工程地质BIM技术及其在水电工程中的应用

罗　宇，任志刚，原先凡

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都　610072)



工程地质BIM技术及其在水电工程中的应用

罗宇，任志刚，原先凡

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072)

BIM是一种新型的设计方法，它实现了设计从二维空间到三维空间的变革，使基础建筑信息数字化。目前，BIM主要应用于建筑和结构等专业，较少应用与工程地质设计领域。本文讨论了BIM在工程地质设计中的应用，分析了传统工程地质设计与BIM工程地质数字化设计方法和优缺点；以及在引水隧洞设计中的应用实例,为BIM在工程地质设计中的应用提供了参考和借鉴。

BIM；工程地质；数字化设计；三维模型

1　BIM的概念

BIM概念最早是由卡耐基麦隆大学的查理·伊斯特曼教授在1975提出的“建筑描述系统(Building Description System)”发展而来。而今BIM被最终定义为“建筑信息模型(Building Information Modeling)”，其概念是利用三维数字技术，以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型基础，进行建筑三维模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性五大特点[1]。

BIM的作用在于可以在项目建造之前以数字化方式对其关键物理特征和功能特性进行综合探索；可以帮助提高项目交付速度、减少成本，并降低环境影响。借助BIM，设计人员可以在整个过程中使用协调一致的信息，可以更准确的查看并模拟项目在现实世界中的外观、性能和成本，还可以创建出更佳准确的施工图纸[2-4]。

2　BIM与工程地质有机结合

2.1工程地质设计的发展概况

解放以前，我国的工程地质隶属土木工程范畴，没有建立独立地质工程学科。新中国建国后才有了长足的进步和发展，形成了独立的学科。至今，工程地质勘察已成为工程建设中不可缺少的一个重要组成部分。工程地质随着建筑业的“信息革命”，从最开始的纸上手绘作图，逐步向电脑CAD作图发展；而三维技术的成熟，将进行二次“信息革命”向三维化发展。水电行业自上世纪90年代以来，成都院、华东院、北京院等单位，在这方面进行了大量的探索和研究工作，取得了丰硕的成果。作者所在的地质团队正是应用成都院开发的Geosmart地质信息系统和Gocad水电地质模块，完成了玉瓦总承包项目的BIM应用。

2.2BIM与专业地质三维软件的契合

BIM落实到水电地质，其核心就是地质信息的流转和应用，水电水利工程地质勘测数据类众多，获取手段不一，记录格式、坐标、描述的精细程度差异大。水电地质BIM软件应以生产流程为主线，基本地质条件为纲目，汇总各种勘测手段中的多元数据，围绕五大地质因素，按地质属性进行分类，并与工程勘察阶段、数据获取手段及空间位置等众多因素关联，使得地质数据变成“真正的数据信息”在生产过程中流动起来，形成深度关联又相对独立的数据中心。围绕数据中心按不同需求构建分析应用系统，最终形成一体化的水利水电工程地质设计平台，实现水电水利工程地质勘测全过程信息化。

作者目前使用的geosmart地质信息系统能将所有地质信息转化成数据信息，保存至数据中心库；而Gocad三维制图软件能将geosmart地质信息系统上传至数据中心的数据直接提取，生成相应的三维部件或模型，这与BIM根据建筑物相关数据作为基础模型完全契合。通过BIM工程地质数字化设计生成BIM三维模型后，可以更直观的查看各类地质信息，模拟不同情况下地质条件的变化、对建筑物的影响，能更有效的辅助工程师做出正确的判断。

2.3BIM工程地质数字化设计优势

传统工程地质设计弊端有：资料收集过程中存在填写、编录等不规范现象造成资料收集不完整。收集资料易丢失、损坏，查看翻阅不便等多种情况；制图方面工作量大，成图时间长，不能直观展示，修改繁琐，一个部位的修改，将修改全部相关图件。如遇特殊地质情况等还需重新作图分析，提出地质成果慢等。

