基于BENTLY平臺(tái)的地質(zhì)三維建模技術(shù)研究

趙 非 黃新文

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

長期以來，地質(zhì)研究工作多基于二維空間(地質(zhì)剖面及平面)，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間認(rèn)識(shí)的一致性和深入性不足[1]。BIM技術(shù)具有多維化、協(xié)同性、模擬性等特點(diǎn)，能有效實(shí)現(xiàn)勘察成果的數(shù)字化、可視化，使得鐵路設(shè)計(jì)中各專業(yè)能在統(tǒng)一的平臺(tái)下進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多階段的無縫銜接，提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)變更成本。

BIM技術(shù)被稱為工程建設(shè)的第二次技術(shù)革命，國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[2]。王雪嬌基于Visual C++6.0開發(fā)平臺(tái)，對OpenGL2.0圖形庫進(jìn)行開發(fā)[3]；潘懋等結(jié)合GIS進(jìn)行BIM的相關(guān)研發(fā)[4-5]；劉雯雯利用Arc Sccnc等進(jìn)行分塊區(qū)域的三維地質(zhì)建模[6]；濟(jì)仁等在CATIA軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行BIM的二次開發(fā)[7]；清波等采用ItasCAD建模[8]。為了找到適用于鐵路工程的三維地質(zhì)建模軟件，通過對多種三維地質(zhì)建模系統(tǒng)的試用及研究，認(rèn)為Bentley軟件的兼容性和協(xié)同工作能力相對較好。

鐵路BIM技術(shù)發(fā)展相對較晚，亢保軍等在Aglosgeo的基礎(chǔ)上開發(fā)了Geo Data數(shù)據(jù)庫工具，從更新巖土分類標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)批量錄入及數(shù)據(jù)庫維護(hù)等三個(gè)方面對鐵路BIM技術(shù)進(jìn)行了必要的補(bǔ)充[15]?？梢钥吹?，前人并未對鐵路地質(zhì)三維建模的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行總結(jié)。經(jīng)過對幾種BIM軟件的比較，Bentley平臺(tái)下的Aglosgeo軟件基本符合鐵路地質(zhì)三維建模的特點(diǎn)。但是在實(shí)際建模的過程中，經(jīng)常會(huì)遇到生成時(shí)間過長、或者生成的地質(zhì)體有錯(cuò)誤并且很難修正等情況，其原因正是缺少標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程和建模標(biāo)準(zhǔn)所致。

隨著鐵路BIM技術(shù)在整個(gè)鐵路行業(yè)的持續(xù)推廣，對地質(zhì)三維建模技術(shù)方法進(jìn)行研究將具有重要意義。以下對鐵路地質(zhì)三維建模方法進(jìn)行總結(jié)，探討鐵路地質(zhì)三維建模思路，詳述Bentley平臺(tái)下的地質(zhì)建模方法。

2 地質(zhì)體的生成

生成地質(zhì)體所需要的原始資料包括：鉆孔原始數(shù)據(jù)、地質(zhì)縱斷面、平面、地形和線位。

2.1 數(shù)據(jù)端操作

(1)在工程區(qū)地層信息界面下，錄入地層時(shí)代和巖性信息(見圖1)。

圖1 工程區(qū)地層信息界面

(2)在鉆孔布置、鉆孔概況界面下，錄入所有鉆孔的編號(hào)、孔口坐標(biāo)和孔深等信息(見圖2、圖3)。

圖2 鉆孔布置界面

圖3 鉆孔概況界面

(3)在地層巖性界面下，錄入鉆孔時(shí)代、巖性的分層信息和每一層的厚度信息(見圖4)。

圖4 地層巖性界面

2. 2 圖形端操作

(1)地形數(shù)據(jù)錄入

將地形數(shù)據(jù)錄入工點(diǎn)文件后，可得到線串。

(2)原始?jí)K體的生成

由于鐵路三維地質(zhì)建模工點(diǎn)以里程劃分，故原始?jí)K體的長度以線位里程為準(zhǔn)，寬度定為左右各距離線路左線250 m(共500 m寬)。

①利用修剪工具將線位裁剪到工點(diǎn)里程范圍；

②利用平行移動(dòng)工具，勾選復(fù)制，左右平移各250 m，得到左右邊界線；

③利用放置智能線工具使其成為閉合形狀；

④利用創(chuàng)建復(fù)雜多邊形工具得到底面；

⑤利用網(wǎng)格工具將多邊形網(wǎng)格化；

⑥利用加厚網(wǎng)格形成體積工具，得到長度由里程控制、寬度為500 m的原始?jí)K體。此外，由拉伸創(chuàng)建實(shí)體工具也可以得到原始體，但拉伸時(shí)需要注意坐標(biāo)系，否則拉伸出的實(shí)體可能不垂直于水平面。

(3)巖性分界面的生成

巖性分界面表現(xiàn)的是不同地層間的接觸狀態(tài)，將原始?jí)K體按巖性分界面進(jìn)行切割便實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)體的分層。巖性分界面的生成質(zhì)量決定了地質(zhì)體模型的質(zhì)量。

