铁路工程地质 BIM建模技术与应用初探

(整期优先)网络出版时间:2020-06-02
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铁路工程地质 BIM建模技术与应用初探

王群

新疆铁道勘察设计院有限公司 新疆维吾尔族自治区乌鲁木齐市 830011

摘要:铁路工程地质BIM技术是铁路行业工程建设信息化发展的重点和难点。从理论基础、技术路线和地质BIM技术实现方面论述地质BIM建模理论及方法;从地质专业应用和多专业BIM协同设计方面分析铁路工程地质BIM技术应用。基于某高铁项目,采用地层面剖切法、横向拟合拉伸方法、三棱柱法分别对地质体进行建模,并总结出了适用于铁路工程的 BIM 三维地质建模方法。

关键词:铁路工程;地质;BIM技术;应用

BIM 技术自诞生以来,在建筑工程领域发展迅速,很快被引入到铁路、公路、市政、水电等领域,并将设计理念拓展为全专业三维设计。经过工程应用总结发现,BIM 技术在缩短工期、降低造价、优化设计等方面具有明显优势。BIM 技术的应用具有数字化、可视化、多维化、协同性等特点,并贯穿设计、施工、运营、维护整个工程生命周期,是工程勘察技术的第二次革命,日益成为勘察设计企业转型升级的重要手段之一。铁路勘察设计是一项庞大而复杂的系统工程,涉及专业众多,仅站前专业就有测绘、线路、地质、路基、桥梁、隧道、站场等[5],需要本专业及专业间密切配合,频繁进行多种形式的设计信息交互,地质专业与站前所有专业、站后部分专业均存在相互协同业务。

一、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世纪开始,经过几十年的积累与完善,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。

二、铁路工程地质BIM技术现状

1、铁路BIM标准。铁路BIM联盟成立后, BIM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,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,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。

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,减少施工阶段由于设计变更而造成的浪费,避免额外损失。此外,还能有效提高工程管理能力,使工程管理更加精细化,决策更加科学化。 在专业设计方面,铁路设计过程中涉及的专业有线路、地质、路基、桥梁、隧道、站场等二十几个专业,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。当前,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。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。在专业协同方面,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。

三、地质BIM技术方法

1、点钻建模法。以现场地质勘察测绘的原始点状数据为基础,主要包括观测点地层岩性分布、地质产状、构造等,钻探、挖探揭示的地层深度划分,原位测试的动探和标贯数据,室内岩、土、水等试样的测试数据等。将地质信息叠加到BIM三维模型上,形成地质体三维模型。钻孔数据源实现地质BIM。

2、剖切建模法。基于平纵横断面,将二维平面与剖面的地质界线进行三维空间投影换算,并在三维空间进行地质属性匹配,配合其他辅助剖面等信息,完成地质层面建立。根据地质层面的空间分布,结合模型边界条件,完成三维地质体建立,根据生产实践,结合实际情况,在铁路BIM设计三维地质建模研究过程中,综合现有建模方法,针对不同地质条件,发挥每个建模方法优势,实现便携高效的地质建模。

3、特殊地质体建模。由于自然界中地质现象和地质体空间形态的复杂性、非线性与不规则性,存在部分实体难以用规则的几何算法或曲面直接表现,针对特殊地质现象和地质体,应分析其特殊性,采用单独建模方法。

四、铁路工程地质BIM技术应用

1、地质专业应用。基于BIM设计技术,进一步丰富和完善地质专业信息数字化,实现地质信息便捷录入、查询和更改,实现二维地质信息与三维信息间的无缝无损传递。利用三维数字模型的直观、可多视角分层次地观察和分析研究对象的特点,对地质BIM模型可方便地进行地层分层剥离展示、任意断面和角度的空间剖切、二维断面成图等。基于地质BIM模型,可实现基本工程应用。一是模拟工程施工,包括隧道体开挖、基坑开挖、基桩布设、边坡刷方;二是土方计算,查询工程范围岩土体地质信息和工程方量。

2、多专业BIM协同设计。基于BIM技术的铁路工程三维设计,是集合勘察设计、工程施工、运营、维护全生命周期的过程。在整个铁路建设中,涉及专业众多、工程规模巨大、管理协调复杂、技术要求高、建设周期长,更需要各专业间相互配合、密切协作[2]。三维地质模型空间形态复杂、数据体量庞大,方便、顺畅地形成地质BIM模型与各下游专业间的协同设计,是BIM设计亟待解决的技术难题,也是当前铁路设计行业的研究热点。

地质BIM技术一直是铁路行业工程建设信息化发展的重点和难点,分析三维地质BIM建模的理论基础,形成点钻法和剖切法建模方法,实现地质体三维建模。在地质模型基础上,实现多项工程应用,模拟开挖和统计工程数量,可为铁路全专业BIM设计提供可靠直观的三维地质信息。

参考文献:

[1] 铁睿. 基于 BIM 的三维地质建模[D]. 北京: 中国地质大学( 北京) ,2018: 11 - 14.

[2] 刘义勤,杨绪坤. 服务于铁路 BIM 设计的三维地学模拟技术研究[J]. 铁道工程学报,2018( 1) : 1 - 4.

[3] 张平. BIM 技术在铁路接触网全生命周期的应用探讨[J]. 铁道建筑技术,2016( 4) : 11.

[4] 陈兵,张燕,张莹. BIM 技术在铁路地质勘察中的应用[J]. 高速铁路技术,2019,6( 1) : 10 - 13.