； 在港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道項目中，其項目模型是用Autodesk Revit軟件，根據(jù)地質(zhì)勘察單位提供的地形圖、建構(gòu)筑物、管線等資料建造構(gòu)建的[3]； 李君君等[4]針對地鐵鐵路隧道三維設(shè)計進行了一些技術(shù)研究，并以CATIA軟件為平臺，構(gòu)建了隧道建筑模型； 在石鼓山隧道附屬洞室項目中，其模型的建立同樣以CATIA軟件為平臺，實現(xiàn)隧道建筑模型的參數(shù)化設(shè)計[5]； 結(jié)合前人對隧道工程三維模型設(shè)計的研究發(fā)現(xiàn)，隧道建筑模型可以借鑒建筑業(yè)BIM成熟技術(shù)實現(xiàn)模型的參數(shù)化，而地質(zhì)模型的構(gòu)建大多停留在依據(jù)勘測單位測量數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，而這樣子構(gòu)建的地質(zhì)模型并未與當(dāng)前普遍采用的地質(zhì)鉆孔相聯(lián)系，這導(dǎo)致地質(zhì)模型與地質(zhì)鉆孔勘察相脫節(jié)[6]。

針對地質(zhì)模型與地質(zhì)鉆孔勘探脫節(jié)的問題，本文對隧道工程三維模型設(shè)計進行了一些可行性的探索，部分的解決了模型與勘探脫節(jié)的問題。

2 工程地質(zhì)勘探簡述

工程地質(zhì)鉆探是指在地表通過鉆孔機械鉆進地層，取出相當(dāng)深度地層內(nèi)的土樣，以便工程地質(zhì)人員直接深入地下了解有關(guān)地質(zhì)現(xiàn)象或進行實驗等。

工程地質(zhì)鉆探，首先根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，依據(jù)相關(guān)規(guī)范確定鉆孔的位置、深度及數(shù)量，然后根據(jù)要求選擇合適的鉆機鉆頭進行現(xiàn)場取樣(如圖1)，并做好現(xiàn)場取樣記錄，最后根據(jù)現(xiàn)場取得的土樣進行相關(guān)實驗測出土樣的特性，并根據(jù)實驗結(jié)果做出相應(yīng)地質(zhì)剖面圖。

圖1 現(xiàn)場取樣圖

3 地質(zhì)模型的構(gòu)建

3.1 建模前準(zhǔn)備

由于地質(zhì)鉆探實驗數(shù)據(jù)結(jié)果較為接近實際情況，對于構(gòu)建地質(zhì)模型仍非常復(fù)雜，如果按照實驗結(jié)果數(shù)據(jù)建模非常困難，所以要根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖簡化各層土的性質(zhì)，以便構(gòu)建數(shù)據(jù)模型。簡化的依據(jù)是根據(jù)土層剖面線坡度相近的曲線做擬合直線，如果情況頗為復(fù)雜的也可以根據(jù)擬合的直線再做擬合，最后達到一個較為合理的圖層剖面線，以便于模型的構(gòu)建。

3.2 建模平臺的選擇

BIM核心建模軟件可以分為設(shè)計類建模軟件和施工類建模軟件。其中主流的核心軟件主要包括Autodesk公司的revit相關(guān)BIM系列軟件、Bentley相關(guān)BIM的系列軟件及達索和Tekla的BIM系列軟件等[7]。各建模軟件都有各自的優(yōu)劣點，在實際建模平臺的選擇中應(yīng)依據(jù)項目自身的特點，結(jié)合各建模軟件的優(yōu)點進行合理選擇建模平臺。本文中是以Autodesk公司的revit為建模平臺，因為revit軟件比較易上手且界面友好，又具備良好的數(shù)據(jù)開發(fā)性能。

3.3 建模分析

隧道工程施工一般在整個地層下作業(yè)，且隧道結(jié)構(gòu)呈扁平狀狹長的分布于地層中，受環(huán)境影響較大?？紤]到這些因素，隧道地質(zhì)模型的構(gòu)建同樣存在相當(dāng)復(fù)雜的情況，為了讓地質(zhì)模型數(shù)據(jù)既能夠接近地質(zhì)鉆探實驗數(shù)據(jù)，又能夠便于構(gòu)建地質(zhì)模型，在模型三維設(shè)計時，宜在水平方向采用分段建模的方式構(gòu)建模型，分段的方式應(yīng)依據(jù)地質(zhì)鉆探剖面圖數(shù)據(jù)，選擇斷面宜在斷層或環(huán)境較為復(fù)雜的地方，因為在斷面交界處模型區(qū)域不屬于常規(guī)模型，按照常規(guī)方法構(gòu)建模型較為困難。通過分段建模的方式提高了建模效率，各段完成模型構(gòu)建后，通過項目基點和測量點進行各段精確合模，最后完成整個地址模型的構(gòu)建。

模型在不斷構(gòu)建的過程中，模型數(shù)據(jù)也會隨之不斷增加，在此過程中對這些數(shù)據(jù)進行規(guī)范的管理顯得尤為重要，所以在設(shè)計模型的時候，應(yīng)該根據(jù)項目對模型數(shù)據(jù)的需求設(shè)計相應(yīng)的建模規(guī)范，如“xxx項目—A0-01-d(距離)”代表xxx項目在A0斷標(biāo)號01層距離斷面正方向(根據(jù)地質(zhì)走向統(tǒng)一規(guī)定)的距離d，這樣命名當(dāng)數(shù)據(jù)存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫時，可以方便快捷的查詢相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時也便于模型的維護。通過建模的分析，隧道工程建模一般流程如圖2所示。

