BIM 技術(shù)在公路地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

王朋偉

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅蘭州 730030）

0 引言

2018 年交通運(yùn)輸部發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)公路水運(yùn)工程BIM 技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見》[1]，推進(jìn)了BIM 技術(shù)在公路交通行業(yè)的發(fā)展。公路工程地質(zhì)勘察成果是公路設(shè)計和施工的重要依據(jù)，為公路建設(shè)提供地質(zhì)、水文、巖土等重要地質(zhì)信息。傳統(tǒng)的地質(zhì)勘察成果通過地質(zhì)縱斷面或橫斷面展現(xiàn)場地地質(zhì)信息，以定性描述為主，因設(shè)計人員地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)的不同，對地質(zhì)信息理解差異性較大，造成設(shè)計與地質(zhì)脫節(jié)，致使產(chǎn)生重大工程問題[2]。

三維地質(zhì)建模隨著計算機(jī)軟硬件的發(fā)展而廣泛應(yīng)用，迄今已有20 多種模型[3]，張夏林等[4]提出采用CPG 格架-礦體-屬性一體化建模，并應(yīng)用于錳礦床高精度三維地質(zhì)模型；唐丙寅等[5]提出基于三角網(wǎng)和角點(diǎn)網(wǎng)格的混合空間數(shù)據(jù)模型來構(gòu)建三維精細(xì)地質(zhì)模型的方法，并將其應(yīng)用到城市三維地質(zhì)模型的構(gòu)建中；李 建等[6]提出融合鉆孔與地質(zhì)剖面進(jìn)行混合地質(zhì)建模，建立鄭州市三維地質(zhì)模型；吳沖龍等[7]提出混合鉆孔、地震、剖面與DEM 耦合進(jìn)行三維地質(zhì)可視化建模，并應(yīng)用于地質(zhì)礦產(chǎn)三維信息展示平臺中。傳統(tǒng)的地質(zhì)三維建模難以實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)先驗(yàn)知識的融合，往往結(jié)構(gòu)與屬性建模過程割裂，建模效率低，也不能與工程構(gòu)筑物有效整合。

BIM 模型作為三維建模新技術(shù)，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等特點(diǎn)[8]。基于BIM 語言的三維地質(zhì)建?？梢哉宫F(xiàn)場地全方位地質(zhì)信息，讓設(shè)計人員易于讀懂場地地質(zhì)信息，實(shí)現(xiàn)工程勘察成果的精細(xì)化[9]。在BIM 技術(shù)的推動下，全方位、立體展現(xiàn)場地三維地質(zhì)環(huán)境將成為公路建設(shè)BIM 數(shù)據(jù)成果中的一個重要組成部分[10]，便于準(zhǔn)確把握地質(zhì)風(fēng)險，為工程建設(shè)的順利進(jìn)行提供技術(shù)保障。

本文基于BIM 技術(shù)構(gòu)建隧道工程三維地質(zhì)模型，探討B(tài)IM 技術(shù)融入三維地質(zhì)建模的理念和思想，對推動公路三維地質(zhì)建模具有重要意義。

1 依托工程

天水繞城高速-南川隧道穿越渭南鎮(zhèn)劉莊村與竇家峽村之間的山梁，進(jìn)口段位于劉家莊村西側(cè)，出口段位于竇家峽小學(xué)南側(cè)500 m 楊家溝溝口（見圖1）。

圖1 南川隧道地貌圖

隧址區(qū)處于構(gòu)造剝蝕低中山地貌，屬于渭河右岸突出的山咀，地形起伏變化較大，呈西南高東北低，臨河側(cè)坡面自然坡度約40°～55°，基巖零星出露。隧道橫穿山咀，高程1135～1485 m，坡面植被發(fā)育，多為灌木及喬木。

隧道位于中祁連造山帶和北秦嶺造山帶的結(jié)合部位，區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，李家崖-南河川逆斷層與隧道小角度相交。

隧道通過地層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q3eol）、上更新統(tǒng)沖積黃土、圓礫（Q3al+pl）；新近系砂質(zhì)泥巖（N）、下古生界牛頭河群花崗片麻巖（Pz1nt41）及斷層角礫巖。該隧道地層巖性復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。本文采用BIM 技術(shù)構(gòu)建隧道三維地質(zhì)模型，分析隧道穿越地層及構(gòu)造帶，為隧道設(shè)計提供地質(zhì)支撐。

2 技術(shù)路線

地質(zhì)信息是在多種地質(zhì)調(diào)繪、勘探、試驗(yàn)等信息基礎(chǔ)上匯總而成。三維地質(zhì)建模就是在這個基礎(chǔ)上對地質(zhì)信息在三維空間形態(tài)的展現(xiàn)，直觀反映地質(zhì)體空間分布特征。

