鐵路工程地質(zhì)BIM系統(tǒng)研發(fā)與應用

張 坤

(1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043; 2.中國鐵建BIM工程實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

三維地質(zhì)建模技術(shù)是利用三維可視化技術(shù)進行地質(zhì)體、地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程的三維數(shù)字化抽象、重構(gòu)和再現(xiàn)。在更加真實、直觀和形象的條件下進行現(xiàn)象分析、模型抽象、實體重構(gòu)、科學計算、過程再現(xiàn)、成果表達、評價決策和工程設計[1-3]。三維地質(zhì)建模理論是在20世紀末期由加拿大學者提出,最早應用在石油行業(yè),經(jīng)過最近20年計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展逐漸延伸到工程領域。地質(zhì)BIM模型作為工程領域開展BIM正向設計的關(guān)鍵數(shù)據(jù)源之一,國內(nèi)外學者和研究人員在三維地質(zhì)建模技術(shù)方面開展了廣泛深入的研究,近些年國內(nèi)涌現(xiàn)出一大批三維地質(zhì)建模工具。按照工具類型主要劃分為以下三類:國外商用軟件、半自主知識產(chǎn)權(quán)的基于主流平臺二次開發(fā)的軟件、完全自主研發(fā)的國內(nèi)商用軟件。上述各類型代表性軟件如下:國外商用軟件有GoCAD、EVS等[4-7];主流平臺二次開發(fā)軟件主要基于Autodesk、Bentley、Dassault等平臺[8-11]開發(fā)的系列軟件,有GeoStation、TISGER等;國內(nèi)自主研發(fā)的軟件有深探、Xmodelling、坤迪三維地質(zhì)建模軟件等。

在鐵路領域,大部分設計院主要基于主流的Autodesk、Bentley、Dassault平臺通過二次開發(fā)的方式來定制符合各自勘察設計體系的地質(zhì)建模系統(tǒng)[12-14]。目的是為了與設計院的BIM設計體系保持一致,保證“一個平臺、一個模型、一個數(shù)據(jù)架構(gòu)”,減少平臺之間因數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而造成數(shù)據(jù)丟失的風險。同時,由于地質(zhì)建模的復雜性,為解決特殊條件下建模效率問題,也使用商用軟件來輔助完成復雜地質(zhì)體的建模工作[15]。

1 鐵路地質(zhì)BIM系統(tǒng)需求分析

鐵路工程作為一種長大帶狀線性工程,在三維地質(zhì)建模過程中面臨的主要問題有:地質(zhì)建模區(qū)域廣寬,地質(zhì)現(xiàn)象復雜多變,地質(zhì)數(shù)據(jù)源缺乏,地質(zhì)體空間信息不規(guī)則,無法用常規(guī)的參數(shù)化方式表達,建模工作量大,精細化建模困難,地質(zhì)BIM技術(shù)一直是鐵路行業(yè)制約BIM技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。目前市面上基本沒有符合鐵路工程地質(zhì)應用需求的商業(yè)軟件。因此,鐵路地質(zhì)專業(yè)需要開展大量的基礎研究和定制研發(fā)工作。

為更好地實現(xiàn)鐵路工程全專業(yè)BIM正向設計的總體目標,依托院內(nèi)重大軟件研發(fā)項目,啟動鐵路地質(zhì)BIM的研發(fā)工作。該項目的主要研究內(nèi)容如下。

(1)基礎框架研究

建立地質(zhì)BIM軟件的整體框架,包括硬件體系、軟件架構(gòu)、平臺選型、數(shù)據(jù)庫選型等。

(2)綜合管理功能研發(fā)

實現(xiàn)工程管理、人員管理、數(shù)據(jù)字典、工程地質(zhì)環(huán)境信息等管理。

(3)勘察數(shù)據(jù)接入

主要包括調(diào)繪、勘探、試驗等。建立地質(zhì)BIM環(huán)境下的數(shù)據(jù)格式和標準要求,實現(xiàn)勘察點的實體展示與信息查詢。

(4)線路建模技術(shù)研究

基于線路數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)二三維空間線條的重構(gòu),解決里程信息快速定位的問題。

(5)建模方法研究

基于調(diào)繪數(shù)據(jù)、勘探數(shù)據(jù),研究地質(zhì)面的插值算法、地質(zhì)體剖切算法和圍合算法等,實現(xiàn)地質(zhì)體的快速生成。

