铁路工程地质BIM技术方法研究

黄新文 薛宇腾 张忠良

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 BIM概述

目前，多个国家和地区已陆续发布了BIM国家、行业及企业级标准。并将设计理念拓展为全专业的三维设计[1-2]。BIM技术具有数字化、可视化、多维化、协同性等特点[3]。利用BIM技术可以有效整合各方信息化的需求，构建一个统一、协同的信息环境。BIM技术贯穿于规划、勘察、设计、施工、运营、维护的全寿命周期，成为勘察设计企业转型升级的重要手段之一[4]。近些年，铁路工程(尤其是重要工程)越来越多地采用了BIM技术，这已经形成一种趋势。

国内建筑、公路、铁路行业BIM技术所采用的软件主要为：欧特克(Autodesk)的Revit/Civil3D、达索的CATIA、奔特力(Bentley)的Microstation以及在其基础上形成的PowerCivil及AECOsim Building Designer。

2 地质BIM三维建模

BIM技术在工程地质勘察中的应用可分解为勘察资料整合、多源数据分析以及三维地质信息建模。工程地质勘察过程中，原始资料主要为区域地质资料、矿产资料、水文资料等地质信息，以及后续开展的工程地质调绘、地质勘探、工程物探、原位试验、土工试验等勘察信息。这些信息种类多样、形式各异，可利用BIM技术将其合理分类并有机整合，使地质数据能够有序地向下传递。基于BIM技术所提供的数据信息平台，可以有效提高工程地质信息整合工作的效率和质量，其统一的数据存储格式也为基于BIM技术的三维地质建模提供了基础信息。

自20世纪70年代开始，经过几十年的积累与完善，国外的三维地质建模软件在稳定性及功能方面都有了较大的发展。这些软件主要涉及到地质基础信息处理、地震勘探分析、地质三维建模、矿山三维建模、矿产评估、矿产管理、模型处理、生产流程管理等领域。国内的三维地质建模研究始于20世纪80年代末。随后，国内学者在多个领域对三维地质建模技术进行了大量的探索与研究。目前，市场上已有的三维建模软件主要应用于矿山地质以及石油地质等方向[9]，在轨道交通和公路、铁路等线性工程方面应用较少。

3 铁路工程地质BIM技术现状

3.1 铁路BIM标准

中国铁路BIM联盟成立于2013年。随后，联盟开展了站前、站后多个专业BIM 标准体系的研究，初步建立了铁路BIM 标准体系框架，编制发布了《铁路工程实体分解指南》、《铁路工程信息模型分类和编码标准》、《铁路工程信息模型数据存储标准》等多项铁路BIM技术标准[10-12]，为BIM底层平台的搭建提供了标准保障。目前，正在多个铁路项目上开展试点应用及标准验证工作。

在工程地质标准体系方面，中国铁路BIM联盟并未形成统一的标准，仅在《铁路工程信息模型分类和编码标准》中对岩层分类进行了定义[13]。

3.2 铁路工程地质BIM技术

铁路工程具有线路长、工点多、分布范围广、参与单位多、投资大、质量要求高、安全风险大等特点，任何的细节失误都会造成巨大的损失。BIM技术的数字化、多维化，以及多专业、多单位的协同化工作等特点，可贯穿铁路工程的全寿命周期。

多专业协同设计能实现不同阶段专业间的无缝衔接，达到信息最大程度的共享[14-15]，减少施工阶段由于设计变更而造成的浪费。此外，还能提高工程管理能力，使工程管理更加精细化，决策更加科学化。

(1)专业设计

铁路设计过程中涉及的专业有线路、站场、地质、路基、桥梁、隧道等二十几个专业，各专业分工非常精细，专业间通过设计协同平台进行统一管理和运作。目前，大部分BIM技术应用仍处于利用已完成的二维图件进行翻模的状态，还未形成流畅的正向设计流程。因此，适合铁路工程协同设计的BIM技术流程及工作流程还有大量的工作要做。

在智能铁路构件化设计中，很难将建筑BIM的方法直接套用(尤其是路基、地质专业等与地形面密切相关的专业)。因此，有必要研究这些构件的构成方法，并利用软件开发出适用于这些专业的相关参数化构件，形成一套铁路专用的构件化设计方法。

(2)专业协同

铁路工程勘察设计中，地质专业是最基础的专业，工程地质勘察对铁路选线以及专业工程设置都起着决定性的作用。此外，地质专业还承担着为各个专业提供地质资料的任务。

勘察设计的相关专业(如桥梁专业)可通过协同平台，从地质模型中快速提取桥墩位置的地质信息及相应的地质参数，并进行专业结构计算，从而实现专业构件的快速设计。

4 地质三维建模方法

目前，地质三维建模主要有三种方法。

(1)地层面剖切法

该方法通过地层数据信息生成地层分界面，再由网格逐层切分形成三维地质体。这种方法建模准确度相对较高，对三维地层的平面范围、纵向深度控制相对准确，但是工作周期较长、操作难度较大，主要适用于山区或地层较为简单的地质情况。

(2)横向拟合拉伸法

该方法通过钻孔剖面连线向两侧横向拟合拉伸，生成三维地质体，避免了大量切割网格的过程，易于掌握、出错率低、建模速度快，但是缺少三维平面控制，平面精度较低，主要适用于地形平坦、地层较为复杂的地质建模。

(3)三棱柱法

通过勘探孔确定位置关系及地层关系，然后逐层围合，形成地质体的三棱柱。这种方法适合于地形简单、地层复杂场地的地质建模。

5 工程实例

5.1 八达岭隧道及八达岭地下站

八达岭隧道是京张高铁的控制性工程，全长12.01 km，穿越居庸关、水关、八达岭长城等多个风景名胜区。八达岭长城站是八达岭隧道内的地下车站，位于北京延庆八达岭滚天沟停车场下方，可为八达岭景区提供便捷、高效、环保的交通方式。

地质模型采用剖切方法逐层生成，首先根据地质勘察数据生成地层网格面，再由网格面逐层切分，形成三维地质体。BIM成果见图1～图3。

图1 八达岭隧道地质模型

图2 八达岭地下站地质模型

图3 八达岭隧道出口段地质模型

根据隧道实际开挖情况，建立隧道围岩模型、岩性模型，见图4～图5。

图4 八达岭地下站围岩等级模型

图5 八达岭地下站岩性模型

5.2 官厅水库特大桥

京张高铁官厅水库特大桥是京张高铁全线的控制性工程之一，位于河北省怀来县东花园镇与狼山乡之间，跨越官厅水库。

桥址区主要为第四系地层，钻孔内地层复杂，难以采用地层面剖切的方法进行建模。故决定采用钻孔剖面连线向两侧拉伸生成三维地质体的建模方法。该方法适宜软件编程和批量化实现，地质模型见图6～图7。

图6 官厅水库特大桥地质模型(全景)

图7 官厅水库特大桥地质模型(局部)

5.3 清河站

清河站是京张高铁规模最大的车站，也是目前北京市内引入地铁线路最多的高铁车站，建成后将成为北京市北部的综合交通枢纽(图8)。

图8 清河站地质模型

车站范围内为第四系地层，钻孔多，剖面多，地层复杂，建模难度较大。地质模型主要采用了逐层围合形成地质体的三棱柱法。

6 结论

结合京张高铁地质建模情况，总结了适用于铁路工程的地质建模方法，并将建模方法应用于工程实践，针对不同类型工点运用不同的建模方法，达到了提高建模效率的目的。