BIM工程地质数字化设计优势：通过Geosmart地质信息系统能保证收集资料的规范化、标准化录入。所有地质人员录入地质资料均按同一标准输入资料，某一项未填写或填写不正确、不规范均不能正常提交，保证资料录入的完整性和规范性，并在流程系统中线上完成资料校核工作。而上传到数据中心的资料不易丢失损坏，查看提取便捷。

因此，BIM工程地质数字化设计三维模型就可通过Gocad三维制图软件直接提取数据中心数据生成，BIM三维模型一但生成，所有基础资料均能直观的展示在三维模型上，而大量的施工图纸均能通过Gocad软件一键成图，大大缩减工作量。如有修改，只需更新Geosmart基础数据，所有三维图件和通过三维图件生成的二维图件均能自动关联资料进行修改。技施阶段随着基础资料更新，三维模型也能自动完善，随时都能提供最新的地质成果。

3　BIM技术在玉瓦水电站中的应用

3.1工程概况

玉瓦水电站位于白水江流域一级支流黑河上游，属黑河～白水江水电规划“一库七级”开发的第二梯级电站，装机容量49 MW。属长引水隧洞式水电站，引水隧洞全长14.1 km，占总投资的61%，且为关键线路工期。引水隧洞的超前地质预报将是工程地质专业的工作重点及难点。

为了更加准确的把控引水隧洞区的地质条件，在地质条件发生变化时及时做出应对措施，以及做出准确可靠的超前地质预报。地质专业对引水隧洞采用了BIM工程地质数字化设计，招标阶段根据初期勘察地质资料生成BIM三维模型，并且通过模型预测引水隧洞各段围岩类别及比例。在技施阶段根据现场实际开挖揭示地质条件更新修改模型。与招标阶段预测进行对比，指导施工，对前期所预测的围岩类别复核，做好地质预报工作。

玉瓦水电站引水隧洞共设6条施工支洞，2014年12月4号支洞下游开挖遇到不良地质洞段，规模不等的顺层构造破碎带随机发育，加之地下水异常丰富，围岩类别为V类。受其影响，开挖进尺缓慢，日平均进尺不足1 m/天，已严重制约施工进度。

根据已有BIM三维模型的数据资料显示，该区域内没有发现大规模不良地质洞段的不利因素，但不排除前期地质资料匮乏造成的遗漏。为确保工程按期发电目标的完成，开展了地质复核工作，梳理制约工期的地质因素，完善更新BIM三维模型。

3.2地质资料收集

3.2.1开展地表调查

根据已有BIM三维模型地形图，查勘该段区域内的宏观地形地貌。发现该区域可能存在一条软弱岩带和断层。随即制定调查线路，对推测的软弱岩带、断层进行现场调查、复核(见图1)。

利用BIM三维模型能准确、快速的从宏观上判断该区的宏观地形地貌，目的明确的勘察可疑区域，不仅节省了大量时间，还减少了工作量。此次地表调查，现场地质定点31个，区域内未见明显层位、产状及岩性差异，无推测的软弱岩带和断层分部。并将收集的地质点相关信息录入BIM三维模型。

图1　地质调查线路与地质点三维模型

3.2.2综合分析已开挖揭示地质条件

根据已开挖揭示地质条件综合分析预测不良地质洞段地质特征。

在前期隧洞开挖过程中，收集到的地质资料均已录入Geosmart三维信息系统，并通过Gocad软件更新至三维模型(见图2)。原始资料在BIM三维模型中系统完整的展示，省去了大量资料查阅、整理时间，并能在三维图形上直观展示，便于地质工作人员作出判断。

