基于HPIM技術(shù)的地形與地質(zhì)建模應用研究

劉尚蔚， 呂明昊， 魏群

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

基于HPIM技術(shù)的地形與地質(zhì)建模應用研究

劉尚蔚， 呂明昊， 魏群

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

水電工程的地形與地質(zhì)條件對其施工難度及施工工藝具有很大的影響。如何以更高效的方法處理因復雜地形地質(zhì)條件導致的施工困難，是當前水電工程中所面臨的問題。提出了將HPIM技術(shù)應用于水電工程地形與地質(zhì)條件建模的方法，闡述了基于HPIM技術(shù)對地形與地質(zhì)條件進行快速建模的流程?；贖PIM技術(shù)信息多元化的特點，加以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準對地形與地質(zhì)條件模型進行參數(shù)化驅(qū)動，實現(xiàn)了現(xiàn)實中水電工程地形地質(zhì)條件與計算機中數(shù)字模型相對應的仿真模式，并在工程實例中取得了一定的應用成果。

HPIM技術(shù);水電工程;地形;地質(zhì)條件

當前水電工程地形與地質(zhì)條件勘察成果多數(shù)仍然呈現(xiàn)在二維平面圖紙上，鑒于水電工程施工面積相對巨大、對地基處理要求較高的特點，這種呈現(xiàn)方法在設計階段、施工階段和運營階段可能存在以下缺點：①對整個工程的地形難以有宏觀的認識和印象，無法做出最有利于工程規(guī)劃的決策；②地質(zhì)構(gòu)造深藏于地表以下，設計和施工人員沒有直觀的印象， 無法做到讓水電工程建筑物與地質(zhì)構(gòu)造很好地結(jié)合與適應；③若因圖紙使用方法問題致使對地質(zhì)構(gòu)造的判斷有誤，將會造成地基處理措施不當，甚至導致工程的失敗；④工程產(chǎn)生的圖紙和說明文件過多，很大程度上減緩了工程的進度，并且給工程的施工過程造成了一定的困難和不必要的財產(chǎn)損失。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是以三維數(shù)字化技術(shù)為基礎，集成了各種相關(guān)信息的數(shù)字信息模型，是一個設施(建設項目)的物理和功能特性的數(shù)字表達[1]?；贐IM的基本理論，魏群、張國新等提出了水電工程建筑信息模型(Hydraulic-Project Building Information Modeling，HPIM)。HPIM是水電工程建設項目幾何信息、物理信息和功能信息的完整參數(shù)化表達；是一個共享的信息集成體，并通過分享有關(guān)信息為該項目從設計到運營的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程，其實質(zhì)為圖形和信息的集成和共享[2]。

復雜的地形與地質(zhì)條件給水電工程的設計和施工帶來了較大的挑戰(zhàn)，其主流解決方案是采用可視化數(shù)字仿真模型。地質(zhì)體包含的逆斷層、斷層、倒轉(zhuǎn)、褶皺等地質(zhì)現(xiàn)象，增加了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)拓撲關(guān)系的復雜程度；地質(zhì)現(xiàn)象中存在的復雜性、不確定性等客觀因素，以及地質(zhì)建模過程中容易出現(xiàn)的主觀因素，導致了地質(zhì)三維模型缺乏可靠性[3]。獲取高仿真率的地形與地質(zhì)數(shù)字模型更有利于水工建筑物在規(guī)劃、施工和運營階段達到安全、經(jīng)濟、合理的標準，最大限度地使水工建筑物與地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)條件相適應。

若將現(xiàn)實水電工程地形與地質(zhì)條件和計算機數(shù)字模型以參數(shù)化的方法高度擬合，將更利于水電工程的設計與施工。而HPIM技術(shù)是實現(xiàn)這一目的的主要方法和途徑。本文就HPIM技術(shù)應用于地形與地質(zhì)建模的方法和應用進行了討論和分析。

1 HPIM技術(shù)

HPIM技術(shù)首先以參數(shù)化的方式對水電工程的外形進行數(shù)字描述，并呈現(xiàn)可視的三維幾何體；然后以這個數(shù)字模型為載體，關(guān)聯(lián)水電工程的幾何屬性、物理屬性、拓撲等信息，使其成為信息集成體，并通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準實現(xiàn)不同軟件之間的數(shù)據(jù)交換。HPIM具有標準統(tǒng)一、參數(shù)化驅(qū)動、信息多元化、協(xié)同合作等特點。其中關(guān)鍵技術(shù)是參數(shù)化，核心是標準統(tǒng)一，支撐是信息多元化，結(jié)果是協(xié)同合作[4]。

HPIM技術(shù)的數(shù)據(jù)交換標準主要有基于實體的IFC(Industry Foundation Classes)標準，基于過程的CIS/2(CIMSteel Integration Standards)標準和基于地下的GML(Geography Markup Language)標準[5]。以此為基礎，HPIM技術(shù)可從設計、施工到運營貫穿水電工程的全生命周期，并且在不同階段以相同的數(shù)據(jù)標準對數(shù)據(jù)信息進行創(chuàng)建、使用和修改。由此，HPIM模型可完整表達一個工程的信息，達到設計、施工、運營一體化的目標。

