基于CIVIL 3D的三維地質建模研究
——某電廠架構區(qū)三維地質建模實例

張國明

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 石河子 832000）

近年來隨著建筑信息模型（BIM）的發(fā)展，土木工程行業(yè)對BIM 技術提出了相應的要求，尤其在地面建筑行業(yè)，而在巖土工程勘察領域，BIM 技術的發(fā)展相對緩慢。在設計行業(yè)BIM 技術的特點在于參數(shù)化，其各種建筑結構可以由形狀規(guī)則的構件組成，基于參數(shù)進行驅動，可以三維化、動態(tài)化，而地下各種巖土體的形狀無規(guī)則，采用參數(shù)化建模非常困難。想要將地質勘察專業(yè)BIM 化、三維化、動態(tài)化，其過程比設計專業(yè)復雜的多，地質模型建立后不僅只是提供給業(yè)主展示，還要能提供給設計人員進行建基面開挖、土方計算。

本文基于Civil 3D 土木工程軟件建立三維地質模型[1-3]，Civil 3D 對CAD 有很好的繼承性，對建筑領域常用的Revit支持性強，但其三維地質建模能力較弱，Geotechnical Module 插件是Keynetix 公司開發(fā)的增強其地質建模功能的插件，很好的完善了Civil 3D地質建模能力的不足。

地質建模數(shù)據(jù)主要為鉆孔、探坑數(shù)據(jù)，勘探工作一般按規(guī)范要求按一定間距布置勘探點，勘探點密度相較與地形高程點數(shù)據(jù)量較為稀疏，隨著勘探階段的推進數(shù)據(jù)也逐步增多。

1 工程概況

某新建電廠架構區(qū)位于準噶爾盆地南緣，石河子市以北，屬瑪納斯河沖積、洪積平原中下部，地形南高北低，地勢平緩，地形平坦開闊，起伏變化不大，海拔高程386.3～389.5 m。主要構筑物為輸變電架構，擬采用獨立基礎。

根據(jù)架構柱的布置，按詳勘階段勘察要求在場地中布置了20個鉆孔，鉆孔深度分別為10 m、15 m。

根據(jù)鉆孔揭露其地層如下：①雜填土，厚度0.40～1.20 m，雜色、土黃色，以煤炭、碎石為主，含大量植物根系，松散、干燥。②粉土、粉質粘土互層，黃色，埋深0.40～1.20 m，厚為0.50～5.60 m，東薄西厚，濕-飽和，稍密，搖震反應中等，無光澤，干強度、韌性低。上部含少量植物根系。③圓礫，青灰色，松散-稍密，場地處分布連續(xù)，埋深1.3～7.5 m，厚度3.00～8.90 m，該層最大可見粒徑60 mm，骨架顆粒5～20 mm，其含量超過50%，顆粒多呈次棱角形，中粗砂充填，級配較好，分選性差。③-1 粉細砂：青灰色，飽和，稍密，砂質純凈，于場地中以透鏡體存在，厚度0.50～3.20 m。③-2 中砂，青灰色，飽和，稍密，砂質純凈，于場地中以透鏡體存在。⑤粉質粘土，灰黃色、灰黑色，分布較穩(wěn)定，飽和，中密狀，埋深9.4～12.4 m，厚度2.00～9.70 m。

2 勘察數(shù)據(jù)處理

2.1 地形數(shù)據(jù)處理

一般根據(jù)測繪專業(yè)提供的地形圖生成地形曲面，對DWG 地形圖清理與地形無關圖元，可使用等高線、高程點等創(chuàng)建曲面，其方法較多，各種資料介紹也較多，在此不再詳述。

2.2 工程地質數(shù)據(jù)處理

Geotechnical Module 插件中的Data Management模塊主要是數(shù)據(jù)文件的導入、導出，支持Hole BASE SI 的數(shù)據(jù)庫和CSV 文件，一般采用CSV 文件?；緮?shù)據(jù)由2 個文件組成，分別為Location Detail.csv、Field geological Descriptions.csv。其中Location De?tail.csv 是鉆孔的平面位置文件，保存鉆孔的孔口坐標、高程等信息；Field geological Descriptions.csv 主要保存每個鉆孔的分層數(shù)據(jù)。

Location Detai.csv（鉆孔的平面位置文件）文件格式為每個鉆孔為1 行，共6 列，分別代表鉆孔的編號、類型、X 坐標、Y 坐標、孔口高程、孔深。根據(jù)文件格式分別錄入20個勘探鉆孔的平面數(shù)據(jù)。

Field geological Descriptions.csv（鉆孔地層文件）文件中每一地層為一行，一個鉆孔有幾層就輸入幾行，第一列為鉆孔編號，與Location Detail.csv文件的標號一致，第二列表示地層的層頂深度，第一層層頂為0，其余地層不能為0；第三列表示地層的層底深度，最后一層的層底深度即為鉆孔深度。上一層的層底深度要與下一層的層底深度一致，否則會報錯。第四列為地層的圖例代碼，是插件自帶的圖例代碼，可作為分層標簽，第五列為地質代碼，可作為分層標簽。第六、第七列與第五列類似，采用不同分層標注代碼，對第四、五、六、七列不必全部輸入，但至少要輸入一列。

