基于BENTLY平台的地质三维建模技术研究

赵 非 黄新文

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

长期以来，地质研究工作多基于二维空间(地质剖面及平面)，对地质结构空间认识的一致性和深入性不足[1]。BIM技术具有多维化、协同性、模拟性等特点，能有效实现勘察成果的数字化、可视化，使得铁路设计中各专业能在统一的平台下进行协同设计，实现多阶段的无缝衔接，提高设计效率，减少设计变更成本。

BIM技术被称为工程建设的第二次技术革命，国内外很多学者进行了相关研究[2]。王雪娇基于Visual C++6.0开发平台，对OpenGL2.0图形库进行开发[3]；潘懋等结合GIS进行BIM的相关研发[4-5]；刘雯雯利用Arc Sccnc等进行分块区域的三维地质建模[6]；济仁等在CATIA软件基础上进行BIM的二次开发[7]；清波等采用ItasCAD建模[8]。为了找到适用于铁路工程的三维地质建模软件，通过对多种三维地质建模系统的试用及研究，认为Bentley软件的兼容性和协同工作能力相对较好。

铁路BIM技术发展相对较晚，亢保军等在Aglosgeo的基础上开发了Geo Data数据库工具，从更新岩土分类标准、数据批量录入及数据库维护等三个方面对铁路BIM技术进行了必要的补充[15]。可以看到，前人并未对铁路地质三维建模的标准进行总结。经过对几种BIM软件的比较，Bentley平台下的Aglosgeo软件基本符合铁路地质三维建模的特点。但是在实际建模的过程中，经常会遇到生成时间过长、或者生成的地质体有错误并且很难修正等情况，其原因正是缺少标准化的操作流程和建模标准所致。

随着铁路BIM技术在整个铁路行业的持续推广，对地质三维建模技术方法进行研究将具有重要意义。以下对铁路地质三维建模方法进行总结，探讨铁路地质三维建模思路，详述Bentley平台下的地质建模方法。

2 地质体的生成

生成地质体所需要的原始资料包括：钻孔原始数据、地质纵断面、平面、地形和线位。

2.1 数据端操作

(1)在工程区地层信息界面下，录入地层时代和岩性信息(见图1)。

图1 工程区地层信息界面

(2)在钻孔布置、钻孔概况界面下，录入所有钻孔的编号、孔口坐标和孔深等信息(见图2、图3)。

图2 钻孔布置界面

图3 钻孔概况界面

(3)在地层岩性界面下，录入钻孔时代、岩性的分层信息和每一层的厚度信息(见图4)。

图4 地层岩性界面

2. 2 图形端操作

(1)地形数据录入

将地形数据录入工点文件后，可得到线串。

(2)原始块体的生成

由于铁路三维地质建模工点以里程划分，故原始块体的长度以线位里程为准，宽度定为左右各距离线路左线250 m(共500 m宽)。

①利用修剪工具将线位裁剪到工点里程范围；

②利用平行移动工具，勾选复制，左右平移各250 m，得到左右边界线；

③利用放置智能线工具使其成为闭合形状；

④利用创建复杂多边形工具得到底面；

⑤利用网格工具将多边形网格化；

⑥利用加厚网格形成体积工具，得到长度由里程控制、宽度为500 m的原始块体。此外，由拉伸创建实体工具也可以得到原始体，但拉伸时需要注意坐标系，否则拉伸出的实体可能不垂直于水平面。

(3)岩性分界面的生成

岩性分界面表现的是不同地层间的接触状态，将原始块体按岩性分界面进行切割便实现了地质体的分层。岩性分界面的生成质量决定了地质体模型的质量。

①将左线线串指定为剖面，利用剖面编辑工具(应先打开地形面图层，否则剖面编辑界面不会显示地表线)将纵断面移动到对应的里程。

②将地表以下所有岩性分界线和断层线等复制进剖面中，利用创建复杂链工具将同一层分界线连接起来(地层分界线应该略长于里程范围)，最后利用剖面线属性工具逐一对其赋予属性(属性即为数据端工程区环境输入的地层时代)，完成后点击右上角绿色对勾，属性信息便会录入到数据端。

③如果遇到强弱风化界线，应优先做分界面，然后进行切割。其具体步骤为：首先用工程区边界工具画出工程区边界(略大于地质体的范围)；利用创建地质边界工具选择分界面的岩性，点选简化grid；在参考面信息栏点选网格面；在数据来源栏点选剖面。

如果里程范围较大，可采取分段生成的方法。为使两个小分界面可以在接头处重合，应在接头处加一个垂直于线路的控制剖面。

工程区边界是分界面的边界，所以在生成第二个小分界面时需要重新框选工程区边界，并覆盖原来的工程区边界。

④如果遇到倾角较大的岩层，应先将平面中的分界线复制进文件，利用创建迹线工具将其压印到三维地质体表面上，然后利用抽稀工具，得到抽稀后的迹线。结合地质资料或平面图里的岩层产状信息，用抽稀后的迹线和图层剖面线生成地面线以下的分界面；利用拉伸创建曲面工具生成地形面以上的部分；利用工具元素网格工具和缝合网格工具来最终生成岩层的分界面。

