铁路工程地质BIM建模技术

李红旭

（中国铁路设计集团有限公司 地质勘察设计研究院，天津 300251）

0 引言

建筑信息模型（BIM）技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，通过参数模型整合各种项目相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面具备强大的技术支撑能力。而地质数据作为设计的开端，具有举足轻重的作用。其中，地质BIM模型是实现地质BIM技术的基石，是所有地质信息的几何载体。地质BIM建模可采用基于钻孔离散地层点、二维地质断面、层面点云的建模方法等构建三维地质模型［1-4］，但在工程应用方面，受到一定程度的制约，主要表现为：

（1）工程地质条件的复杂性，认知程度的局限性［5-6］。地质体在建造演化过程中形成极其复杂的几何形态和拓扑关系，而因为工程特性的差异又被人为划分为各种地层，使其更具复杂性、不连续性及不确定性；现有勘察技术手段只能获取有限的地质信息，难以准确地、全面地揭示工程范围内的地质条件，需要地质工程师根据自身经验推断与解译。

（2）可视化工具的局限性。工程地质条件的复杂性、认知程度的局限性导致三维地质建模方法和技术尚不成熟，空间拓扑关系的处理方法、多源地质信息的融合技术、特殊地质现象的表现形式等问题亟待解决［7-8］。既有三维地质建模商业软件大多针对油藏、矿山等行业，针对铁路工程的寥寥无几，且人工交互工作量较大，无法满足大规模工程应用需要。

（3）BIM标准与应用脱节。近年来，铁路、水电、公路等行业纷纷发布行业BIM标准，并伴随研究的不断深入进行补充、完善。而BIM平台软件存在专业功能模块欠缺，对长线路、多专业、大体量模型的综合承载能力不足等问题，导致标准与应用脱节。

铁路工程地质BIM建模技术依据《铁路工程信息模型数据存储标准》（铁路BIM联盟发布的工业基础类型（IFC）标准）构建铁路工程地质BIM数据模型架构［9］，结合铁路工程勘察设计特点，以审核完成的地质断面为基础，提出快速、准确地将二维地质断面中地质界线及其属性信息自动化辨识的方法，进而建立地质BIM模型并赋予其IFC标准地质信息的一整套方法，自主研发了相关软件，并在京雄城际铁路等多项大型工程中得到成功应用。

1 铁路工程地质BIM数据模型架构

由于铁路地质数据格式及内容的多元性，目前将标准化铁路地质数据应用到BIM技术中来仍没有较好的解决方案［10］。IFC标准是一种国际通用数据标准，其核心是如何描述及如何获取工程信息，该标准可以解决多元终端数据格式不匹配的问题［11］。《铁路工程信息模型数据存储标准》就是在IFC标准架构下编制和扩展的。

根据铁路工程地质特点和工作内容，对铁路地质数据信息进行归纳整理，将其中关键性地质元素的构成结构翻译成IFC标准架构中的部件、构件及属性数据。铁路工程地质BIM数据模型架构被设定为一个带状的地质组合体及相关附属地质元素的集合。

针对某一铁路工程，根据不同工点类型，将整段线路划分为若干地质空间结构单元（Ifc Spatial Structure Element）-地质工点（Ifc Geology Part），每个地质工点中均包含若干地质构件（Ifc Geology Element），主要包括地质体（Ifc Rock Soil Mass）和地质钻孔（Ifc Drill Hole）等，这些基本构件元素通过地质空间结构单元与构件的方式（见图1）被组织起来［9］。属性信息是以属性集（property set）模式赋予到地质工点（Ifc Geology Part）、地质体（Ifc Rock Soil Mass）、地质钻孔（Ifc Drill Hole）等实体上。

