铁路工程地质BIM系统研发与应用

张 坤

(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043; 2.中国铁建BIM工程实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

三维地质建模技术是利用三维可视化技术进行地质体、地质现象和地质过程的三维数字化抽象、重构和再现。在更加真实、直观和形象的条件下进行现象分析、模型抽象、实体重构、科学计算、过程再现、成果表达、评价决策和工程设计[1-3]。三维地质建模理论是在20世纪末期由加拿大学者提出,最早应用在石油行业,经过最近20年计算机软硬件技术的发展逐渐延伸到工程领域。地质BIM模型作为工程领域开展BIM正向设计的关键数据源之一,国内外学者和研究人员在三维地质建模技术方面开展了广泛深入的研究,近些年国内涌现出一大批三维地质建模工具。按照工具类型主要划分为以下三类:国外商用软件、半自主知识产权的基于主流平台二次开发的软件、完全自主研发的国内商用软件。上述各类型代表性软件如下:国外商用软件有GoCAD、EVS等[4-7];主流平台二次开发软件主要基于Autodesk、Bentley、Dassault等平台[8-11]开发的系列软件,有GeoStation、TISGER等;国内自主研发的软件有深探、Xmodelling、坤迪三维地质建模软件等。

在铁路领域,大部分设计院主要基于主流的Autodesk、Bentley、Dassault平台通过二次开发的方式来定制符合各自勘察设计体系的地质建模系统[12-14]。目的是为了与设计院的BIM设计体系保持一致,保证“一个平台、一个模型、一个数据架构”,减少平台之间因数据转换而造成数据丢失的风险。同时,由于地质建模的复杂性,为解决特殊条件下建模效率问题,也使用商用软件来辅助完成复杂地质体的建模工作[15]。

1 铁路地质BIM系统需求分析

铁路工程作为一种长大带状线性工程,在三维地质建模过程中面临的主要问题有:地质建模区域广宽,地质现象复杂多变,地质数据源缺乏,地质体空间信息不规则,无法用常规的参数化方式表达,建模工作量大,精细化建模困难,地质BIM技术一直是铁路行业制约BIM技术发展的瓶颈之一。目前市面上基本没有符合铁路工程地质应用需求的商业软件。因此,铁路地质专业需要开展大量的基础研究和定制研发工作。

为更好地实现铁路工程全专业BIM正向设计的总体目标,依托院内重大软件研发项目,启动铁路地质BIM的研发工作。该项目的主要研究内容如下。

(1)基础框架研究

建立地质BIM软件的整体框架,包括硬件体系、软件架构、平台选型、数据库选型等。

(2)综合管理功能研发

实现工程管理、人员管理、数据字典、工程地质环境信息等管理。

(3)勘察数据接入

主要包括调绘、勘探、试验等。建立地质BIM环境下的数据格式和标准要求,实现勘察点的实体展示与信息查询。

(4)线路建模技术研究

基于线路数据库实现二三维空间线条的重构,解决里程信息快速定位的问题。

(5)建模方法研究

基于调绘数据、勘探数据,研究地质面的插值算法、地质体剖切算法和围合算法等,实现地质体的快速生成。

(6)模型应用研究

基于地质模型实现任意剖切、开挖、出图,极大提高地质模型的利用率。

2 系统研发基本思路与功能实现

2.1 系统的整体框架

铁路工程地质BIM系统研发主要基于Bentley 的MicroStation平台利用二次技术开展系统的功能研发工作,实现地质BIM正向设计过程,系统主要分为数据端和图形端,数据端采用C/S架构,采用微软的SQLServer数据库实现对多源地质数据的集中管理,保证数据源的统一,解决多人协同问题;图形端基于MicroStation图形平台,利用MDL的编程方法,实现了地层岩性、地质构造、不良地质、特殊岩土等三维复杂地质体的建模功能。