基于HPIM技術(shù)對水電工程地形與地質(zhì)條件建立數(shù)字圖形信息模型,可解決當前工程中存在的缺陷，并且具有以下優(yōu)勢：①可視化數(shù)字仿真模型是比二維圖紙更直觀的表達方式，更有利于對工程的判斷，有效地避免決策失誤；②基于HPIM技術(shù)的大場景數(shù)字模型為水電工程提供了宏觀的全局視角，為工程施工和施工調(diào)度減輕了壓力；③HPIM技術(shù)可以分析水工建筑物地基的地質(zhì)構(gòu)造，對較為復雜的地質(zhì)條件和對施工造成一定困難的情況提供更好的處理方案，選擇最優(yōu)的施工工藝；④HPIM技術(shù)將很大程度地縮減工程中可能產(chǎn)生的文件，但信息卻更加全面和完善，功能更加強大，更加有利于工程的建設和運營。

2 基于HPIM技術(shù)對水電工程地形與地質(zhì)條件快速建模的方法

某一在建水電工程在壩址區(qū)存在較為復雜的地質(zhì)構(gòu)造，為解決其施工過程中的困難且不延緩工程施工的進度，對其地形與地質(zhì)條件建立了基于HPIM技術(shù)的數(shù)字圖形信息模型。建模的基本思路如圖1所示。

圖1 水電工程地形地質(zhì)條件建模的基本思路

2.1 地形條件的HPIM快速建模方法

2.1.1 地形模型

首先將壩址區(qū)DTM數(shù)據(jù)導入Global Mapper軟件中，并轉(zhuǎn)換為10 m等高線，導出生成dwg文件；然后將等高線的dwg文件導入到3D Max中，設置正確的比例，利用符合對象的地形命令生成地形模型；最后對地形模型網(wǎng)格進行優(yōu)化精簡,如圖2所示。

圖2 由等高線生成的地形模型

2.1.2 地形貼圖

利用Google Earth中的Add Polygon工具創(chuàng)建出一個覆蓋壩址區(qū)的面域，如圖3所示,并將面域另存為kml文件。

圖3 在Google Earth中獲取的地形邊界

用記事本打開kml文件，可以在文件中獲取一組坐標信息，如圖4中紅框內(nèi)所示，且第1組坐標與第5組坐標重合，可知前4組坐標構(gòu)成了一個封閉的面域坐標。將4個點的坐標導入Google Earth截圖軟件中，下載壩址區(qū)的地形貼圖，并將貼圖文件作為材質(zhì)賦予地形模型，如圖5所示。

圖4 壩址區(qū)面域坐標

圖5 帶有貼圖的地形模型

2.2 地質(zhì)條件的HPIM快速建模方法

2.2.1 地質(zhì)巖層模型

由相鄰的兩個地質(zhì)構(gòu)造剖面圖進行放樣即可擬合出此區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造模型，如圖6所示。

圖6 地質(zhì)模型放樣原理

首先對工程地質(zhì)CAD圖進行精簡優(yōu)化，將調(diào)整為正確比例后的圖紙導入Revit族文件中，基于坐標和標高將圖紙擺放在相應的位置；然后點擊Revit中的放樣命令、放樣融合命令等建立巖層的三維實體模型，如圖7所示；最后在Revit中添加相應的巖層類型、頂部及底部高程參數(shù)、相應的公式等，如圖8所示。

圖7 巖體模型

圖8 巖體模型參數(shù)設置

2.2.2 斷層模型

首先對CAD圖紙進行精簡優(yōu)化，并根據(jù)斷層的走向、傾向繪制一條斷層的延伸路徑；然后將圖紙導入Rhinoceros中，利用掃掠、放樣等工具生成斷層三維模型，如圖9所示；最后將斷層模型導入Revit中，添加斷層名稱、走向、傾向等參數(shù)，如圖10所示。

圖9 斷層模型

為避免數(shù)據(jù)過于冗余，在保證數(shù)據(jù)完整性的基礎上，對巖層和斷層添加的參數(shù)不宜過于繁多，所錄入的參數(shù)應保證其實用性。

圖10 斷層模型參數(shù)設置

重復以上工作，直至完成所有地質(zhì)巖層和斷層的Revit族文件。對完成的模型進行布爾運算，消除模型之間的沖突行為。

2.3 合并地形與地質(zhì)條件

地形與地質(zhì)模型會產(chǎn)生一定的誤差，這些誤差來源于地形等高線的精度大小和地質(zhì)模型的放樣融合過程，這些誤差只能減小不能避免。為了進一步減小誤差，可在拼合模型后再利用布爾運算進行切割操作，使其更趨近于真實情況。

3 HPIM技術(shù)的應用

3.1 解決水電工程中由地質(zhì)條件導致的問題

水工建筑物對穩(wěn)定性的要求極高，若地質(zhì)構(gòu)造較為復雜，可基于HPIM技術(shù)的可視化三維仿真功能，盡可能地避開地質(zhì)構(gòu)造復雜、存在大量斷層及不穩(wěn)定地質(zhì)構(gòu)造的位置，選擇地質(zhì)構(gòu)造條件較為簡單、穩(wěn)定的位置，并初步選定壩軸線位置。