⑤如果遇到夹层，范围较大的夹层可直接利用工具拉伸创建曲面，再将图层剖面线拉伸形成分界面；范围较小的夹层可以采用透镜体工具生成。

⑥如果遇到覆盖层，根据具体情况有两种做法。

第一种：利用平面图上的分界线创建迹线，再绘制工程区边界(略大于迹线的范围)；利用创建地质边界工具，在基本信息中点选岩性，选择分界面的岩性，点选简化grid；在参考面信息栏点选网格面；在数据来源栏点选剖面和迹线。

第二种：利用平面图上的分界线创建迹线并抽稀；分别将抽稀后的迹线向外侧平行移动(点选复制)，之后再垂直向上移动，最后用地质界面工具(ctrl)点选迹线，由复制到外侧的迹线以及图层剖面线生成覆盖层分界面。

(4)切割地质体

①一般采用网格提取，按图5选择。

图5 网格提取

选取目标地质体进行布尔操作。剪切如果成功，查看被剪切的两部分是否都有体积；如果剪切后不成体，优先做法是撤销，然后检查体与面是否有问题；其次是将没有体积的网格转化为智能实体，如果再次失败，可通过网格检查工具进行检查。

②当网格体无法用曲面剪切时，需使用元素网格工具将曲面转化为网格面。

③剪切时，应按照由易到难的顺序。

④剪切错误时，也可以将地质体切小后再进行剪切；剪切地形面出错时，可将地形面先切成多个小块(每块应比待剪地质体大)后再剪切，可以提高提取速度。

⑤剪切过程中应该注意备份过程文件或过程体文件，防止文件损坏或误操作。

⑥若剪切后没有体积，可以先将其转化为智能实体后再转为网格体(可确保成体)。

⑦如果面的范围与体一致时容易发生错误。因此，面的范围应该略大于体。

⑧每一次切割可能会产生一些错误，如排空或者重叠小平面，但其仍旧会被识别为有体积。当对某一块体进行多次切割后，由于错误的积累，最后会生成无法改正的网格或者体积为0的智能实体。因此，遇到需要多次切割的情况时，要调整切割顺序，避免过多次数的切割。

⑨工程区边界、剖面和迹线生成后会存入数据库，如需删除，可点选删除数据工具，并且点选“是”。

3 地质工点中接头的处理

由于二维设计的缺陷，有时两个工点的地质体并不能完美连接，需要进行连接处理。

3.1 生成原始块体

①利用拉伸创建曲面工具做一个较大的底面；

②将曲面元素网格化；

③放置智能线，将底面框选成合适的尺寸；

④利用网格投影工具，点选修剪、正交，将底面网格裁剪成合适的尺寸；

⑤利用加厚网格得到原始的网格体。

3.2 生成岩性分界面

①提取出两边岩层的轮廓，将两边的网格体复制进新建图层，用删除小平面工具删除网格体上(接头除外)的所有面；

②用网格审核进行检查，点选排空，得到两侧岩层轮廓；

③如果要将岩层做成尖灭，可直接利用轮廓线拉伸曲面，得到分界面；

④如果两个工点之间需要连通，可利用曲线的网格工具或者边界曲线的曲面工具，点选两侧轮廓线，得到分界面；再利用两侧轮廓线拉伸曲面工具，将分界面做得比体稍大。

4 地质属性赋值方法

首先新建属性类库，类库下建立新ItemType，在此可以建立“岩层”、“土层”等属性表。

在属性表下，利用New Property Definition为项目添加属性表信息，如IFD编码、地质时代、地质成因、地层岩性、基本承载力等。

通过ItemType的附加项(Attach Item)调出窗口，将信息输入到空白栏中，并选择要附加属性的三维模型。

5 实例介绍

以某高铁隧道地质工点为例，介绍BENTLY平台的图形端地质三维建模技术(见图6)。

图6 隧道地质工点模型

根据线位里程制作一个底面(黄)，以此拉伸出原始块体，并与地形面做一次切割(见图7、图8)。

图7 块体底面

图8 原始块体

根据不同地层环境生成不同性质的岩性分界面。在生成分界面之前，应预测真实环境下地层的分布形态，然后选择合适的分界面类型。

图9 强弱风化界面

图10 倾角较大岩层分界面

图11 断层分界面

图12 覆盖层分界面

图9～图12为四种岩性分界面，可采用网格提取或实体工具提取。随着切割次数的累加，被分割块体的错误也在不断累加，故在进行切割操作时应注意切割顺序，最常见的方法是将原始块体分为两大部分分别进行切割，而不是将原始块体从一端顺序切割到另一端。

图13 地质体模型成品

图13为地质体模型成品，由图13可知，地质体模型成品可以很直观地表现出岩层在三维空间下的分布状态，经过属性赋值后，可以方便地查询岩层的参数。三维地质建模很好地解决了二维空间下地质空间概念不强、难以保证地质结构空间认识的一致性和深入性等不足，体现了BIM技术在三维地质方面所具有的多维化、模拟性等特点。

6 结论

详细归纳了三维地质建模在bently平台下的工作流程、建模方法、附加属性方法及需要注意的事项等，提供了一套较为完整的三维地质建模的工作流程，形成了一套在bently平台下的三维地质建模标准，为下一步全专业更大规模BIM应用提供了基础。