BIM技術(shù)在堤防工程勘測中的應用

徐 俊，張必勇，肖 華，朱 飛

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430010)

目前，我國堤防工程勘測仍然采用傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀、測距儀、全站儀等測量工具進行地形測量，利用測角、測距、交會、極坐標等測量方法對地形要素進行數(shù)據(jù)采集或測定[1]；地質(zhì)數(shù)據(jù)采集還是采用純手工方式，如野外地質(zhì)測繪，在采集地質(zhì)點過程中，需用測量工具讀取坐標后，現(xiàn)場手寫填入地質(zhì)點卡片、繪制草圖；描述鉆孔時，現(xiàn)場人員手寫記錄卡片，回到室內(nèi)再輸入電腦，制作鉆孔柱狀圖；在野外進行裂隙統(tǒng)計，人工測量產(chǎn)狀后，按照手寫記錄卡片再次輸入電腦再進行統(tǒng)計分析等等。這種野外地質(zhì)信息收集工作手段相對落后，完成野外工作后在室內(nèi)重復作業(yè)，費力費時，工作量大，使得野外地質(zhì)工作艱苦、繁瑣且容易出錯。

為了解決上述問題，我們構(gòu)建了集野外數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)數(shù)據(jù)管理、輔助繪圖、統(tǒng)計分析、地質(zhì)建模及模型應用于一體的水利水電工程勘測三維可視化信息系統(tǒng)[2]。地形數(shù)據(jù)采集利用RIEGLVZ- 1000激光掃描儀取代傳統(tǒng)測量儀器，形成二維數(shù)字地形圖及三維地形模型以滿足地質(zhì)及設(shè)計專業(yè)的需求；地質(zhì)數(shù)據(jù)采集利用安裝在平板電腦或大屏幕手機上的“野外地質(zhì)信息采集系統(tǒng)”APP取代傳統(tǒng)手工操作，能夠快速采集地質(zhì)點、斷層點、水文點、鉆孔、坑槽及節(jié)理裂隙等野外地質(zhì)數(shù)據(jù)，還可進行地層剖面實測，技術(shù)人員采集數(shù)據(jù)的工作效率高；工程地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫用來對地質(zhì)、勘探、物探、測量、施工地質(zhì)、試驗、長期觀測和取樣八大部分數(shù)據(jù)進行儲存、管理、處理、分析及查詢；地質(zhì)數(shù)據(jù)庫與三維建模軟件CATIA的接口程序可將地形及地質(zhì)數(shù)據(jù)導入CATIA來建立三維地形模型，三維地質(zhì)模型完成之后還可以進行三維協(xié)同設(shè)計、二維出圖、開挖方量計算及三維數(shù)值分析等應用。

1 堤防工程勘測野外數(shù)據(jù)采集

1.1 腰口隔堤工程簡介

洪湖東分塊蓄洪區(qū)由新建腰口隔堤、洪湖監(jiān)利長江干堤、東荊河堤及洪湖主隔堤一起形成封閉圈。蓄洪區(qū)總面積883.62km2，設(shè)計蓄洪水位30.48m，扣除安全區(qū)(臺)占用面積后的蓄洪面積為836.45km2，蓄洪容積61.86億m3。腰口隔堤工程，新建堤防長25.574km。堤頂高程為蓄洪水位32.48m；堤頂寬度為8.0m；內(nèi)外邊坡均為1∶3；在隔堤背水坡高程28.48m處設(shè)置寬度為3m的戧臺。

1.2 腰口隔堤工程勘測數(shù)據(jù)采集

腰口隔堤工程初設(shè)階段，利用RIEGL VZ- 1000激光掃描儀采集腰口隔堤地形點云數(shù)據(jù)，如圖1所示，導入CATIA建立地形模型，如圖2所示。工程區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)主要表現(xiàn)為沖積平原及剝蝕殘丘。沖積平原分布在長江、東荊河等河流沿岸，地勢平坦開闊，地面高程一般24～27m。剝蝕殘丘，分布在烏林鎮(zhèn)一帶，地面高程26.0～40.0m。