應用HPIM技術(shù)可以觀測到壩基位置的地質(zhì)條件是否存在斷層或其他影響壩體穩(wěn)定性的構(gòu)造，以便在施工中采取相應的處理措施。

在工程建完后，可定期利用HPIM技術(shù)對當前壩體的位置、形狀進行重復對比，觀測大壩的變形情況。

3.2 協(xié)同工作

基于HPIM技術(shù)的協(xié)同工作項目，可供多個團隊成員同時訪問和修改建筑模型的幾何屬性和物理屬性。在協(xié)同工作中，一個團隊的不同工作人員建立的模型可能會產(chǎn)生沖突，此時需要用到碰撞檢測工具。該碰撞檢測工具會產(chǎn)生一份碰撞檢測報告，指出存在的沖突行為，然后，設計團隊就可以對此制定相應的解決方案。

3.3 基于HPIM技術(shù)的三維展示

為了增強視覺效果，Revit和3D Max等軟件均提供了為圖元渲染的功能。渲染是軟件從模型生成圖像的過程，在這個過程中，軟件將圖元的材質(zhì)、場景的光學參數(shù)和大氣參數(shù)等經(jīng)過一系列的折射、反射等計算后將最終結(jié)果呈現(xiàn)于電腦屏幕上。但目前普通的計算機配置無法實現(xiàn)高水平的實時渲染，為使模型具有渲染后的效果，可以使用“烘焙(bake)”工具對模型進行處理?！昂姹骸泵钍腔趫D元在渲染場景中的外觀創(chuàng)造出一個紋理貼圖，并將這個紋理貼圖賦予原圖元，使其具有實時渲染的效果，如圖11所示。

圖11 基于HPIM的三維展示

4 結(jié)語

HPIM是一個以BIM技術(shù)為基礎，并貫穿水電工程設計、施工、運營全過程的信息集成管理平臺。HPIM技術(shù)對水電工程的信息化管理提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準，使信息交流更加流暢，同時，最大程度地保留了數(shù)據(jù)的完整性。HPIM技術(shù)能夠高效地與實際工程相結(jié)合，推動工程的順利進行，使數(shù)字信息模型不僅僅只用來表達勘測成果，更可以基于數(shù)據(jù)庫對工程進行分析、判斷和決策，對工程建設起到了良好的推進作用。

[1]魏群,尹偉波,劉尚蔚.BIM技術(shù)中的數(shù)字圖形信息融合集成系統(tǒng)研究進展[C]//2014中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼結(jié)構(gòu)分會年會和建筑鋼結(jié)構(gòu)專家委員會學術(shù)年會.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2014.

[2]趙繼偉,魏群,張國新.水利水電工程的圖形信息模型研究[J].中國水利水電科學研究院學報,2016,14(2):155-159.

[3]劉尚蔚,魏魯雙.數(shù)字地質(zhì)多源數(shù)據(jù)庫及三維建模方法研究[J].人民黃河,2012,34(2):123-125.

[4]魏群,魏魯雙,孫凱.BIM 技術(shù)在平板鋼閘門三維設計軟件研發(fā)中的應用[J].華北水利水電學院學報,2013,34(3):5-8.

[5]趙繼偉,魏群,張國新.水利工程信息模型的構(gòu)建及其應用[J].水利水電技術(shù),2016,47(4):29-33.

(責任編輯：陳海濤)

Application of Topographic and Geological Modeling Based on HPIM Technology

LIU Shangwei, LV Minghao,WEI Qun

(North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045, China)

The terrain and geological conditions of hydropower projects have a great impact on the construction difficulty and construction technology. How to deal with the construction difficulty caused by the complex terrain and geological conditions in a more efficient way is a problem in the current hydropower project. In this paper, the method of applying HPIM technology to the modeling of hydrogeological engineering topographic and geologic conditions is proposed. Furthermore, the process of rapid modeling of terrain and geological conditions based on HPIM is described. Based on the characteristics of HPIM technology information diversification, the unified data standard is used to parameterize the geologic condition model, and then the simulation model of the hydropower engineering topography and geology conditions in reality corresponding to the digital model in the computer is realized. Finally, certain achievements have been achieved in real hydraulic-project engineering.

HPIM technology; hydraulic-project; terrain; geological conditions

2016-08-23

河南省省院科技合作項目(112106000035)；河南省科技開放合作計劃項目(142106000043)。

劉尚蔚(1967—),女,河南南陽人,教授,博士,從事水工結(jié)構(gòu)可視化仿真方面的研究。E-mail:529815746@qq.com。 呂明昊(1990—),男,新疆烏蘇人,碩士研究生,從事水工結(jié)構(gòu)可視化仿真方面的研究。E-mail:25790590@qq.com。 魏群(1947—),男,山東諸城人,教授,博導,博士后,從事水工結(jié)構(gòu)可視化仿真方面的研究。E-mail:1253175984@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.015

TV221；TU17

A

1002-5634(2017)01-0075-05