公路地质BIM建模原理与应用初探

赵飞

摘要：传统的地质勘察是以点和线勘察为主。为了建立地质模型，则需对无勘察数据的区域进行插值。通过多种插值方法的对比分析，发现克里金法插值效果与实际地质趋势最接近。但因实际地质条件复杂，并不能完全依赖插值解决，应通过不同的剖面绘制地质分界线来补充勘察数据，剖面间用插值连接，生成三维地质模型。地质模型的应用价值很多，如直观反映地质信息、计算工程量、结构分析、优化构筑物设计等。

Abstract： Traditional geological survey mainly focuses on dot and line. In order to establish geological model， interpolation is necessary in the areas lacking data. By analyzing and comparing various interpolation methods， Kriging interpolation method matches perfectly with the actual geological condition. However， the actual geological condition tends to be complicated， so only interpolation is not enough. In order to gain 3D geological model， the geological data needs to be supplemented by geological profile and the interpolation connects separate profiles. The values of the 3D geological model are numerous， for example， it reflects geological information directly， calculates engineering load， analyzes structure and updates the design of structures and so on.

关键词：BIM技术;地质勘察;三维地质模型;克里金插值法

Key words： BIM technology;geological survey;3D geological model;Kriging interpolation method

中图分类号：U412.22                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）12-0173-03

0  引言

BIM（建筑信息模型）提出始于上世纪七十年代[1]，其基礎是工程项目的各项相关信息数据，利用数字信息仿真模拟构筑物所具有的真实信息[2]。近年来，BIM技术作为交通领域的一项重要技术手段已在相关工程中逐步展开，大多数设计院都开始利用BIM模型进行展示汇报，部分开始进行三维设计，三维分析和三维出图等。

在公路的地质勘察中，相比传统的二维勘察存在信息传递不畅，地质意图表达不明确，资源调配不均匀，成果展示不直观等问题。目前，基于BIM技术的三维地质建模国内外均未有完善的地质建模软件，其发展还处于初期阶段，而且地质数据多元化，建模要求不同，复杂地质体（断层、透镜体、背斜、向斜、溶洞等）形状多样，并且不规则，建模难度较大[3]。但BIM技术让地质条件真实的数字化展现，地质模型不仅仅是一个三维图形，更重要的是具有地质信息，让地质体具有了生命[4]。因此，研究三维地质建模的原理及BIM技术在公路地质勘察中的应用是十分必要的，也是地质数据信息化的重难点。

1  建模理论原理

地质体及地质信息的表达即为三维地质模型，地质信息的来源是通过地质调查、地质勘探、试验、物探等勘察手段，获取的各种地质信息汇总。利用软件将地质体的空间及地质信息三维的表达即为三维地质建模。

截至目前，关于三维地质建模理论方法的研究已经有七十年的历程，地质信息模型的空间数据格式也有二十种左右。有资料显示，当前采用最多的是依据钻孔地质数据，辅助地质调查资料建立三维地质模型。其中最关键的内容是利用点、线的地质数据建立三维地质面，但点和线是不能直接生成面，需要科学的空间插值[5]。

空间数据插值即为对一组已知的空间数据，根据某种函数关系式推求区域范围内其他任意位置的数据值，主要目标是对不足或缺失数据进行估计。目前常见的空间插值算法有距离倒数加权插值算法、趋势面插值法、泰森多边形插值、移动平均法、三角网线性插值法及克里金插值法等，几种插值算法的优劣见表1[6]。

根据表1可知，克里金算法适用范围最广，最适合应用于复杂地质模型的建立。克里金算法的命名来至南非金矿工程师丹尼·克里格（Danie G. Krige），以纪念其使用回归方法对空间场进行预测的开创性研究[7]。克里金法（Kriging）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。在特定的随机过程中，其能够给出最优线性无偏估计，因此在地统计学中也被称为空间最优无偏估计器（spatial BLUP）。

在三维坐标系中，假设已知点（x0，y0，z0），插值目标点（x*，y*）已知，z*值为需计算预估值，按公式（1）表示，其中λi为权重系数，Z（xi）为预估点附近的已知样本，Z*（x）为预估z*值，把预估值问题转化为求解权重系数，需满足两个稳定条件式（2）和（3）。

