天水曲溪供水工程地质BIM技术应用研究

刘黎溪，李万红，苏丽娜，刘杨威

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，兰州 730000)

BIM作为一种新型数字化信息化设计方法，已逐步应用于工程项目策划、设计、建造、运行、管理和维护的全生命周期过程中[1]。水利工程BIM技术起步较晚，且水利工程地质信息具有多元、多维、多时态等特点[2]，地形地质条件复杂的坝址区、长输水隧洞为三维地质建模的难点。以天水曲溪供水工程的三维地质建模过程为例，通过A平台的Civil 3D、Navisworks、3Ds Max和Vault等软件，进行复杂地质条件下三维地质建模、协同设计、审阅和漫游，实现了实体开挖算量、三维渲染和展示[3]。探索出不规则地质体的创建方法和采用真实岩性照片贴图渲染技术。直观地表达了地质结构和地层的空间关系。

1 工程概况

天水曲溪城乡供水工程，位于嘉陵江二级支流白家河，设计总库容7 782 万m3，正常蓄水位1 432 m，坝高80 m，初选重力坝和堆石坝两个方案，引水隧洞长21.6 km。

区内地貌划分为构造剥蚀中山区、剥蚀堆积红层丘陵区、黄土丘陵区和侵蚀堆积河谷区等4个次级地貌单元。沟谷发育，水系纵横，山峰与谷底相对高差400～600 m，山峰陡峻。河谷狭窄，漫滩、心滩、Ⅰ、Ⅱ级堆积阶地断续分布，残留Ⅲ、Ⅳ级侵蚀基座阶地。

工程位于秦岭褶皱系西段、秦岭北部海西冒地槽褶皱带，林木茂密。复式褶皱、次级褶皱及区域性断裂发育，有17条区域性断层，坝址区共发现次级小断层27条，隧洞沿线共发现次一级断层68条，地质构造复杂。

地质条件复杂，地层岩性种类多。主要有：①中泥盆统舒家坝组(D2s)云母角闪片岩、云母斜长片岩、角闪绿泥片岩、绿泥石英片岩、绿泥云母片岩等，夹少量大理岩、灰岩；②上泥盆统大草滩群(D3dc)石英砂岩夹砾岩、粉砂岩、千枚状板岩等；③中～下侏罗统(J1-2)砂砾岩及砂岩夹煤层、页岩夹砂岩及煤层；④古近系(E) 含砾泥岩、砂砾岩夹砂岩等；⑤新近系(N)泥质岩夹砂砾岩及黏土岩；⑥侵入岩有华力西期(δ4)花岗闪长岩、云母花岗岩，燕山期侵入岩(γ5) 二长花岗岩，以及花岗伟晶岩脉(γρ)、花岗岩岩脉(γ)等；⑦不同成因的各类第四系堆积物。

坝址区地质图见图1，重力坝坝轴线地质剖面图见图2。

图1 坝址区地质图Fig.1 Geological map of dam site area

图2 坝轴线剖面图Fig.2 Dam axis profile

2 三维地质建模

2.1 输入数据

采用中国电建北京院基于Civil 3D平台自主开发的地质三维建模软件，输入钻孔、平硐、物探、试验等数据，其中，钻孔36个总进尺3 200 m，平硐4个，竖井5个，探坑32个。在勘探点稀少区域，根据野外勘察收集的地质测绘资料，增加一定数量的虚拟钻孔数据来控制地质模型精度。输入岩性分界、断层、裂隙构造出露点、水边线、泉水露点等地质测绘数据及相关属性信息，绘制地质界线。项目所有数据存入地质数据库，以便在建模时调用。

2.2 创建地质曲面

利用Civil 3D和北京院BIM软件的地质建模功能创建地质三维模型。导入测绘点数据和校审后的地形图来创建地形曲面，并进行异常点修整处理。调用项目地质数据库信息，创建钻孔模型和基覆界面、风化界面、岩层界面、不整合界面、断层面、地表水、地下水面等各类曲面[4]。对地质曲面赋予地质属性及地质说明信息，以便各协同专业设计人员识别和查询，揭开地形曲面的地质模型见图3。其中，基覆界面为建模过程中的关键，基覆界面基于地形曲面建立，而几乎所有地质曲面又都是基于基覆界面和地形曲面来建立。因此，地形条件的复杂程度也决定了地质模型的复杂程度。不整合面等不规则曲面通过部件编辑器功能来实现，透镜体分上下两个界面分步建立后整合。创建好的地质模型为曲面模型，具备可视化、信息化、一致性和出图性。方便查看和利用地质数据资料,更为清晰易读和便于操作分析[5]。

图3 地层构造曲面模型Fig.3 Surface model of stratigraphic structure

3 创建实体模型

三维地质实体模型可清晰地表达和分析复杂地质结构及相关属性[6], 更直观地展示三维效果。用Civil 3D创建实体时，由于地质曲面复杂，数据量大，容易报错，对模型进行了分区，并逐层提取实体，生成三维地质实体模型。

根据大坝基坑、导流洞进出口和溢洪道等开挖设计断面建立实体，对地质实体模型进行布尔运算[7,8]，得到实体开挖模型，见图4，清晰展示出基坑内各岩土层、风化层的开挖揭露情况，实现了按不同岩土层的快速算量。地质实体模型可任意剖切，生成实体平切图、剖面图和栅格图[9]，直观呈现地层构造的空间关系。