(6)模型應用研究

基于地質(zhì)模型實現(xiàn)任意剖切、開挖、出圖,極大提高地質(zhì)模型的利用率。

2 系統(tǒng)研發(fā)基本思路與功能實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的整體框架

鐵路工程地質(zhì)BIM系統(tǒng)研發(fā)主要基于Bentley 的MicroStation平臺利用二次技術(shù)開展系統(tǒng)的功能研發(fā)工作,實現(xiàn)地質(zhì)BIM正向設計過程,系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)端和圖形端,數(shù)據(jù)端采用C/S架構(gòu),采用微軟的SQLServer數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的集中管理,保證數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一,解決多人協(xié)同問題;圖形端基于MicroStation圖形平臺,利用MDL的編程方法,實現(xiàn)了地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)、特殊巖土等三維復雜地質(zhì)體的建模功能。

2.2 地質(zhì)建模思路

三維地質(zhì)建模的整體思路是從點、線、面、體逐步升維的過程,主要建模過程如下。

(1)準備數(shù)據(jù)階段

收集地形模型、線路數(shù)據(jù)、地質(zhì)調(diào)繪數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù)。

(2)填繪地質(zhì)界線

利用鉆孔的巖性分層點,通過地質(zhì)規(guī)律和工程經(jīng)驗將離散的地質(zhì)點連接成地層界線,同時對地層界線進行數(shù)據(jù)點加密操作。

(3)二三維地質(zhì)界線空間坐標轉(zhuǎn)換

將地層界線通過坐標轉(zhuǎn)換導入到三維模型空間中。

(4)創(chuàng)建地質(zhì)界面

將三維空間中屬性相同的地層界線,通過插值算法或放樣擬合法生成地質(zhì)界面。

(5)創(chuàng)建地質(zhì)體

采用地質(zhì)界面和地形體之間的剖切或地質(zhì)界面之間的圍合形成地質(zhì)體,并對地質(zhì)體賦予地層、構(gòu)造、不良地質(zhì)等不同的地質(zhì)信息,完成地質(zhì)模型建模。

(6)開展基于地質(zhì)模型的多種應用研究

鐵路工程地質(zhì)BIM系統(tǒng)建模流程見圖1,地質(zhì)BIM研發(fā)的功能圖見圖2。

圖1 地質(zhì)模型建模流程

圖2 鐵路工程地質(zhì)BIM系統(tǒng)功能

3 地質(zhì)BIM建模技術(shù)

3.1 線路重構(gòu)技術(shù)

鐵路工程為線狀分布,線路長,工點多,一般上百千米鐵路,工點數(shù)量多達上百個。工點劃分一般采用手動方式進行繪制,效率低、精度差。因此,鐵路工程地質(zhì)BIM系統(tǒng)的研發(fā)首先需要解決根據(jù)線路里程信息實現(xiàn)快速精準定位的問題,通過解析線路曲線要素表、坡度表、斷鏈表等線路要素數(shù)據(jù),利用角點法重構(gòu)二三維空間線路。

線路的平面線條一般由直線、緩和曲線及圓曲線組合而成,緩和曲線的生成是實現(xiàn)線路重構(gòu)的重要步驟,其中緩和曲線關(guān)鍵解析過程如下:①一般假設緩和曲線特征為曲率半徑ρ與曲線長度l的倒數(shù)呈反比,即公式(1)、公式(2);②根據(jù)微積方程dl=ρdβ,求解緩和曲線上弧度與緩和曲線長度之間的關(guān)系,即公式(3)、公式(4);③將cosβ和sinβ進行泰勒公式展開,cosβ取前兩項,sinβ取前一項,即可滿足緩和曲線精度要求,即公式(5)、公式(6);④求出緩和曲線的x和y坐標,即公式(7)～公式(10)。緩和曲線計算示意見圖3。

圖3 緩和曲線要素計算

k=ρl=Rl0

(1)

(2)

(3)

(4)

R2m+1(β)

(5)

R2m(β)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

利用線路重構(gòu)技術(shù),實現(xiàn)基于線路數(shù)據(jù)庫的二三維空間線條繪制和里程信息的快速精準定位,從而實現(xiàn)沿鐵路線條的自動化分塊,里程繪制勘探線、里程繪制工程場區(qū)等功能,極大提高了繪制效率和繪制精度,極大減少了人機交互操作工作量。

