【案例】铁路工程地质BIM建模技术与应用

铁路工程具有专业多、工程大、管理难、技术高等特点，在工程信息化建设过程中，需要进行大量自主研发。三维地质建模技术和应用一直是铁路工程领域的难点。分析三维地质建模的理论基础和实现途径，以点状数据源和平纵横断面为基础，形成点钻法和剖切法两种建模方法，实现地质体三维建模，并针对特殊地质体(褶皱、断层、滑坡、溶洞和透镜体等)，采用单独建模方法实现。基于三维地质模型，进行广泛的专业应用，并提出进一步多专业协同设计目标，为铁路全专业BIM设计提供可靠直观的三维地质信息。

一、技术路线

地质体和地质信息是三维地质建模的基础，对地质体的认识，是建立在多种调查手段、勘探方法获取的各种地质信息的汇总，即综合地质信息。三维地质建模，就是利用软件平台，将地质体的所有地质信息在空间形态直观反应。研究发现，三维地质建模的核心内容之一是构建地质层面，仅依靠钻孔数据、地质界线等原始数据无法满足要求，需要科学的空间插值。三维地质建模的总体思路是从点到线、面、体的空间发展延伸理念。

可以发现，三维地质建模技术是一个逐步发展和完善的过程。首先进行现场地质调查和勘察钻探，获取地质基础数据和初步设计文件；处理初始数据的分类和属性，使其满足三维建模规范化；根据已知地质信息点，利用数学插值方法，在满足地质规律前提下，预测未知区域的空间数据点，从而实现科学构建地质层面；针对褶皱、断层、滑坡、透镜体、溶洞等特殊地质现象和地质体，分析其特殊性，采用单独建模方法。基于三维模型的专业应用主要有：模型剖切、任意切图、地层渲染、三维漫游、模拟施工和统计数量等。

二、实现方法

常用的三维地质建模主要有两种实现方法：第一种是根据原始勘察的点数据源直接建模，如观测点产状、岩性、构造信息，钻孔、试坑分层信息，试验和原位测试成果等；第二种方法是利用二维线状成果构造地质层面，完成体建模。

本次铁路BIM设计三维地质建模研究，综合现有两种建模方法，针对不同地质条件，发挥各个方法优势，便携高效地完成地质建模。当地质条件简单、勘探数量和资料丰富时，采用点数据源直接建模，建模效率高；当地质条件复杂或勘探资料较少时，采用平纵横配合建模方法，并充分利用既有二维图件的数字信息化成果，完成复杂地质建模。

三、地质BIM建模

01点钻建模法

该建模方法以现场地质勘察测绘原始点状数据为基础，主要有：观测点(包含地层岩性分布、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等，室内岩、土、水等试样的测试数据，将上述所有地质信息叠加到上一个BIM三维模型上，形成地质体三维模型。

根据勘察点数据源直接建模，其程序后台的实现方法是通过对相邻控制点的地层信息进行相互判别，判断不同地层面的连接关系，同一地层连结成线，多个钻孔间用插值运算连线，生成各自地层面，进而形成三维地质体。

02剖切建模法

目前二维设计过程中，传统勘察手段获取的地质成果资料主要通过地质平面图和剖面图进行表达，并配合工程地质报告进行说明。研究发现，二维平面图中点状地质信息(勘探点、产状点、时代等)，在二维和三维设计过程中都较易表达，且地质界线数量相对较少。工作重难点是在地表以下工程深度范围内的地质信息获取和表现，在剖面图(纵、横断面图等) 中，地质内容具有层位划分多、深度分布大、界线尖灭杂等的特点，且地质界线空间分布复杂、数量众多。无论是二维设计还是在三维研究中，剖面图地质信息的表现和利用，都是工作的难点。

剖切建模法基于平纵横断面，首先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，结合模型边界范围与封底高程，完成三维地质体建立。

03特殊地质体建模

自然界中的地质现象和地质体由于其空间形态的复杂性、非线性和不规则性，存在部分实体难以用较规则几何算法或曲面直接表现，针对特殊地质现象和地质体，分析其特殊性，采用单独建模方法。对褶皱、断层、滑坡、溶洞、透镜体等特殊地质现象和地质体进行说明。

褶皱的地质建模主要受枢纽、轴面产状及两翼地层岩性和产状的控制。断层建模应分析断层产状、两盘地层分布，并在后台处理断层与地层的相互切割关系。滑坡建模主要由平面形态、主轴、横断面控制，并在自然界中经常遇到多次分级滑动的滑坡，各级滑坡存在相互覆盖和切割关系，对三维建模带来困难。当滑坡体分布于整个地质模型边界时，模型边界范围与滑坡体发生切割关系，即仅有部分滑体位于模型范围内，建模时应单独考虑。

溶洞(土洞) 建模时，根据勘探成果首先完成断面设计，且不同位置断面几何形态不同，再确定洞轴线空间分布，溶洞模型就是不同断面沿轴线的空间扫略。完成几何建模后，按溶洞实际充填情况和物质种类进行溶洞充填。

简单透镜体可在空间按近似椭圆盘建模，复杂透镜体建模与溶洞类似，先确定断面形态，后在空间扫略。

04地质信息数字化

基于地质模型开发了多种信息录入和查询方式，一是软件开发属性窗口，二是鼠标停留于实体上方1秒直接显示。其他还可通过软件菜单、右键实体等编辑、查看地质信息。在模型应用过程中，任意剖切、成图、模拟开挖等，地质信息可直接传递。与目前铁路二维地质软件实现数据无缝传输，软件实现的数字化信息程度高。

四、地质模型应用

01任意剖切、成图三维数字模型的一大特点是直观，可多视角分层次观察和分析研究对象。此外，地质BIM模型可方便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。

02材质渲染、三维漫游为了更好地利用三维模型空间直观效果，对建立的地质体模型进行材质渲染，以便更加形象地表达自然地质现象。在三维地质模型上进行工程开挖，通过三维漫游，可便捷地观察地表以下岩土体分布特征，进而分析工程穿越时的地质情况，并提出相应工程处理措施。

03其他工程应用基于三维地质模型的工程应用主要有两类：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。

04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。在整个铁路建设流程中涉及的专业众多、工程规模巨大、管理协调复杂、技术要求高、建设周期长，更加需要各个专业间相互配合、密切协作。

三维地质模型具有空间形态复杂、数据体量庞大，如何更方便、更顺畅地形成地质BIM模型与各下游专业间的协同设计，是整个BIM设计流程中急待解决的技术难题，也是当前铁路设计行业的研究热点。

来源： 铁路BIM联盟