图4 实体开挖模型Fig.4 Solid excavation model

4 模型应用

按工程部位统计钻孔RQD、抽水试验、压水试验、标贯试验等数据，生成分析统计表。根据需要在地质模型范围内任意布置剖面，快速生成地质平面图、平切图、剖面图、柱状图，绘制裂隙玫瑰花图、赤平投影图等各类地质图件，满足二维出图需要，省去了人工绘制和校对剖面交点的大量工作，避免了人为误差，显著提高了出图效率和精度。尤其在切制复杂平切图、多纵多横相交的剖面图，以及剖面位置调整重做时，用三维地质模型出图优势非常突出。

地质模型可供水工、施工等专业设计引用，在地质曲面属性中包含了各地质体的地层厚度、岩性、物理力学性质、建议参数等地质说明信息，实现信息共享。

5 模型校审与协同设计

使用Navisworks软件，将Civil 3D建好的地质模型整合到一起，在Navisworks中，对模型进行了轻量化处理，可选择性显示对象，剖分工具、漫游和审阅功能操作灵活快速，方便模型的整合、分析和校审工作。

利用基于服务器的Vault协同设计平台，建立地质、水工、金结、水机、电气、建筑等多专业工作空间，不同专业之间通过参考相关专业模型实现实时交互[10]，及时发现错、漏、碰、缺等问题，实现多版本管理。能够最大程度地避免设计过程中的错误，保证了设计质量，有利于工程设计中一些参数信息的交流共享[11]。建立BIM标准体系，实现多专业协同标准化，提高设计效率[12]。

6 创建可视化模型

以Civil 3D建好的三维地质模型为基础，使用3Ds Max软件建立三维地质可视化仿真模型[13]，用不同岩性照片渲染相应地层，展现真实岩土层效果。它具有与原模型相同的坐标、高程和尺寸，即具有信息一致性和可视化特点。

(1)制作地质无缝贴图。要达到高质量的仿真渲染效果，贴图制作尤为重要，无缝贴图能满足无接缝的连续性效果。制作贴图的素材图片应选取正面高清图，且亮度、饱和度、图元大小差距小，在Photoshop软件中将素材图片进行编辑处理，使得平铺后左右侧、上下侧的图像及纹理能完全对应，再对接缝进行精细处理，达到无缝效果。共制作无缝贴图22个，包括碎石土、砂壤土、粉质黏土、砂卵石、各类岩石、岩脉、断层糜棱岩、断层角砾岩，以及森林、草地、水体等。

(2)设置贴图效果。贴图前需要定义材质属性，设置显示效果，3Ds Max软件的材质编辑器功能非常强大。首先要定义各材质的名称和在透视图中的显示颜色，以方便区分，根据预期效果将相应的贴图图片选择性地添加到漫反射贴图、自发光贴图、凹凸贴图、反射贴图等，并设置贴图方式和透明度，完成材质定义。

各类岩层在不同断面上视倾角不相同，将材质添加给相对应的地质体后，利用3Ds Max软件UVW贴图设置，给定U、V、W3个方向贴图排列数量来调整比例，通过移动、旋转贴图坐标来调整贴图的位置和方向，来实现不同产状和比例的贴图。对于扭曲岩层及褶皱使用扫描工具做布尔运算后，用贴图缩放器进行贴图，显示出单层扭曲效果。

完成贴图后，添加钻孔、地层岩性代号等文本标注，按坐标放置主要水工建筑物，完成三维地质效果模型。

(3)生成平切、剖切模型。地质剖面是了解地质结构最主要的图件，在地质工程中十分重要[14]，在3Ds Max中利用切片功能，通过平移、旋转切片平面至建筑物轴线位置或平切高程处，完成模型的切片。再利用补洞功能自动完成修补，完成贴图和地质标注后，生成三维地质剖切模型和平切模型，直观、准确地表达出了地质结构的接触关系及空间分布，见图5、图6、图7。

图5 坝轴线三维地质剖面Fig.3 3D geological section of dam axis

图6 隧洞轴线三维地质剖面Fig.4 3D geological section of tunnel axis

图7 三维地质平切图Fig.7 3D geological plan

(4)渲染。在3Ds Max渲染设置中，定义背景贴图、曝光控制、输出分辨率等。渲染出单帧高清效果图片。动画制作利用强大的曲线编辑器功能来完成，通过设置摄像机视角和轨迹，在时间轴上定义摄像机关键帧来创建漫游动画。创建的对象动画可展示水库蓄水、泄洪和施工进度模拟效果，完成动画设计后，渲染输出高清动画视频进行宣传展示[15]。

7 结 语

通过创建天水曲溪供水工程三维地质模型，在创建基覆界面、风化界面、地层界面、断层面等常规地质曲面的基础上，进一步解决了残留阶地、透镜体、侵入体、不 整合界面、褶皱等特殊地质体的建模难题。实现了地质实体、实体开挖模型和复杂长隧洞的地质建模。通过多专业协同设计，实现了实时交互、多版本管理，建立了BIM标准体系。首次采用了真实岩性照片制作贴图材质，进行无缝贴图、渲染和动画制作，使地质模型更直观清晰。但是由于地形地质条件复杂、范围大，模型数据量太大，电脑处理速度慢。今后需要研究觖决在满足精度要求的条件下，怎样对模型轻量化，以及如何利用地质模型进行坝基抗滑稳定分析、边坡稳定分析、渗漏分析、隧洞围岩稳定分析等分析计算工作。

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