圖2 建模流程圖

3.4 模型的構(gòu)建

3.4.1 生成等高線

依據(jù)勘測單位提供的大地高程點數(shù)據(jù)文件，應(yīng)用建模平臺中的體量和場地功能模塊，通過導(dǎo)入創(chuàng)建中的指定點文件(如圖3)，將大地高程點數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入建模軟件中，在軟件中生成的等高線，并通過簡化表面功能調(diào)節(jié)表面精度，以適應(yīng)建模的要求。

3.4.2 處理生成等高線數(shù)據(jù)

由于生成的等高線數(shù)據(jù)體量比較龐大，為了適應(yīng)普通計算機硬件要求和建模效率，進行分段建模。本文根據(jù)軟件生成的等高線(如圖4)，取等高線圖中紅線圈住區(qū)域部分，來演示地形建模過程。處理過的等高線(如圖5)，直接將其導(dǎo)出為CAD格式中的DNG格式。

圖3 導(dǎo)入高程點數(shù)據(jù)示意圖

圖4 根據(jù)高程點生成的等高線地形圖

根據(jù)建模的要求，地形模型主要依據(jù)生成的等高線文件，在體量中構(gòu)建地形模型。打開軟件平臺中的體量，將導(dǎo)出的DNG文件，根據(jù)原點對原點的方式導(dǎo)入體量之中； 首先在體量中根據(jù)導(dǎo)入的登高線建立等高線標(biāo)高(如圖6)； 然后將導(dǎo)入的DNG登高線文件，在體量中部分分解，而被分解后的等高線，都被映射到同一標(biāo)高平面上來，再將這些分解后的等高線，根據(jù)等高線標(biāo)高正確的放置每一條等高線位置(如圖7)，最后將DNG登高線文件再次導(dǎo)入體量中，以校正放置的等高線位置是否正確。

圖5 紅色區(qū)域等高線地形圖地形圖

圖6 等高線標(biāo)高構(gòu)建圖

圖7 分解后等高線定位圖

3.4.3 構(gòu)建地形模型

根據(jù)地質(zhì)鉆探剖面圖，確定每個等高線高差間的地層剖面位置。在體量中選擇兩條等高線，隱藏掉其他等高線，以便于繪制圖形。根據(jù)鉆孔位置圖，在體量中繪制參照平面。在參照平面中，依據(jù)地質(zhì)鉆探剖面圖在兩個等高線高差間繪制地層剖面線(圖8)。根據(jù)地層剖面線繪制包裹等高線的空心圖形，然后根據(jù)兩等高線生成實體模型，最后用剪切工具剪切出地層實體(圖9)。通過以上方法依次根據(jù)登高線繪制各地層模型，并在各地層上給予相應(yīng)的參數(shù)信息(圖10)，以便于查詢。同此方法，其他等高線地形也可以在體量中構(gòu)建，將構(gòu)建的各地質(zhì)模型根據(jù)項目基點和測量點合模，然后將整個地形模型連接起來。應(yīng)用此方法構(gòu)建地質(zhì)模型，對于解決地質(zhì)模型與地質(zhì)鉆孔勘探脫節(jié)的問題，提供了一種新的方法與思路。

圖8 在等高線間繪制地層剖面線

圖9 繪制等高線底層實體圖

圖10 給各地層添加參數(shù)信息

4 結(jié)語

本文針對于地質(zhì)模型在構(gòu)建過程中存在的與地質(zhì)鉆孔勘探脫節(jié)的問題，提供了一種解決方案。通過該方案，雖然不能完全解決各種地質(zhì)條件下的地質(zhì)模型構(gòu)建存在的問題，但對于一般的地質(zhì)情況條件下地形模型的三維設(shè)計，依然有很好的參考價值。

通過該方案雖然能夠解決信息脫節(jié)的問題，但建模過程復(fù)雜，效率較慢。根據(jù)這些問題，可以參考該三維建模方法，對revit建模平臺進行二次開發(fā)，將復(fù)雜的建模過程進行優(yōu)化，以簡化建模過程和提高建模的效率。

[1] 鄭楠, 陳沉. BIM技術(shù)在大型城市隧道工程——紫之隧道中的應(yīng)用初探[J]. 土木建筑工程信息技術(shù), 2016, 8(05):65-70.

[2] 魏清武. BIM技術(shù)在地鐵隧道工程施工中的應(yīng)用簡述[J]. 工程技術(shù), 2016,(11):114-118.

[3] 黃杰,王欣南. BIM技術(shù)在港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道中的應(yīng)用[J]. 武漢勘察設(shè)計,2015,(06):41-44.

[4] 李君君, 李俊松, 王海彥. 基于BIM理念的鐵路隧道三維設(shè)計技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2016, 53(1):6-10.

[5] 馬婷婷,吳林,李麗. 石鼓山隧道附屬洞室BIM三維建模設(shè)計應(yīng)用[J]. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新,2014,(5):59-63.

[6] 戴林發(fā)寶. 隧道工程BIM應(yīng)用現(xiàn)狀與存在問題綜述[J/OL]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè),2015,59(10):99-102.

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