①將左線線串指定為剖面，利用剖面編輯工具(應(yīng)先打開地形面圖層，否則剖面編輯界面不會(huì)顯示地表線)將縱斷面移動(dòng)到對應(yīng)的里程。

②將地表以下所有巖性分界線和斷層線等復(fù)制進(jìn)剖面中，利用創(chuàng)建復(fù)雜鏈工具將同一層分界線連接起來(地層分界線應(yīng)該略長于里程范圍)，最后利用剖面線屬性工具逐一對其賦予屬性(屬性即為數(shù)據(jù)端工程區(qū)環(huán)境輸入的地層時(shí)代)，完成后點(diǎn)擊右上角綠色對勾，屬性信息便會(huì)錄入到數(shù)據(jù)端。

③如果遇到強(qiáng)弱風(fēng)化界線，應(yīng)優(yōu)先做分界面，然后進(jìn)行切割。其具體步驟為：首先用工程區(qū)邊界工具畫出工程區(qū)邊界(略大于地質(zhì)體的范圍)；利用創(chuàng)建地質(zhì)邊界工具選擇分界面的巖性，點(diǎn)選簡化grid；在參考面信息欄點(diǎn)選網(wǎng)格面；在數(shù)據(jù)來源欄點(diǎn)選剖面。

如果里程范圍較大，可采取分段生成的方法。為使兩個(gè)小分界面可以在接頭處重合，應(yīng)在接頭處加一個(gè)垂直于線路的控制剖面。

工程區(qū)邊界是分界面的邊界，所以在生成第二個(gè)小分界面時(shí)需要重新框選工程區(qū)邊界，并覆蓋原來的工程區(qū)邊界。

④如果遇到傾角較大的巖層，應(yīng)先將平面中的分界線復(fù)制進(jìn)文件，利用創(chuàng)建跡線工具將其壓印到三維地質(zhì)體表面上，然后利用抽稀工具，得到抽稀后的跡線。結(jié)合地質(zhì)資料或平面圖里的巖層產(chǎn)狀信息，用抽稀后的跡線和圖層剖面線生成地面線以下的分界面；利用拉伸創(chuàng)建曲面工具生成地形面以上的部分；利用工具元素網(wǎng)格工具和縫合網(wǎng)格工具來最終生成巖層的分界面。

⑤如果遇到夾層，范圍較大的夾層可直接利用工具拉伸創(chuàng)建曲面，再將圖層剖面線拉伸形成分界面；范圍較小的夾層可以采用透鏡體工具生成。

⑥如果遇到覆蓋層，根據(jù)具體情況有兩種做法。

第一種：利用平面圖上的分界線創(chuàng)建跡線，再繪制工程區(qū)邊界(略大于跡線的范圍)；利用創(chuàng)建地質(zhì)邊界工具，在基本信息中點(diǎn)選巖性，選擇分界面的巖性，點(diǎn)選簡化grid；在參考面信息欄點(diǎn)選網(wǎng)格面；在數(shù)據(jù)來源欄點(diǎn)選剖面和跡線。

第二種：利用平面圖上的分界線創(chuàng)建跡線并抽??；分別將抽稀后的跡線向外側(cè)平行移動(dòng)(點(diǎn)選復(fù)制)，之后再垂直向上移動(dòng)，最后用地質(zhì)界面工具(ctrl)點(diǎn)選跡線，由復(fù)制到外側(cè)的跡線以及圖層剖面線生成覆蓋層分界面。

(4)切割地質(zhì)體

①一般采用網(wǎng)格提取，按圖5選擇。

圖5 網(wǎng)格提取

選取目標(biāo)地質(zhì)體進(jìn)行布爾操作。剪切如果成功，查看被剪切的兩部分是否都有體積；如果剪切后不成體，優(yōu)先做法是撤銷，然后檢查體與面是否有問題；其次是將沒有體積的網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為智能實(shí)體，如果再次失敗，可通過網(wǎng)格檢查工具進(jìn)行檢查。

②當(dāng)網(wǎng)格體無法用曲面剪切時(shí)，需使用元素網(wǎng)格工具將曲面轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格面。

③剪切時(shí)，應(yīng)按照由易到難的順序。

④剪切錯(cuò)誤時(shí)，也可以將地質(zhì)體切小后再進(jìn)行剪切；剪切地形面出錯(cuò)時(shí)，可將地形面先切成多個(gè)小塊(每塊應(yīng)比待剪地質(zhì)體大)后再剪切，可以提高提取速度。

⑤剪切過程中應(yīng)該注意備份過程文件或過程體文件，防止文件損壞或誤操作。

⑥若剪切后沒有體積，可以先將其轉(zhuǎn)化為智能實(shí)體后再轉(zhuǎn)為網(wǎng)格體(可確保成體)。

⑦如果面的范圍與體一致時(shí)容易發(fā)生錯(cuò)誤。因此，面的范圍應(yīng)該略大于體。

⑧每一次切割可能會(huì)產(chǎn)生一些錯(cuò)誤，如排空或者重疊小平面，但其仍舊會(huì)被識(shí)別為有體積。當(dāng)對某一塊體進(jìn)行多次切割后，由于錯(cuò)誤的積累，最后會(huì)生成無法改正的網(wǎng)格或者體積為0的智能實(shí)體。因此，遇到需要多次切割的情況時(shí)，要調(diào)整切割順序，避免過多次數(shù)的切割。