2.2 地质建模思路

三维地质建模的整体思路是从点、线、面、体逐步升维的过程,主要建模过程如下。

(1)准备数据阶段

收集地形模型、线路数据、地质调绘数据和钻孔数据。

(2)填绘地质界线

利用钻孔的岩性分层点,通过地质规律和工程经验将离散的地质点连接成地层界线,同时对地层界线进行数据点加密操作。

(3)二三维地质界线空间坐标转换

将地层界线通过坐标转换导入到三维模型空间中。

(4)创建地质界面

将三维空间中属性相同的地层界线,通过插值算法或放样拟合法生成地质界面。

(5)创建地质体

采用地质界面和地形体之间的剖切或地质界面之间的围合形成地质体,并对地质体赋予地层、构造、不良地质等不同的地质信息,完成地质模型建模。

(6)开展基于地质模型的多种应用研究

铁路工程地质BIM系统建模流程见图1,地质BIM研发的功能图见图2。

图1 地质模型建模流程

图2 铁路工程地质BIM系统功能

3 地质BIM建模技术

3.1 线路重构技术

铁路工程为线状分布,线路长,工点多,一般上百千米铁路,工点数量多达上百个。工点划分一般采用手动方式进行绘制,效率低、精度差。因此,铁路工程地质BIM系统的研发首先需要解决根据线路里程信息实现快速精准定位的问题,通过解析线路曲线要素表、坡度表、断链表等线路要素数据,利用角点法重构二三维空间线路。

线路的平面线条一般由直线、缓和曲线及圆曲线组合而成,缓和曲线的生成是实现线路重构的重要步骤,其中缓和曲线关键解析过程如下:①一般假设缓和曲线特征为曲率半径ρ与曲线长度l的倒数呈反比,即公式(1)、公式(2);②根据微积方程dl=ρdβ,求解缓和曲线上弧度与缓和曲线长度之间的关系,即公式(3)、公式(4);③将cosβ和sinβ进行泰勒公式展开,cosβ取前两项,sinβ取前一项,即可满足缓和曲线精度要求,即公式(5)、公式(6);④求出缓和曲线的x和y坐标,即公式(7)～公式(10)。缓和曲线计算示意见图3。

图3 缓和曲线要素计算

k=ρl=Rl0

(1)

(2)

(3)

(4)

R2m+1(β)

(5)

R2m(β)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

利用线路重构技术,实现基于线路数据库的二三维空间线条绘制和里程信息的快速精准定位,从而实现沿铁路线条的自动化分块,里程绘制勘探线、里程绘制工程场区等功能,极大提高了绘制效率和绘制精度,极大减少了人机交互操作工作量。

3.2 二三维地质界线转换技术

在三维地质建模过程中,通常利用地质剖面数据作为数据源,然后通过二三维坐标转换导入到三维空间中,再进行三维地质建模。在程序研发过程中,首先绘制勘探线,将勘探线投影到地形面上形成地形线,然后将地形线在二维空间中展平,并绘制坐标刻度,形成地质剖面空白图。通过钻孔信息绘制地质界线,并赋予相关属性,再根据投影关系将二维地质界线转换到三维空间中,如图4所示。为保证插值前有足够的数据点,转换前可以在二维地质界线上进行数据点加密操作。

图4 地层界线二维与三维坐标互换

3.3 地质面构建技术

三维地质建模过程中,常用的插值算法有“克里金”插值算法、光滑曲线插值算法、反距离插值算法,插值的目的就是要将有限分散的地质点扩展为面状的点矩阵。然后利用三角网将点矩阵串联起来,作为地层岩性的层底界面。本系统主要采用“克里金”插值算法来实现地质界面的生成。由于MicroStation本身不具有“克里金”插值算法功能,一般“克里金”插值算法通过自主研发或者调用第三方软件库的方式来解决。

“克里金”插值算法是依据协方差函数对随机过程、随机场进行空间建模和预测(插值)的回归算法,在地质统计学中被称为空间最优无偏估计器。该算法的研究可追溯到20世纪60年代,其算法原型被称为普通“克里金”,关键步骤解析如下。①求取已知点对的距离及其半方差,点对距离公式参考式(11),半方差公式参考式(12),以已知两点的距离distanceh为横坐标,对应的半方差Semivariogram(distanceh)为纵坐标,绘制到直角坐标系中。如果数据量较大,可采用平均处理,将横坐标取若干个区间,计算每个区间横纵坐标的均值,作为该区间的点位,可极大减少数据量,提高计算机的运算效率。②根据一系列距离半方差点对,求取拟合曲线。拟合函数有多种选择,可为球形模型、指数模型、高斯模型和线性模型等,其中线性模型为最简单的拟合函数。③求取权重系数λ,首先根据拟合曲线y=γ(h),求已知点半方差函数值cij,构成半方差矩阵K,见式(13);其次,求取目标点与已知点的半方差函数值cij,构成半方差向量D,见式(14);然后,利用矩阵K的逆矩阵和向量D求得向量λ,λi表示第i个已知点对目标点的影响权重系数,公式为:λ=K-1D。④计算目标点x0的高程值,见式(15),这样就可以预测出目标点的高程值,矩阵K针对同一批已知散点是确定的,预测其他点的高程值时,只需要重复计算向量D即可。

