服務(wù)于地鐵施工的三維地質(zhì)模型快速構(gòu)建方法

(中鐵科學(xué)研究院有限公司，成都 611731)

引言

從上個(gè)世紀(jì)70年代三維地質(zhì)建模的提出和應(yīng)用以來，隨著三維地質(zhì)建模理論和技術(shù)的成熟，地質(zhì)體三維建模方法[1-3]和軟件[4-8]大量涌現(xiàn)。但是這些三維建模路線均需要大量數(shù)據(jù)和復(fù)雜算法，最終做出來的地質(zhì)模型成果較為精確； 但施工單位沒有足夠豐富的數(shù)據(jù)和精力去用于建模。因此基于施工單位實(shí)際獲取數(shù)據(jù)情況，探索一套需求數(shù)據(jù)少、建模快速、適用于地鐵施工單位模型應(yīng)用需求的三維地質(zhì)模型建模方法很有必要。

AECOsim Building Designer(簡稱ABD)軟件ABD是Bentley公司在MicroStation的基礎(chǔ)上開發(fā)了一系列應(yīng)用模塊而來。早期Bentley軟件制作信息模型并沒有一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)，而是各個(gè)應(yīng)用模塊通過基礎(chǔ)平臺(tái)MicroStation、信息架構(gòu)平臺(tái)Triforma來創(chuàng)建三維信息模型，三者是相對(duì)獨(dú)立也有一定的組合關(guān)系，版本之間也是有兼容性問題的。后來，各個(gè)應(yīng)用模塊逐漸與Triforma融合，慢慢衍變成現(xiàn)在的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式Part+DataGroup，其中DataGroup定義BIM對(duì)象是什么，Part定義BIM對(duì)象長什么樣子，其中Part概念就是來源于Triforma。在2012年Bentley推出新一代的AECOsimBD，它將原來的許多設(shè)計(jì)模塊結(jié)合在一起，圖形平臺(tái)和專業(yè)設(shè)計(jì)模塊結(jié)合更加緊密。為使用者提供了一個(gè)整合、集中、統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境，可以完成多個(gè)專業(yè)從模型創(chuàng)建、圖紙輸出、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、碰撞檢測(cè)、數(shù)據(jù)輸出等整個(gè)工作流程。更加完美地解決行業(yè)需求，讓多個(gè)專業(yè)之間的協(xié)同工作更加無縫。

1 三維地質(zhì)快速構(gòu)建方法

三維地質(zhì)建模中將原始數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩類，空間數(shù)據(jù)用于建立幾何模型，用于模型的空間三維形態(tài)展示，作為屬性數(shù)據(jù)的載體； 屬性數(shù)據(jù)用于建立數(shù)據(jù)庫，用于模型的各種應(yīng)用分析的基礎(chǔ)。幾何模型和數(shù)據(jù)庫的建立形成三維幾何信息模型通過可視化展現(xiàn)給用戶，有助于用戶更加真實(shí)、直觀地認(rèn)識(shí)各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)，輔助解決各類地質(zhì)施工問題。三維地質(zhì)信息模型如圖1所示。

圖1 三維地質(zhì)流程圖

1.1 建立地形模型

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)地形底圖(*.dwg、*.DGN等二維圖紙)中所有高程點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理，使所有高程點(diǎn)在同一圖層中。當(dāng)?shù)匦螆D中高程點(diǎn)的Z坐標(biāo)值文字標(biāo)注不一致時(shí)，無法生成符合實(shí)際情況的模型，此時(shí)需要對(duì)圖紙中高程點(diǎn)的Z坐標(biāo)進(jìn)行手動(dòng)處理，使其與圖紙的文字標(biāo)注相符。

(2)創(chuàng)建地形模型

新建文件，導(dǎo)入預(yù)處理好的地形圖，參考地形圖時(shí)注意統(tǒng)一坐標(biāo)系和比例尺。創(chuàng)建過濾選擇，選擇高程點(diǎn)，進(jìn)行插值和擬合[9-10]生成地形模型如圖2。