⑨工程區(qū)邊界、剖面和跡線生成后會(huì)存入數(shù)據(jù)庫，如需刪除，可點(diǎn)選刪除數(shù)據(jù)工具，并且點(diǎn)選“是”。

3 地質(zhì)工點(diǎn)中接頭的處理

由于二維設(shè)計(jì)的缺陷，有時(shí)兩個(gè)工點(diǎn)的地質(zhì)體并不能完美連接，需要進(jìn)行連接處理。

3.1 生成原始?jí)K體

①利用拉伸創(chuàng)建曲面工具做一個(gè)較大的底面；

②將曲面元素網(wǎng)格化；

③放置智能線，將底面框選成合適的尺寸；

④利用網(wǎng)格投影工具，點(diǎn)選修剪、正交，將底面網(wǎng)格裁剪成合適的尺寸；

⑤利用加厚網(wǎng)格得到原始的網(wǎng)格體。

3.2 生成巖性分界面

①提取出兩邊巖層的輪廓，將兩邊的網(wǎng)格體復(fù)制進(jìn)新建圖層，用刪除小平面工具刪除網(wǎng)格體上(接頭除外)的所有面；

②用網(wǎng)格審核進(jìn)行檢查，點(diǎn)選排空，得到兩側(cè)巖層輪廓；

③如果要將巖層做成尖滅，可直接利用輪廓線拉伸曲面，得到分界面；

④如果兩個(gè)工點(diǎn)之間需要連通，可利用曲線的網(wǎng)格工具或者邊界曲線的曲面工具，點(diǎn)選兩側(cè)輪廓線，得到分界面；再利用兩側(cè)輪廓線拉伸曲面工具，將分界面做得比體稍大。

4 地質(zhì)屬性賦值方法

首先新建屬性類庫，類庫下建立新ItemType，在此可以建立“巖層”、“土層”等屬性表。

在屬性表下，利用New Property Definition為項(xiàng)目添加屬性表信息，如IFD編碼、地質(zhì)時(shí)代、地質(zhì)成因、地層巖性、基本承載力等。

通過ItemType的附加項(xiàng)(Attach Item)調(diào)出窗口，將信息輸入到空白欄中，并選擇要附加屬性的三維模型。

5 實(shí)例介紹

以某高鐵隧道地質(zhì)工點(diǎn)為例，介紹BENTLY平臺(tái)的圖形端地質(zhì)三維建模技術(shù)(見圖6)。

圖6 隧道地質(zhì)工點(diǎn)模型

根據(jù)線位里程制作一個(gè)底面(黃)，以此拉伸出原始?jí)K體，并與地形面做一次切割(見圖7、圖8)。

圖7 塊體底面

圖8 原始?jí)K體

根據(jù)不同地層環(huán)境生成不同性質(zhì)的巖性分界面。在生成分界面之前，應(yīng)預(yù)測真實(shí)環(huán)境下地層的分布形態(tài)，然后選擇合適的分界面類型。

圖9 強(qiáng)弱風(fēng)化界面

圖10 傾角較大巖層分界面

圖11 斷層分界面

圖12 覆蓋層分界面

圖9～圖12為四種巖性分界面，可采用網(wǎng)格提取或?qū)嶓w工具提取。隨著切割次數(shù)的累加，被分割塊體的錯(cuò)誤也在不斷累加，故在進(jìn)行切割操作時(shí)應(yīng)注意切割順序，最常見的方法是將原始?jí)K體分為兩大部分分別進(jìn)行切割，而不是將原始?jí)K體從一端順序切割到另一端。

圖13 地質(zhì)體模型成品

圖13為地質(zhì)體模型成品，由圖13可知，地質(zhì)體模型成品可以很直觀地表現(xiàn)出巖層在三維空間下的分布狀態(tài)，經(jīng)過屬性賦值后，可以方便地查詢巖層的參數(shù)。三維地質(zhì)建模很好地解決了二維空間下地質(zhì)空間概念不強(qiáng)、難以保證地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間認(rèn)識(shí)的一致性和深入性等不足，體現(xiàn)了BIM技術(shù)在三維地質(zhì)方面所具有的多維化、模擬性等特點(diǎn)。

6 結(jié)論

詳細(xì)歸納了三維地質(zhì)建模在bently平臺(tái)下的工作流程、建模方法、附加屬性方法及需要注意的事項(xiàng)等，提供了一套較為完整的三維地質(zhì)建模的工作流程，形成了一套在bently平臺(tái)下的三維地質(zhì)建模標(biāo)準(zhǔn)，為下一步全專業(yè)更大規(guī)模BIM應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。