3.2 二三維地質(zhì)界線轉(zhuǎn)換技術(shù)

在三維地質(zhì)建模過程中,通常利用地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源,然后通過二三維坐標轉(zhuǎn)換導入到三維空間中,再進行三維地質(zhì)建模。在程序研發(fā)過程中,首先繪制勘探線,將勘探線投影到地形面上形成地形線,然后將地形線在二維空間中展平,并繪制坐標刻度,形成地質(zhì)剖面空白圖。通過鉆孔信息繪制地質(zhì)界線,并賦予相關(guān)屬性,再根據(jù)投影關(guān)系將二維地質(zhì)界線轉(zhuǎn)換到三維空間中,如圖4所示。為保證插值前有足夠的數(shù)據(jù)點,轉(zhuǎn)換前可以在二維地質(zhì)界線上進行數(shù)據(jù)點加密操作。

圖4 地層界線二維與三維坐標互換

3.3 地質(zhì)面構(gòu)建技術(shù)

三維地質(zhì)建模過程中,常用的插值算法有“克里金”插值算法、光滑曲線插值算法、反距離插值算法,插值的目的就是要將有限分散的地質(zhì)點擴展為面狀的點矩陣。然后利用三角網(wǎng)將點矩陣串聯(lián)起來,作為地層巖性的層底界面。本系統(tǒng)主要采用“克里金”插值算法來實現(xiàn)地質(zhì)界面的生成。由于MicroStation本身不具有“克里金”插值算法功能,一般“克里金”插值算法通過自主研發(fā)或者調(diào)用第三方軟件庫的方式來解決。

“克里金”插值算法是依據(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,在地質(zhì)統(tǒng)計學中被稱為空間最優(yōu)無偏估計器。該算法的研究可追溯到20世紀60年代,其算法原型被稱為普通“克里金”,關(guān)鍵步驟解析如下。①求取已知點對的距離及其半方差,點對距離公式參考式(11),半方差公式參考式(12),以已知兩點的距離distanceh為橫坐標,對應的半方差Semivariogram(distanceh)為縱坐標,繪制到直角坐標系中。如果數(shù)據(jù)量較大,可采用平均處理,將橫坐標取若干個區(qū)間,計算每個區(qū)間橫縱坐標的均值,作為該區(qū)間的點位,可極大減少數(shù)據(jù)量,提高計算機的運算效率。②根據(jù)一系列距離半方差點對,求取擬合曲線。擬合函數(shù)有多種選擇,可為球形模型、指數(shù)模型、高斯模型和線性模型等,其中線性模型為最簡單的擬合函數(shù)。③求取權(quán)重系數(shù)λ,首先根據(jù)擬合曲線y=γ(h),求已知點半方差函數(shù)值cij,構(gòu)成半方差矩陣K,見式(13);其次,求取目標點與已知點的半方差函數(shù)值cij,構(gòu)成半方差向量D,見式(14);然后,利用矩陣K的逆矩陣和向量D求得向量λ,λi表示第i個已知點對目標點的影響權(quán)重系數(shù),公式為:λ=K-1D。④計算目標點x0的高程值,見式(15),這樣就可以預測出目標點的高程值,矩陣K針對同一批已知散點是確定的,預測其他點的高程值時,只需要重復計算向量D即可。

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

“克里金”插值算法涉及大量的數(shù)學運算,在開發(fā)程序過程中,需要依賴第三方基礎數(shù)學算法庫,因此自主研發(fā)難度較高。一般從事程序研發(fā)的地質(zhì)人員可采用第三方軟件庫的方法,如surfer軟件的COM接口,也能達到相同的效果。插值算法形成的地質(zhì)界面如圖5所示。

圖5 插值算法形成地質(zhì)面

3.4 地質(zhì)體構(gòu)建技術(shù)

