公路地質BIM建模原理與應用初探

趙飛

摘要：傳統(tǒng)的地質勘察是以點和線勘察為主。為了建立地質模型，則需對無勘察數(shù)據(jù)的區(qū)域進行插值。通過多種插值方法的對比分析，發(fā)現(xiàn)克里金法插值效果與實際地質趨勢最接近。但因實際地質條件復雜，并不能完全依賴插值解決，應通過不同的剖面繪制地質分界線來補充勘察數(shù)據(jù)，剖面間用插值連接，生成三維地質模型。地質模型的應用價值很多，如直觀反映地質信息、計算工程量、結構分析、優(yōu)化構筑物設計等。

Abstract： Traditional geological survey mainly focuses on dot and line. In order to establish geological model， interpolation is necessary in the areas lacking data. By analyzing and comparing various interpolation methods， Kriging interpolation method matches perfectly with the actual geological condition. However， the actual geological condition tends to be complicated， so only interpolation is not enough. In order to gain 3D geological model， the geological data needs to be supplemented by geological profile and the interpolation connects separate profiles. The values of the 3D geological model are numerous， for example， it reflects geological information directly， calculates engineering load， analyzes structure and updates the design of structures and so on.

關鍵詞：BIM技術;地質勘察;三維地質模型;克里金插值法

Key words： BIM technology;geological survey;3D geological model;Kriging interpolation method

中圖分類號：U412.22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）12-0173-03

0 ?引言

BIM（建筑信息模型）提出始于上世紀七十年代[1]，其基礎是工程項目的各項相關信息數(shù)據(jù)，利用數(shù)字信息仿真模擬構筑物所具有的真實信息[2]。近年來，BIM技術作為交通領域的一項重要技術手段已在相關工程中逐步展開，大多數(shù)設計院都開始利用BIM模型進行展示匯報，部分開始進行三維設計，三維分析和三維出圖等。

在公路的地質勘察中，相比傳統(tǒng)的二維勘察存在信息傳遞不暢，地質意圖表達不明確，資源調配不均勻，成果展示不直觀等問題。目前，基于BIM技術的三維地質建模國內外均未有完善的地質建模軟件，其發(fā)展還處于初期階段，而且地質數(shù)據(jù)多元化，建模要求不同，復雜地質體（斷層、透鏡體、背斜、向斜、溶洞等）形狀多樣，并且不規(guī)則，建模難度較大[3]。但BIM技術讓地質條件真實的數(shù)字化展現(xiàn)，地質模型不僅僅是一個三維圖形，更重要的是具有地質信息，讓地質體具有了生命[4]。因此，研究三維地質建模的原理及BIM技術在公路地質勘察中的應用是十分必要的，也是地質數(shù)據(jù)信息化的重難點。

1 ?建模理論原理

地質體及地質信息的表達即為三維地質模型，地質信息的來源是通過地質調查、地質勘探、試驗、物探等勘察手段，獲取的各種地質信息匯總。利用軟件將地質體的空間及地質信息三維的表達即為三維地質建模。

截至目前，關于三維地質建模理論方法的研究已經有七十年的歷程，地質信息模型的空間數(shù)據(jù)格式也有二十種左右。有資料顯示，當前采用最多的是依據(jù)鉆孔地質數(shù)據(jù)，輔助地質調查資料建立三維地質模型。其中最關鍵的內容是利用點、線的地質數(shù)據(jù)建立三維地質面，但點和線是不能直接生成面，需要科學的空間插值[5]。

空間數(shù)據(jù)插值即為對一組已知的空間數(shù)據(jù)，根據(jù)某種函數(shù)關系式推求區(qū)域范圍內其他任意位置的數(shù)據(jù)值，主要目標是對不足或缺失數(shù)據(jù)進行估計。目前常見的空間插值算法有距離倒數(shù)加權插值算法、趨勢面插值法、泰森多邊形插值、移動平均法、三角網(wǎng)線性插值法及克里金插值法等，幾種插值算法的優(yōu)劣見表1[6]。

根據(jù)表1可知，克里金算法適用范圍最廣，最適合應用于復雜地質模型的建立?？死锝鹚惴ǖ拿麃碇聊戏墙鸬V工程師丹尼·克里格（Danie G. Krige），以紀念其使用回歸方法對空間場進行預測的開創(chuàng)性研究[7]?？死锝鸱ǎ↘riging）是依據(jù)協(xié)方差函數(shù)對隨機過程/隨機場進行空間建模和預測（插值）的回歸算法。在特定的隨機過程中，其能夠給出最優(yōu)線性無偏估計，因此在地統(tǒng)計學中也被稱為空間最優(yōu)無偏估計器（spatial BLUP）。