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

“克里金”插值算法涉及大量的数学运算,在开发程序过程中,需要依赖第三方基础数学算法库,因此自主研发难度较高。一般从事程序研发的地质人员可采用第三方软件库的方法,如surfer软件的COM接口,也能达到相同的效果。插值算法形成的地质界面如图5所示。

图5 插值算法形成地质面

3.4 地质体构建技术

铁路工程地质模型大部分采用网格包围体的形式来表达。所谓网格包围体就是外表面由三角网组成,内部是空心的一种网格体。网格体空间封闭,具有体积属性。地质包围体的创建方法主要有3种:剖切法、围合法和横向拉伸法。剖切法利用网格面对网格体进行剖切,网格面需完全穿透网格体,穿透的目的主要是形成一个完整的封闭边界,如图6所示。围合法是利用空间地质界线,通过插值或者旋转直接构建上下地质界面,上下地质界面保证共线共点,然后缝合边界组成一个空间封闭体。横向拉伸法将一个封闭轮廓沿横向水平拉伸直接形成智能实体,再将智能实体转化为网格模式,这种方法可看作是将地质块横向拉伸了一个厚度,建模较方便。若横向地层存在起伏变化时,该方法就不再适用。

图6 剖切生成地质体

3.5 模型应用

为满足铁路工程设计专业对地质模型的应用需求[16-20],基于地质BIM模型研发了模型分割、模型开挖、虚拟钻孔提取、模型标准化出图等应用功能,将地质BIM模型作为重要的基础数据源之一,辅助设计专业开展BIM正向设计。

(1)模型分割(图7)

图7 模型分割功能

模型分割主要是沿线路线条构建的竖直面,将地质模型一分为二,分为线路左侧地质模型和线路右侧地质模型。主要应用场景将铁路隧道地质模型沿线路切割,可方便查看隧道工程的围岩信息。

(2)模型开挖(图8)

图8 模型开挖功能

模型开挖主要是利用结构体的外轮廓模型与地质模型进行布尔剪切,形成开挖体模型和剩余体模型。由于剪切运算的复杂性,通常将外轮廓模型转化为mesh格式,mesh面与地质体在剖切过程中,原地质体的属性信息会丢失,开挖体和剩余体需要通过二次开发来继承原地质体的相关地质信息。

(3)虚拟钻孔获取(图9)

图9 虚拟钻孔功能

为更好地服务设计专业开展正向设计,研发了基于地质模型提取虚拟钻孔的功能,利用地质模型和里程桩号数据可获取模型范围内任意位置的虚拟钻孔信息。主要包括钻孔的孔位信息、分层信息和地下水信息,为设计专业开展自动化设计提供数据基础。在二次开发过程中需主要解决层中层结构的问题,即大包围体中包括小包围体的情况。

(4)模型出图

利用地质模型可实现任意位置地质剖面图的一键出图功能,地质剖面图内容主要包括:水平和竖向标尺、地面线、钻孔、地层及填充信息、文字标注、图例图签及图框等。采用地质模型出图技术,由于数据同源,可解决地质纵横断面的一致性问题、出图的标准化问题,极大提高地质剖面出图效率。

4 结语

基于MicroStation平台研发了铁路工程地质BIM系统,从系统的总体目标和需求分析出发,详细设计了软件的基本架构、建模思路和功能模块,实现了基于线路数据库的二三维空间线条重构功能和里程信息快速定位功能。研发了“克里金”插值算法,利用剖切法、围合法和拉伸法实现三维地质体的快速创建。为满足BIM正向设计的需求,基于地质模型研发丰富的模型应用工具,为下游专业开展BIM设计提供地质数据基础,极大地提高地质模型的利用率。该系统在西十高铁、西延高铁、引汉济渭水利工程等多个项目中开展大规模应用,具有较好的推广应用价值,地质BIM系统的研发,将理论与实践充分结合,是地质专业开展BIM正向设计的一次成功探索。