图1 地质空间结构单元与构件关系

2 铁路工程地质BIM建模技术

2.1 地质界线及其属性信息辨识方法

现有三维地质建模方法大多是以二维地质资料为基础，如二维地质断面等，提取地质界线及其属性信息，进一步推演计算形成地质界面，并最终构建三维地质模型。而二维地质断面中地质界线是地质工程师结合钻孔信息及区域地质条件等综合判定的，传统数据库中并无附带准确的地质属性信息的地质界线数据，三维地质建模时需人工提取地质界线及其属性信息，工作量大且效率低。因此，提出一种能够高效、准确地将二维地质断面中地质界线及其属性信息自动化辨识的方法。地质界线及其属性信息辨识方法流程见图2。

图2 地质界线及其属性信息辨识方法流程

该方法的基础是建立空间坐标与平面坐标的对应关系，通过比对工程地质数据库和工程地质断面图中的钻孔编号及孔口坐标，建立数据库中钻孔地层分层节点（三维空间坐标x，y，z）与断面图中地质界线节点（二维平面坐标α，β）的坐标转换关系，即α与（x，y），β与z的对应关系。

该方法的核心是地质界线的属性是唯一的，代表地质界线的上方一侧的地层信息，筛选连接在同一地层分层节点、且位于该节点同一侧的所有地质界线，若有且只有1条地质界线满足要求，则将地层分层节点的属性信息（或代表属性信息的唯一识别码）赋予该地质界线，若有多条地质界线满足要求，比较地质界线通过地层分层节点一段的坡比，将地层分层节点的属性信息（或代表属性信息的唯一识别码）赋予坡比最大的地质界线。将二维地质断面中地质界线辨识并赋予识别码后，按照一定格式输出，用作地质BIM建模基础数据。

假设地层分层节点为C，属性信息已知。地层分层节点C左侧地质界线的属性信息辨识方法如下：若位于节点左侧地质界线数量m=1，直接将该节点的属性信息赋予该地质界线；若位于节点左侧地质界线数量m>1，比较地质界线通过节点C的一段直线坡比，方向为由地层节点指向左侧，取坡比最大的直线（CK）所在地质界线（CKA），赋予该节点C的属性信息（见图3）。

图3 地层分层节点C左侧的地质界线

2.2 地质BIM建模方法

铁路工程勘察设计具有以下特点：采用钻探、原位测试（静力触探、动力触探、标准贯入试验等）为主，调绘、物探、简易勘探等手段为辅的综合勘探方法，主要沿线路方向进行纵断面勘察，辅以一定量的横断面勘察，查明铁路工程场地的地质条件，设计专业以纵断面、横断面等为基础进行施工图设计。基于达索V6Experience平台，结合铁路工程勘察设计特点，提出一种地质BIM建模方法。铁路工程地质BIM建模方法流程见图4。

图4 铁路工程地质BIM建模方法流程

该方法将上述得到的地质界线为基础数据，结合地形曲面及平面线位中线，以工点范围、勘探深度为边界构建工程感兴趣区域实体。地质界面建模时将工程分为纵断面段落和横纵断面段落。纵断面段落只含纵断面勘察，以地质界线为单位，数据点为基准，采用结合地形曲面的等厚推演或水平推演法形成地质界面。横纵断面段落同时含纵断面和横断面勘察，横纵断面布置示意见图5，纵、横断面交割形成的区域主要有ABED、BCFE两种类型，采用交叉剖面展平投影法建模。以BCFE类型为例说明推演点线的方法：对于EBCF段的地质界面线已知，EF段未知；将折面EBCF展平，将EBCF展平面上的地质界面线按比例投影到EF面上，通过空间坐标转换得到的EF面上的地质界面线及数据点（即推演点），并继承原地质界面线属性。

图5 横纵断面布置示意图

特殊地质结构-断层等建模可采用3种方式：（1）以特殊地质结构的一个已知点及其产状成面；（2）以特殊地质结构的平面展布线为断面，以纵断面展布线为引导线，扫略成面；（3）以物探等成果获取的点云直接成面。