三維地質(zhì)建模的核心是構(gòu)建地質(zhì)層面的三維展布，需要科學(xué)的空間曲面擬合，盡可能貼近地質(zhì)認(rèn)知。這就需要把地質(zhì)調(diào)查、勘探等點(diǎn)、線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地層面，然后生成地質(zhì)體的空間發(fā)展理念。三維地質(zhì)建模模型的精度首先取決于工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)的精度，其次是地層曲面擬合算法對地質(zhì)面自適應(yīng)的能力[11]。

常見的三維地質(zhì)建模方法有：基于鉆孔數(shù)據(jù)的建模方法、基于剖面數(shù)據(jù)的建模方法、基于多源數(shù)據(jù)融合建模方法等[12]。這些方法通過局部的、精細(xì)的地質(zhì)描述數(shù)據(jù)約束進(jìn)行構(gòu)建相應(yīng)的地質(zhì)界面模型。

鉆孔建模：通過鉆孔平面位置和地層分層信息，快速建立起地層分層的基本參考信息，通過鉆孔地層之間連接模擬地質(zhì)信息，建立地層面及地質(zhì)體。本方法自動化程度高，適合地形簡單、地層穩(wěn)定、鉆孔規(guī)模大的場地。一般不需要人工干預(yù)，電腦自動完成三維建模。但這種建模方式交互程度低，一般只適用于地層簡單的地質(zhì)模型，無法處理斷層或倒轉(zhuǎn)褶皺等復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象。

剖面建模：工程地質(zhì)剖面是工程地質(zhì)工作全部成果的綜合表達(dá)，匯集了地質(zhì)調(diào)查、勘探、試驗(yàn)以及地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)等相關(guān)信息。能夠反映典型和特殊的地質(zhì)現(xiàn)象，直觀表達(dá)地層分布和構(gòu)造特征。通過把二維空間剖面轉(zhuǎn)換成三維空間剖面，利用地層之間的拓?fù)潢P(guān)系生成三維地質(zhì)模型，速度快，效率高。建模的準(zhǔn)確性取決于工程地質(zhì)剖面的數(shù)量和質(zhì)量，適用于對地質(zhì)體有了基本認(rèn)知的基礎(chǔ)上，但不能反映地表地層出露情況，場地地質(zhì)出露不宜太復(fù)雜。

多源數(shù)據(jù)建模：即采用多種與地質(zhì)有關(guān)的數(shù)據(jù)融合進(jìn)行建模，數(shù)據(jù)包含地質(zhì)界線、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)點(diǎn)、不良地質(zhì)界線、剖面、勘探等多樣化數(shù)據(jù)。不同地質(zhì)體采用不同的建模方法，最后進(jìn)行模型整合與拓?fù)溆嬎?，?shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)模型建模。具體方法是從工程地質(zhì)平面圖、工程地質(zhì)剖面圖以及勘探等數(shù)據(jù)中提取特殊地質(zhì)構(gòu)造信息，比如斷層的走向線、產(chǎn)狀，生成斷層的空間展布模型。從斷面中提取透鏡體信息，生成三維透鏡體模型。將生成特殊地質(zhì)體整合在地質(zhì)模型中，然后通過布爾運(yùn)算生成合理的復(fù)雜地質(zhì)模型。建模過程伴隨著地質(zhì)解譯過程，數(shù)據(jù)豐富，模型精度高，交互程度高，全方位反映地下及地表地質(zhì)信息，能夠構(gòu)建大型復(fù)雜的地質(zhì)體，適用性強(qiáng)。但該方法處理數(shù)據(jù)較復(fù)雜，建模過程需要較多人工干預(yù)[13]。

因多源數(shù)據(jù)建模能夠統(tǒng)籌各類地質(zhì)信息，且建模精度高，故本文采用多源數(shù)據(jù)建模構(gòu)建南川隧道三維地質(zhì)模型，技術(shù)路線如圖2。

圖2 多源數(shù)據(jù)融合建模

3 基于BIM 的三維地質(zhì)模型構(gòu)建

3.1 三維地質(zhì)建模

本次建模采用北京華創(chuàng)匯祥公司旗下Aglos Geo 軟件，該軟件系基于Bentley 平臺開發(fā)的三維地質(zhì)建模軟件，具有內(nèi)存小、更便捷、互操作性高等特點(diǎn)[14]。

該軟件采用數(shù)據(jù)端和圖形端對勘察信息模型進(jìn)行管理；數(shù)據(jù)端錄入主要地層信息（地質(zhì)點(diǎn)）、勘探信息（鉆孔、探井等）以及工程環(huán)境顯示樣式等重要數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖像顯示分離，減少誤操作對后臺數(shù)據(jù)的刪除與重置等。

圖形端屬于操作平臺，支持百萬級TINs 的流暢顯示、編輯以及布爾運(yùn)算。用國際先進(jìn)的克里金地質(zhì)算法和距離冪函數(shù)形成光滑的TINs，可創(chuàng)建各種連續(xù)的、非連續(xù)、有邊界的地質(zhì)界面、斷層界面、透鏡體等。