3.2.3采用TRT超前地质预报

此外，还对该不良地质洞段做了TRT地震波超前地质预报，并将TRT预报检测数据与三维模型关联(见图3)。

图2　引水隧洞相关信息三维模型展示

图3　 TRT地质超前预报数据导入三维模型

TRT地质超前预报检测资料显示：掌子面前方20 m范围内地震波反射不明显，开挖面内未见低阻异常，岩体情况与掌子面类似；掌子面前方20～70 m段地震波反射明显，推测该段内岩体均一性变差；掌子面前方70～90 m段地震波反射无异常，推测该段岩体均一性变好；掌子面前方90～100 m段存在一明显低阻异常。

3.3空间分析

3.3.1完善三维模型

将收集到的所有地质资料，集中展示在BIM三维模型上，所有资料相互关联，通过模型系统分析该区域的地质条件(见图4)。

3.3.2空间分析结论及推测

该区域未见明显层位、产状及岩性差异，无推测的软弱岩带和断层分部。该段隧洞主要因围岩岩体单层厚度薄、强度低，抵抗构造影响能力差，加之随构造发育的地下水影响，使本就破碎的岩体进一步恶化，从而产生不良地质洞段。在区内大构造不发育情况下，岩体的单层厚度及强度是影响围岩稳定好坏的主控因素。

利用BIM三维模型发现地表调查地质点和隧洞开挖揭示的岩体单层厚度与产状具备协调性，通过三维多点连线，直观的推断出该区域总体产状，并推测出了五层厚度不一的岩层分层界线(见图5、6)。利用原有地质勘察手段，将需要大量剖面图和平面图切图判定，工作量巨大。

图4　三维模型展示示意

图5推测岩体单层厚度划分层与洞轴线三维俯视图6三维预测和实际开挖揭示岩层厚度分界示意

3.3.3提出地质建议及成果

根据BIM三维模型显示：沿原洞轴线方向开，前方约680 m岩层依然为薄层为主，且伴随小构造和地下水，围岩地质条件无明显变化。如向山内侧调整洞轴线，以最短距离快速穿过该段薄层不良地质洞段进入中厚层岩层，距离只有230 m。

经过多方商讨决定采纳地质设计建议，调整洞轴线方向。随后的开挖过程中发现，根据三维模型推测的岩体单层厚度分层与实际开挖揭示的地质条件一致，且厚度分层界线预测精度达到20 m以内。进入中厚层后，围岩类别迅速由Ⅳ、Ⅴ类围岩变为Ⅲ类围岩，之前的地质结论：岩体的单层厚度及强度是影响围岩稳定好坏的主控因素，也得到了应证。

因为BIM工程地质数字化设计，在遇到不良地质情况发生时，及时的提出了相应的地质结论及建议。据不完全统计，此次洞轴线调整，虽然洞轴线增加了52 m，但项目工期缩短5.1个月，投资节约186万元。而期间BIM地质数字化设计体现出的高效性、及时性、准确性就不言而喻。

4　结　语

随着传统二维设计在工程地质中的发展，传统二维设计的缺点日益突出。为了满足更好的设计要求和更复杂的工程项目设计，BIM技术应运而生，并在建筑行业得到了极大的推广和应用，也取得了良好的效果。BIM技术在工程地质设计中应用尚属起步阶段，本文所提出的BIM工程地质数字化设计望能在将来的工程地质设计中得到推广和应用。

[1]杰里·莱瑟琳，王新.BIM的历史[J].建筑创作.2011(6)：146-149.

[2]谢晓晨.论我国建筑业BIM应用现状和发展[J]. 土木建筑工程信息技术，2014,6(6)：90-101.

[3]宦国胜，王海俊，沈国华. 水利工程中三维信息模型技术平台的比选和应用[J]. 江苏水利，2015(1)：41-43.

[4]黄锰钢，王鹏翊. BIM在施工总承包项目管理中的应用价值探索[J]. 土木建筑工程信息技术，2013,5(5)：88-91.

2016-03-07

罗宇(1985- )，男，重庆武隆人，助理工程师，从事水利水电工程地质勘察工作。

P628.3,TV22

B

1003-9805(2016)03-0094-04