将感兴趣区域实体与地质界面、特殊地质结构面进行布尔运算，感兴趣区域实体被分割成若干个地质体。测量地质体下表面上某一点和所有地质界面的距离，选择距离最小的地质界面，将其地质属性（识别码）赋予地质体，实现地质体辨识。以识别码为纽带，将IFC标准property set赋予IfcGeologyPart和IfcRockSoil-Mass，最终获得铁路工程地质BIM模型。

3 软件研发与工程应用

3.1 软件研发

为满足铁路工程地质BIM建模技术应用需求，针对工程需要而现有软件无法满足的功能进行开发。铁路工程地质BIM建模系统主要由工程地质界限数据标准化系统（CRDC_ProGeoRIM）和铁路工程三维地质建模系统（CRDC_GeoRIM）2个部分组成，铁路工程地质BIM建模系统架构见图6。

图6 铁路工程地质BIM建模系统架构

CRDC_ProGeoRIM基于Visual Studio 2008开发环境，采用VB.NET编程语言，是实现地质界线及其属性信息辨识的数据标准化工具。该软件支持地质人员通过比对图件与数据库，自动化辨识地质界线并赋予识别码，将二维平面坐标转换为三维空间坐标，为地质BIM建模提供基础数据。

CRDC_GeoRIM基于达索V6Experience开发环境，采用其内置的VBA编程语言，是实现铁路工程地质BIM模型构建的建模工具。该插件支持地质人员通过参数化、流程化实现自动化建立地质BIM模型，但复杂地质条件下必须结合调绘、物探等信息进行人工干预，进而实现模型的快速重构，建立铁路工程地质BIM模型，输出成果为标准IFC格式。

3.2 工程应用

赵杖子大桥全长193.37 m。桥址区为中低山区沟谷地貌，地形起伏大，植被发育。勘探深度范围内所揭露的地层为第四系全新统人工堆积层素填土、第四系全新统冲洪积层、坡洪积层及坡残积层，主要为粉质黏土、碎石类土，下伏侏罗系上统大北沟组凝灰岩及燕山期粗安岩，两者不整合接触。

地下水类型为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水。地震动峰值加速度为0.05g（地震基本烈度Ⅵ度），土壤标准冻结深度1.20 m，最大冻结深度1.39 m。

在该铁路工程的IFC标准架构下建立地质工点-赵杖子大桥（IfcGeologyPart），利用开发的软件，通过比对赵杖子大桥数据备份库与二维工程地质纵断面（见图7），快速准确地提取地质界线及其属性信息，并按照地质BIM建模方法建立赵杖子大桥的地质BIM模型（见图8）。地质模型在线位左线位置断面与二维工程地质纵断面保持一致。

图7 赵杖子大桥工程地质纵断面

图8 赵杖子大桥地质BIM模型

基于铁路工程地质BIM模型，结合工程设计信息，实现了工程量统计、任意方向剖切等功能应用（见图9）。输出的标准IFC格式文件可导入GIS平台，在多平台之间实现标准数据交换，几何模型和非几何信息不丢失，为进一步协同设计、虚拟施工、数字交付与智能服务等提供模型基础、信息支撑。

图9 地质BIM模型应用

4 结论

依据《铁路工程信息模型数据存储标准》构建铁路工程地质BIM数据模型架构，实现了标准与应用的融合落地。输出成果为标准IFC格式，在多平台之间实现了标准数据交换，为进一步协同设计、虚拟施工、数字交付与智能服务等提供模型基础、信息支撑。提出能够快速、准确地将二维地质断面中地质界线及其属性信息自动化辨识的方法，进而建立地质BIM模型并赋予其IFC标准地质信息的一整套方法，并自主开发了CRDC_Pro-GeoRIM、CRDC_GeoRIM软件，提升了二维地质信息提取、辨识效率，通过参数化、流程化交互式快速建立地质BIM模型，满足了铁路工程勘察设计大规模应用需求。

铁路工程地质BIM建模技术在多项大型工程中得到成功应用，但其功能仍需探索和完善，基于地质BIM模型的功能应用，应与设计、施工、运维等紧密结合，有待进一步开发与拓展，以最终实现BIM技术的应用价值。