鐵路工程地質(zhì)模型大部分采用網(wǎng)格包圍體的形式來表達。所謂網(wǎng)格包圍體就是外表面由三角網(wǎng)組成,內(nèi)部是空心的一種網(wǎng)格體。網(wǎng)格體空間封閉,具有體積屬性。地質(zhì)包圍體的創(chuàng)建方法主要有3種:剖切法、圍合法和橫向拉伸法。剖切法利用網(wǎng)格面對網(wǎng)格體進行剖切,網(wǎng)格面需完全穿透網(wǎng)格體,穿透的目的主要是形成一個完整的封閉邊界,如圖6所示。圍合法是利用空間地質(zhì)界線,通過插值或者旋轉(zhuǎn)直接構(gòu)建上下地質(zhì)界面,上下地質(zhì)界面保證共線共點,然后縫合邊界組成一個空間封閉體。橫向拉伸法將一個封閉輪廓沿橫向水平拉伸直接形成智能實體,再將智能實體轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格模式,這種方法可看作是將地質(zhì)塊橫向拉伸了一個厚度,建模較方便。若橫向地層存在起伏變化時,該方法就不再適用。

圖6 剖切生成地質(zhì)體

3.5 模型應用

為滿足鐵路工程設計專業(yè)對地質(zhì)模型的應用需求[16-20],基于地質(zhì)BIM模型研發(fā)了模型分割、模型開挖、虛擬鉆孔提取、模型標準化出圖等應用功能,將地質(zhì)BIM模型作為重要的基礎數(shù)據(jù)源之一,輔助設計專業(yè)開展BIM正向設計。

(1)模型分割(圖7)

圖7 模型分割功能

模型分割主要是沿線路線條構(gòu)建的豎直面,將地質(zhì)模型一分為二,分為線路左側(cè)地質(zhì)模型和線路右側(cè)地質(zhì)模型。主要應用場景將鐵路隧道地質(zhì)模型沿線路切割,可方便查看隧道工程的圍巖信息。

(2)模型開挖(圖8)

圖8 模型開挖功能

模型開挖主要是利用結(jié)構(gòu)體的外輪廓模型與地質(zhì)模型進行布爾剪切,形成開挖體模型和剩余體模型。由于剪切運算的復雜性,通常將外輪廓模型轉(zhuǎn)化為mesh格式,mesh面與地質(zhì)體在剖切過程中,原地質(zhì)體的屬性信息會丟失,開挖體和剩余體需要通過二次開發(fā)來繼承原地質(zhì)體的相關(guān)地質(zhì)信息。

(3)虛擬鉆孔獲取(圖9)

圖9 虛擬鉆孔功能

為更好地服務設計專業(yè)開展正向設計,研發(fā)了基于地質(zhì)模型提取虛擬鉆孔的功能,利用地質(zhì)模型和里程樁號數(shù)據(jù)可獲取模型范圍內(nèi)任意位置的虛擬鉆孔信息。主要包括鉆孔的孔位信息、分層信息和地下水信息,為設計專業(yè)開展自動化設計提供數(shù)據(jù)基礎。在二次開發(fā)過程中需主要解決層中層結(jié)構(gòu)的問題,即大包圍體中包括小包圍體的情況。

(4)模型出圖

利用地質(zhì)模型可實現(xiàn)任意位置地質(zhì)剖面圖的一鍵出圖功能,地質(zhì)剖面圖內(nèi)容主要包括:水平和豎向標尺、地面線、鉆孔、地層及填充信息、文字標注、圖例圖簽及圖框等。采用地質(zhì)模型出圖技術(shù),由于數(shù)據(jù)同源,可解決地質(zhì)縱橫斷面的一致性問題、出圖的標準化問題,極大提高地質(zhì)剖面出圖效率。

4 結(jié)語

基于MicroStation平臺研發(fā)了鐵路工程地質(zhì)BIM系統(tǒng),從系統(tǒng)的總體目標和需求分析出發(fā),詳細設計了軟件的基本架構(gòu)、建模思路和功能模塊,實現(xiàn)了基于線路數(shù)據(jù)庫的二三維空間線條重構(gòu)功能和里程信息快速定位功能。研發(fā)了“克里金”插值算法,利用剖切法、圍合法和拉伸法實現(xiàn)三維地質(zhì)體的快速創(chuàng)建。為滿足BIM正向設計的需求,基于地質(zhì)模型研發(fā)豐富的模型應用工具,為下游專業(yè)開展BIM設計提供地質(zhì)數(shù)據(jù)基礎,極大地提高地質(zhì)模型的利用率。該系統(tǒng)在西十高鐵、西延高鐵、引漢濟渭水利工程等多個項目中開展大規(guī)模應用,具有較好的推廣應用價值,地質(zhì)BIM系統(tǒng)的研發(fā),將理論與實踐充分結(jié)合,是地質(zhì)專業(yè)開展BIM正向設計的一次成功探索。