圖1 腰口隔堤工程地形點云

圖2 腰口隔堤工程地形模型

腰口隔堤工程初設(shè)階段利用野外地質(zhì)信息采集系統(tǒng)，采集到地質(zhì)點141個，每個地質(zhì)點都包含位置、坐標、地層、描述及照片等信息，如圖3所示。腰口隔堤工程初設(shè)階段完成鉆孔244個，總進尺6283.05m，每個鉆孔都包含編號、位置、巖芯描述、巖芯獲得率及巖芯照片等信息，如圖4所示。所有地質(zhì)點及鉆孔均利用平板電腦在野外采集完成，導入數(shù)據(jù)庫后，可直接用于三維地質(zhì)建模，避免室內(nèi)重復作業(yè)。

圖3 腰口隔堤工程地質(zhì)點

圖4 腰口隔堤工程鉆孔

2 室內(nèi)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫管理及三維地質(zhì)建模

野外采集到的地質(zhì)點及鉆孔數(shù)據(jù)可直接導入工程地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫來進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析、存儲及管理，繪制鉆孔柱狀、工程地質(zhì)平面圖以及生成工程地質(zhì)剖面框架圖等二維圖件。腰口隔堤HDX52孔鉆孔柱狀圖如圖5所示，在工程地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫內(nèi)直接生成，告別了工程地質(zhì)繪圖離不開AutoCAD的歷史。

圖5 腰口隔堤工程鉆孔柱狀圖

利用工程地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫的接口程序可將地質(zhì)點、鉆孔等地質(zhì)數(shù)據(jù)導入三維建模軟件CATIA，如圖6所示，鉆孔數(shù)據(jù)導入CATIA之后，還可以進行數(shù)據(jù)分層，相同的地層放在同一個幾何圖形集里，方便地質(zhì)建模時調(diào)用，設(shè)置一個顯示直徑既可生成三維鉆孔，如圖7所示。

圖6 鉆孔數(shù)據(jù)導入CATIA

地質(zhì)點、鉆孔等地質(zhì)數(shù)據(jù)導入完成后，在CATIA內(nèi)，利用這些數(shù)據(jù)建立地質(zhì)分界面，再與地形模型進行布爾運算，建立地質(zhì)體[3]。目前，我們采用的是一套獨有的曲面建模技術(shù)，對于透鏡體及尖滅地層都進行了三維地質(zhì)建模，最后采用花紋材質(zhì)對模型進行了渲染，如圖8所示。曲面建模技術(shù)成功解決了增加或修改鉆孔數(shù)據(jù)，地質(zhì)模型的局部重構(gòu)及整體更新這一制約CATIA三維地質(zhì)建模發(fā)展的技術(shù)瓶頸難題。

圖8 腰口隔堤推薦線路K0+1000三維地質(zhì)模型

3 模型應用

在CATIA工程制圖模塊利用正視圖命令將地質(zhì)及結(jié)構(gòu)模型都投影到XY平面，利用幾何圖形創(chuàng)建工具自行繪制剖面線，再利用二維出圖的命令，選擇剖面線后點擊執(zhí)行，可快速完成標準化二維剖面圖，如圖9所示，其中圖名、圖框、圖簽、標尺及鉆孔都能自動添加。在CATIA工程制圖模塊，首次實現(xiàn)了地質(zhì)與結(jié)構(gòu)專業(yè)的聯(lián)合出圖，徹底解決了水利水電行業(yè)地質(zhì)體與建筑物無法聯(lián)合出圖的難題。

圖9 地質(zhì)與結(jié)構(gòu)聯(lián)合二維出圖

4 結(jié)語

針對水利水電行業(yè)工程勘測的特點，利用計算機技術(shù)開發(fā)了水利水電工程勘測三維可視化信息系統(tǒng)，結(jié)合CATIA軟件，從數(shù)據(jù)采集開始，到數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)查詢檢索、統(tǒng)計計算、報告報表生成、勘察圖件生成、地質(zhì)三維模型的建立、二維出圖、三維空間分析等，形成一套完整的以三維為分析背景的信息化技術(shù)體系，提高了水利水電工程勘測的工作效率和質(zhì)量。