Civil 3D是曲面建模，采用自上而下逐層建模的方法。因為不是每一個鉆孔都能揭露場地的全部地層，有些地層是以透鏡體形式存在的，為了建模方便，對于場地中所有鉆孔揭露的地層進行統(tǒng)計，按地質規(guī)律建立自上而下的層序，即全部地層的標準層序，并編制地層唯一序號。層底深度減去層頂深度代表層厚，層頂、層底深度相同代表厚度為零，對于某鉆孔中未揭露到的地層可按層頂、層底深度相同錄入處理。經(jīng)這樣處理后的所有鉆孔將有相同的地層分布，按處理后的鉆孔地層數(shù)據(jù)錄入生成Field geological Descriptions.csv文件。

3 生成地質模型

利用Geotechnical Module 插件建立工程數(shù)據(jù)庫，并導入Location Detail.csv、Field geological De?scriptions.csv 文件，生成三維地質鉆孔柱狀模型。Geotechnical Module 插件 的Asset Management 模塊Stratac按鈕，進行地質曲面的快速生成，需要選擇曲面標識為Geology Code，注意要勾選生成地層的頂、底曲面，以便剖切剖面的順利填充。生成后可利用Civil 3D自身功能菜單調正修改曲面樣式，通過動態(tài)觀察器旋轉不同角度查看地質曲面。

4 三維地質模型驗證

利用勘察數(shù)據(jù)建立的模型直觀的反應了場地的地層分布情況，為驗證地質建模結果的準確性，對三維模型通過剖切生成地質剖面圖（圖1），與勘察報告中地質工程師人工繪制的剖面（圖2）進行相應對比。

從圖1、圖2中可以看出，基于鉆孔勘探數(shù)據(jù)建立的地質模型可以較好的展示地層，在勘探點處兩圖的地層分層信息一致，對第三層粉細砂透鏡體均能反應其趨勢，但其尖滅位置不同，勘察報告剖面由地質工程師根據(jù)地質規(guī)律及經(jīng)驗手工尖滅在兩鉆孔中間位置，地質模型其根據(jù)插值尖滅在相鄰鉆孔厚度為零的位置。雖然其尖滅位置不同，但從整體看三維地質模型能夠較為準確的表現(xiàn)地層的分布。

圖1 模型剖切地質剖面

圖2 勘察報告剖面

5 模型的精細化調整

由于2 種方式形成的剖面在勘探孔處地層一致，在透鏡體推測尖滅處不一致，地質勘察工作是由各勘探點經(jīng)地質經(jīng)驗推測形成地質剖面，由各地質剖面形成整個場地的地質情況，說明準確的勘察才能建立準確的模型。對這種不同可以采用在地質工程師推斷的尖滅位置放置虛擬鉆孔的形式解決，在虛擬孔中使透鏡體厚度為零，在后期加入虛擬鉆孔后透鏡體尖滅位置一致。這也說明建模工作離不開地質工程師繪制的地質剖面，通過地質工程師繪制主要剖面控制整個場地的地層趨勢就可較為準確的建立地質模型，而通過地質模型任意剖切剖面又可以極大的減少地質工程師繪制剖面的工作。

6 三維地質模型的應用

通過建立的地質曲面模型可方便的進行地質剖面任意剖切、不同類別土石方計算、與設計專業(yè)BIM協(xié)同等。

6.1 任意剖切剖面

使用Geotechnical Module 插件的剖切功能，實現(xiàn)對地質模型的任意剖切。以往勘察工作是按照設計建筑物的布置勘探工作并繪制工程地質剖面，如建筑物進行了平面調整但未超出勘察范圍，需要重新繪制剖面圖，費時費力。建立地質模型后可以很快的任意剖切剖面。設計人員通過模型也可以更好的理解場地的地質條件。

6.2 開挖算量

結合Civil 3D 在土木工程中強大的設計縱斷面功能，可以在設計斷面中加入各地層曲面的相關內容，以往縱橫段面圖只有原始地面線和設計線，現(xiàn)在可加入地層分界線；通過土方計算功能可以計算挖方總量中不同地層的方量，根據(jù)不同開挖等級賦予不同材質，其不同土石分級計算更準確，利用Civil 3D 生成土方報告。

6.3 多專業(yè)協(xié)同

通過Civil 3D 的“從曲面提取實體功能”，可以方便的根據(jù)地層頂、底面建立三維地質實體，地質實體可導入Revit 中，設計專業(yè)在Revit 中可根據(jù)地質體進行基礎設計、基坑開挖等，地質信息與上部建筑信息的融合，實現(xiàn)勘察、設計、建筑等多專業(yè)的BIM協(xié)同。

7 結語

利用Geotechnical Module 插件在Civil 3D 進行地質建模是完全可行的，插件的使用很簡單，軟件可自動生成地層簡單、連續(xù)的地質模型，透鏡體較多、層序復雜的地層需要地質工程師根據(jù)地質經(jīng)驗增加虛擬孔或對鉆孔間進行地質插值，才能建立準確的地質模型。說明準確的勘察才能建立準確的模型，建模工作離不開地質工程師繪制的地質剖面，通過地質工程師繪制主要剖面控制整個場地的地層趨勢就可較為準確的建立地質模型，而通過地質模型任意剖切剖面又可以極大的減少地質工程師繪制剖面的工作。

常規(guī)的地質建模軟件缺乏數(shù)值計算分析能力，研究地質模型在數(shù)值計算方面的應用是地質模型研究的方向之一，將地質模型導入數(shù)值計算模型直接進行數(shù)值分析計算將大大節(jié)約數(shù)值計算的建模時間。

隨著BIM技術的發(fā)展將產(chǎn)生更多的地質建模方式，使單一項目的地質模型匯成巖土工程大數(shù)據(jù)，基于巖土大數(shù)據(jù)的工程應用是未來發(fā)展的潮流。