圖2 地形模型

1.2 建立三維地質(zhì)模型

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

圖3 地層面建立流程

將地質(zhì)剖面圖參考進(jìn)文件，處理剖面圖在垂直方向和水平方向上的比例尺，使兩個(gè)方向的縮放比例相同。旋轉(zhuǎn)剖面圖，使其豎直方向與軟件內(nèi)的Z軸平行。參考總平面圖，調(diào)整坐標(biāo)和統(tǒng)一比例尺，在軟件內(nèi)的xOy平面內(nèi)將剖面圖沿線路走向進(jìn)行平移，將xOy平面內(nèi)將鉆孔點(diǎn)處地層分界線與鉆孔點(diǎn)相交點(diǎn)移動(dòng)至總平面圖上對(duì)應(yīng)的鉆孔點(diǎn)處，與總平面位置相對(duì)應(yīng)。

(2)生成地質(zhì)層面

首先創(chuàng)建地質(zhì)圖層，使得每種地質(zhì)層有對(duì)應(yīng)的圖層，然后使用創(chuàng)建智能線功能繪制地層分界線，不同的地層分界線使用不同的圖層創(chuàng)建，在鉆孔處繪制地層分界線時(shí)做打斷處理。地層分界線繪制完畢后，使用自動(dòng)創(chuàng)建復(fù)雜多邊形命令，連接相同地層分界線形成地層面。如圖3所示。

(3)實(shí)體地質(zhì)模型建立

將創(chuàng)建的復(fù)雜多邊形進(jìn)行網(wǎng)格化，然后將網(wǎng)格增厚自動(dòng)形成網(wǎng)格體，再將網(wǎng)格體轉(zhuǎn)化為智能實(shí)體，轉(zhuǎn)化成智能實(shí)體是為了以后方便與其他BIM構(gòu)件相切、開洞等運(yùn)用。建立實(shí)體模型后將地形模型參考進(jìn)入，做布爾運(yùn)算將超出地形面以上的多余模型切除掉。流程如圖4所示。

(4)地質(zhì)屬性錄入

三維地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是“信息+模型”，用來表達(dá)實(shí)際存在的對(duì)象。信息模型的屬性是通過“對(duì)象類型+對(duì)象樣式”(英文為“DataGroup+Part”)來設(shè)置的。前者表示信息模型對(duì)象是什么； 后者表明信息模型對(duì)象是如何表現(xiàn)的[11]。因此需要設(shè)置每種地質(zhì)體的信息[12]，在對(duì)象類型里面添加地質(zhì)體名稱、圍巖等級(jí)、是否有重要建筑、地下管線復(fù)雜區(qū)域等信息[13]； 在對(duì)象樣式里添加圖層、線寬、二維切圖填充圖案、工程量統(tǒng)計(jì)、渲染材質(zhì)等表現(xiàn)屬性。如圖5、圖6所示。

圖4 實(shí)體模型建立流程

圖5 類型屬性

圖6 樣式屬性

2 工程案例

2.1 工程概況

青島市地鐵8號(hào)線大洋站—青島北站站區(qū)間是青島市地鐵8號(hào)線橫跨膠州灣北部的跨海區(qū)間，是控制全線工程的最重要的節(jié)點(diǎn)工程。青島市地鐵8號(hào)線過海段區(qū)間為大洋站—青島北站區(qū)間，區(qū)間設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為YDK38+895.063，區(qū)間設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程為YDK46+659.840(ZDK46+795.762)，區(qū)間長約為7.900km。大洋站至海域區(qū)間為剝蝕堆積地貌、剝蝕地貌和侵蝕堆積地貌。區(qū)間穿過東大洋社區(qū)段為剝蝕堆積地貌，整體東高西低。剝蝕地貌主要為紅島區(qū)的東大山(最高48m)，海域與陸地呈斷崖式基巖岬角岸； 侵蝕堆積地貌—準(zhǔn)平原區(qū)分布于紅島東大洋村南，地表為耕地、現(xiàn)代建筑及道路。線路區(qū)域海底地貌可以分為三大類：海蝕地貌、海積地貌和人工地貌。常規(guī)的地勘報(bào)告對(duì)于不是地質(zhì)專業(yè)的施工人員來說是比較難以理解的，三維地質(zhì)模型能形象、直觀的展示施工區(qū)域的地質(zhì)狀況，因此建立地質(zhì)模型時(shí)很有必要的。