通过以上克里金插值法，并用方差控制插值精度，可预估出三维地质面构建需要的数据点，解决地质数据不足的问题[3]。

2  建模方法及应用

2.1 实现方法

为了建立三维模型，必须先建立三维地面模型，一般采用已有的地形图建立基础地面模型，为了提高建模精度，可采用航测测量技术，生成高精度的地面模型，叠加卫星影像或航空影像生成最终的三维地面模型。

如图1，根据已有的地质基础数据，建立三维地质面，利用面剪切体来生成地质体，最终生成三维地质模型。

2.2 三维地质模型建立

目前，部分地质软件可根据钻孔数据快速生成三维地质模型，不需人为干预，其现实的基本原理是根据钻孔地层分层数据，采用相邻钻孔数据通过插值算法连接实现[8]。该方法仅能适用于地形条件好，岩土体成层性好，地层简单的工程，如东部沿海、平原、盆地等地带。对于西部高山峡谷地带，地层多样，层面走向变化大，构造复杂，在建立三维地质模型时，应人为的控制地层分界的走向和趋势。其适应性不够，特别是不适用于地形地貌及地质条件复杂的地区。

为了解决自动生成地质面的不足，建立三维地质模型应主要通过不同的剖面绘制地质分界线，通过剖面控制地层的走向（如图2），剖面之间通过克里金（kriging）插值方法连接，生成每层地层的地层面。最后通过地层面切割三维实体生成三维地质模型（图3）。

2.3 模型应用

三维地质模型不仅仅是一个模型，还含有丰富的地质信息，包括地层岩性、地层年代、构造信息、岩土体力学参数、工程量等多种数据，利用这些数据，能体现其多方面的价值。三维地质模型具有GIS信息，能与其他专业共享，与构筑物融合，指导优化设计，在多方面体现模型的价值，列举部分应用如下。

①直观反映地质信息（如图4），能让地质表达不再是一句话，一张二维图，让其更直观立体，让人站在地质体内观察地质情况。

②工程算量，传统的工程量计算都是估算，特别是不规则体的计算，基本是先把不规则体近似简化为规则的体，再计算其工程量，这是不能准确的计算工程量，有时还会存在较大的误差。现在每个地质体均有准确的体积（如图5），能很准确的计算出地质体的工程量[9]。

③结构分析，将三维模型文件直接存成MODEL文件，导入ANSYS中划分网格，模型含有丰富的物理力学参数（如图6），利用参数进行地质体稳定性、安全性分析，指导设计。

④施工模拟，将地质模型按照施工顺序切分成单独的地质体，可实现隧道开挖模拟，指导隧道的施工。

⑤优化构筑物设计，将三维地质模型与桥梁、隧道等构筑物叠合（如图7和图8），能很好的反映桥梁、隧道等构筑物的地质条件，特别是反映二则的关系，则可以优化隧道支护设计及校核桥梁桩基设计等。

3  展望

三维地质模型不仅是一个模型，将地质数字化，让其具有了生命，应用价值广泛，今后还将进一步挖掘其在工程建设和运维全生命周期的应用。

参考文献：

[1]Fazio P. IFC-based framework for evaluating total performance of building envelopes[J]. Journal of Architectural Engineering， 2007，13 （1）： 44-53.

[2]秦海洋.BIM在隧道设计中的应用现状与展望[J].公路，2016（11）：174-175.

[3]周福军.铁路工程地质BIM建模技术与应用初探[J].铁道建筑技术，2016（11）：106-107.

[4]王志杰.BIM技术在铁路隧道设计中的应用[J].施工技术，2015（18）：59-60.

[5]刘义勤.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，2016 （1）：1-4.

[6]崔清松.空间插值算法在地质建模中的应用[D].成都：西南石油大学，2010，8.

[7]Cressie， The origins of kriging[J]. Mathematical geology， 1990（22）： 239-240.

[8]劉娜.基于钻孔数据的三维地质空间插值方法对比研究[J].地震研究，2008 （31）：619-620.

[9]王丽园.基于BIM的公路勘察设计与实践[J].中外公路，2016（3）：343.