本文采用多源數(shù)據(jù)融合進(jìn)行三維地質(zhì)建模，基礎(chǔ)地質(zhì)資料包括鉆孔、平面地質(zhì)界線、產(chǎn)狀、地質(zhì)點(diǎn)、不良地質(zhì)界線、斷層、工程地質(zhì)剖面等。三維地質(zhì)建模具體步驟如下：

（1）在數(shù)據(jù)端建立項目庫，并導(dǎo)入理正勘察數(shù)據(jù)庫，設(shè)置工程環(huán)境，包括地層、巖性、風(fēng)化、斷層、夾層等基本信息的設(shè)置；

（2）圖形端選擇需要創(chuàng)建工點(diǎn)的勘探點(diǎn)，并對勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，形成鉆孔BIM 模型（見圖3）；

圖3 鉆孔BIM 模型

（3）導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)，修正檢查錯誤圖層，生成三角網(wǎng)的數(shù)字高程模型模擬三維地形面；

（4）讀入或編輯剖面：將已知的剖面圖移動到對應(yīng)里程樁號位置，在三維系統(tǒng)里編輯地質(zhì)剖面，并賦地層信息；

（5）導(dǎo)入地質(zhì)調(diào)繪界線和地質(zhì)點(diǎn)信息，將其壓印到三維地表模型表面，并賦地層信息；

（6）采用克里金算法結(jié)合鉆孔、剖面、地質(zhì)調(diào)繪等信息對地層面進(jìn)行擬合，形成光滑的地層界面?？死锝鹚惴◤V泛用于地下水模擬、土壤制圖等領(lǐng)域，是一種有效的地質(zhì)統(tǒng)計格網(wǎng)化方法；

（7）對擬合地層面進(jìn)行局部調(diào)整，采用探針、地質(zhì)點(diǎn)、剖面編輯等對地層面進(jìn)行微調(diào)整，直到符合真實(shí)的地質(zhì)界面為止；

（8）斷層創(chuàng)建，根據(jù)平面斷層露頭、物探推算斷層走向以及斷層傾角，采用陣列方式擬合斷層面，形成斷層體模型（見圖4）；

圖4 斷層面的創(chuàng)建

（9）依據(jù)地層關(guān)系，通過地形面對地層面、斷層面進(jìn)行修剪，形成標(biāo)準(zhǔn)地層面；

（10）利用立方體與地層進(jìn)行布爾運(yùn)算，獲得地質(zhì)體三維模型，并賦地質(zhì)屬性信息，最終建成三維地質(zhì)體，見圖5。

圖5 隧道三維地質(zhì)模型

3.2 三維構(gòu)筑物建模

BIM 技術(shù)在公路工程勘察中應(yīng)用，集中體現(xiàn)在地質(zhì)勘察三維成果與公路構(gòu)筑物等專業(yè)耦合，加強(qiáng)巖土勘察成果的表達(dá)力。不僅包含地質(zhì)內(nèi)容，而且含有構(gòu)造物與地質(zhì)相互關(guān)系，直觀表達(dá)構(gòu)筑物通過的地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造，將巖土工程勘察融入到BIM 全生命周期的進(jìn)程中[15]。

采用Aglos Geo 軟件對構(gòu)造物三維模型進(jìn)行生成，步驟如下：

（1）根據(jù)總體圖、剖面圖生成隧道三維曲線，以夾層形式賦值屬性；

（2）利用隧道橫斷面與隧道三維曲線在三維空間疊加，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)矯正，使得橫斷面圖中心點(diǎn)與隧道三維曲線正交，形成三維隧道橫斷面標(biāo)準(zhǔn)圖；

（3）采用掃描創(chuàng)建實(shí)體沿著隧道曲線走向獲取隧道三維空間實(shí)體，見圖6、圖7。傳統(tǒng)的隧道地質(zhì)展示以二維地質(zhì)剖面圖和橫斷面對隧道地質(zhì)信息進(jìn)行描述，很難反映隧道三維空間地質(zhì)信息[16-17]。將三維地質(zhì)模型與隧道工程實(shí)體進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)工程隧道巖土勘察BIM 模型，可全方位、多角度查看隧道所處的地層巖性以及地質(zhì)構(gòu)造，準(zhǔn)確把握地質(zhì)風(fēng)險（見圖8、圖9）。

圖6 隧道橫斷面三維展布

圖7 隧道三維軸線建模

圖8 三維隧道地質(zhì)模型

圖9 斷層與隧道的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）通過BIM 技術(shù)，充分利用地質(zhì)調(diào)繪、勘探、地質(zhì)剖面等成果資料，結(jié)合對地質(zhì)體和地質(zhì)構(gòu)造的理解，生成三維地質(zhì)模型，成為一種全方位表達(dá)公路地質(zhì)信息的手段。

（2）三維地質(zhì)建模能夠更加直觀表達(dá)公路構(gòu)筑物與地層、地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系，提高設(shè)計人員對地質(zhì)信息的理解。

（3）三維地質(zhì)建模能夠準(zhǔn)確反映地質(zhì)風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)工程勘察成果的精細(xì)化，有利于提高工程地質(zhì)勘察質(zhì)量。