2.2 工程應(yīng)用

依托本項(xiàng)目開發(fā)的“托本項(xiàng)目開發(fā)的項(xiàng)目信息管控平臺(tái)”通過本文介紹快速建模方法，基于ABD軟件建立大洋站～青島北站區(qū)間地質(zhì)模型，為平臺(tái)提供重要的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

2.2.1 模型建立

因?yàn)楸卷?xiàng)目現(xiàn)有地勘資料只有地質(zhì)縱斷面CAD圖紙，依據(jù)地質(zhì)區(qū)間縱斷面圖，依據(jù)本文介紹三維地質(zhì)模型快速構(gòu)建方法建立大青區(qū)間地質(zhì)模型。剛建立的地質(zhì)模型都只有默認(rèn)的材質(zhì)，需要進(jìn)行材質(zhì)的替換，以便用戶直觀認(rèn)識(shí)。

2.2.2 數(shù)據(jù)應(yīng)用

將建立好的地質(zhì)模型，通過開發(fā)插件轉(zhuǎn)換成適合本項(xiàng)目平臺(tái)的文件格式，將地質(zhì)三維信息模型導(dǎo)入平臺(tái)使用。

三維信息地質(zhì)模型主要用于描述地下復(fù)雜的三維地質(zhì)環(huán)境，將復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造情況、地質(zhì)體的形態(tài)和結(jié)構(gòu)以三維的形式表現(xiàn)出來，使施工管理人員更加真實(shí)直觀地認(rèn)識(shí)各種地質(zhì)體； 同時(shí)支撐地質(zhì)信息快速查詢的功能，結(jié)合施工進(jìn)度模塊真實(shí)反應(yīng)當(dāng)前施工環(huán)境便于施工管理人員了解當(dāng)前施工區(qū)域的周圍環(huán)境，做好安全措施的準(zhǔn)備[14-15]。

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)塊屬性查詢，包含了地質(zhì)塊的名稱、圍巖級(jí)別、還有地質(zhì)的基本屬性，如圖9。

圖7 大青區(qū)間地質(zhì)模型

圖8 材質(zhì)替換

圖9 平臺(tái)地質(zhì)屬性查詢

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到破碎帶、盾構(gòu)上方有房屋等危險(xiǎn)地帶時(shí)，會(huì)彈出危險(xiǎn)提示，提示管理人員當(dāng)前要進(jìn)入?yún)^(qū)域的環(huán)境情況，為管理人員進(jìn)行合理規(guī)劃施工方法、進(jìn)度等提供決策依據(jù)，如圖10～圖11。

圖10 斷裂帶危險(xiǎn)環(huán)境提示

圖11 上蓋房屋施工環(huán)境提示

3 結(jié)束語

利用工程單位單位日常使用的地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)，通過簡便操作進(jìn)行三維地質(zhì)的快速建立，降低地質(zhì)建模對(duì)工程人員的技術(shù)水平要求，工程單位不必設(shè)專人進(jìn)行建?；?qū)⒔９ぷ魍獍?，?jié)省經(jīng)費(fèi)； 地質(zhì)模型能快速建立，緩解“建模速度跟不上施工速度”的尷尬問題，使BIM技術(shù)在施工項(xiàng)目中的應(yīng)用更順暢。同時(shí)有助于施工人員更加全面準(zhǔn)確地掌握地質(zhì)信息，進(jìn)而更有效地組織施工方案和防護(hù)措施，對(duì)于隧道施工進(jìn)度把控和隧道施工安全起到更重要的指導(dǎo)作用。本文介紹的快速建立地質(zhì)模型方法因?yàn)橹皇抢昧说刭|(zhì)剖面圖的數(shù)據(jù)建立的模型，因此在剖面以外的數(shù)據(jù)是不完全準(zhǔn)確的。此方法建立的模型能滿足施工管理人員了解當(dāng)前施工區(qū)域的周圍環(huán)境和直觀地認(rèn)識(shí)各種地質(zhì)體。