在三維坐標系中，假設已知點（x0，y0，z0），插值目標點（x*，y*）已知，z*值為需計算預估值，按公式（1）表示，其中λi為權重系數(shù)，Z（xi）為預估點附近的已知樣本，Z*（x）為預估z*值，把預估值問題轉化為求解權重系數(shù)，需滿足兩個穩(wěn)定條件式（2）和（3）。

通過以上克里金插值法，并用方差控制插值精度，可預估出三維地質面構建需要的數(shù)據(jù)點，解決地質數(shù)據(jù)不足的問題[3]。

2 ?建模方法及應用

2.1 實現(xiàn)方法

為了建立三維模型，必須先建立三維地面模型，一般采用已有的地形圖建立基礎地面模型，為了提高建模精度，可采用航測測量技術，生成高精度的地面模型，疊加衛(wèi)星影像或航空影像生成最終的三維地面模型。

如圖1，根據(jù)已有的地質基礎數(shù)據(jù)，建立三維地質面，利用面剪切體來生成地質體，最終生成三維地質模型。

2.2 三維地質模型建立

目前，部分地質軟件可根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)快速生成三維地質模型，不需人為干預，其現(xiàn)實的基本原理是根據(jù)鉆孔地層分層數(shù)據(jù)，采用相鄰鉆孔數(shù)據(jù)通過插值算法連接實現(xiàn)[8]。該方法僅能適用于地形條件好，巖土體成層性好，地層簡單的工程，如東部沿海、平原、盆地等地帶。對于西部高山峽谷地帶，地層多樣，層面走向變化大，構造復雜，在建立三維地質模型時，應人為的控制地層分界的走向和趨勢。其適應性不夠，特別是不適用于地形地貌及地質條件復雜的地區(qū)。

為了解決自動生成地質面的不足，建立三維地質模型應主要通過不同的剖面繪制地質分界線，通過剖面控制地層的走向（如圖2），剖面之間通過克里金（kriging）插值方法連接，生成每層地層的地層面。最后通過地層面切割三維實體生成三維地質模型（圖3）。

2.3 模型應用

三維地質模型不僅僅是一個模型，還含有豐富的地質信息，包括地層巖性、地層年代、構造信息、巖土體力學參數(shù)、工程量等多種數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)，能體現(xiàn)其多方面的價值。三維地質模型具有GIS信息，能與其他專業(yè)共享，與構筑物融合，指導優(yōu)化設計，在多方面體現(xiàn)模型的價值，列舉部分應用如下。

①直觀反映地質信息（如圖4），能讓地質表達不再是一句話，一張二維圖，讓其更直觀立體，讓人站在地質體內觀察地質情況。

②工程算量，傳統(tǒng)的工程量計算都是估算，特別是不規(guī)則體的計算，基本是先把不規(guī)則體近似簡化為規(guī)則的體，再計算其工程量，這是不能準確的計算工程量，有時還會存在較大的誤差。現(xiàn)在每個地質體均有準確的體積（如圖5），能很準確的計算出地質體的工程量[9]。

③結構分析，將三維模型文件直接存成MODEL文件，導入ANSYS中劃分網(wǎng)格，模型含有豐富的物理力學參數(shù)（如圖6），利用參數(shù)進行地質體穩(wěn)定性、安全性分析，指導設計。

④施工模擬，將地質模型按照施工順序切分成單獨的地質體，可實現(xiàn)隧道開挖模擬，指導隧道的施工。

⑤優(yōu)化構筑物設計，將三維地質模型與橋梁、隧道等構筑物疊合（如圖7和圖8），能很好的反映橋梁、隧道等構筑物的地質條件，特別是反映二則的關系，則可以優(yōu)化隧道支護設計及校核橋梁樁基設計等。

3 ?展望

三維地質模型不僅是一個模型，將地質數(shù)字化，讓其具有了生命，應用價值廣泛，今后還將進一步挖掘其在工程建設和運維全生命周期的應用。

參考文獻：

[1]Fazio P. IFC-based framework for evaluating total performance of building envelopes[J]. Journal of Architectural Engineering， 2007，13 （1）： 44-53.

[2]秦海洋.BIM在隧道設計中的應用現(xiàn)狀與展望[J].公路，2016（11）：174-175.

[3]周福軍.鐵路工程地質BIM建模技術與應用初探[J].鐵道建筑技術，2016（11）：106-107.

[4]王志杰.BIM技術在鐵路隧道設計中的應用[J].施工技術，2015（18）：59-60.

[5]劉義勤.服務于鐵路BIM設計的三維地學模擬技術研究[J].鐵道工程學報，2016 （1）：1-4.

[6]崔清松.空間插值算法在地質建模中的應用[D].成都：西南石油大學，2010，8.

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[8]劉娜.基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質空間插值方法對比研究[J].地震研究，2008 （31）：619-620.

[9]王麗園.基于BIM的公路勘察設計與實踐[J].中外公路，2016（3）：343.