中小型水利勘察项目三维数字化应用与数据库探索

贺 涛，何 强

（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007）

水利水电工程项目往往建设周期长、设计阶段多，造成了勘测基础资料种类多，数据量大。在传统二维作业方式下，勘测工作做的越扎实，留存的数据量越大，但又因为数据可读性不强，经常造成无法有效传递利用的问题。随着项目的深入，对地质资料的误读情况会越来越多，不得不进行大量的补探作业或者边施工边勘探。随着BIM相关应用在省级设计院推广速度的加快，勘测领域也急需一套基于三维模型的数据库管理体系，以符合行业长远发展。

1 思路与方法

通过研读政府各类政策，了解相关技术出现的深层次原因，结合实际工作清楚勘察需要解决的问题。对比市场中已存在的多类勘测软件，通过工程项目测试，取得了三维勘测中各类工程实际应用点。最后考虑三维模型消费阶段的应用，探索现阶段适合中小型水利项目勘测的数据库解决方案。

2 主要内容

2.1 政策分析

随着计算机、互联网、大数据、人工智能、无人机等新兴行业的发展，正在倒逼传统行业发生改变。为提高建筑行业信息化程度，整体拉动行业升级。湖南省“十一五”BIM规划中指出主要任务：研究建立基于BIM的工程勘察流程与工作模式。在工程项目勘察中，推进基于BIM进行数值模拟、空间分析和可视化表达，实现建筑与其地下工程地质信息的三维融合。研究构建支持异构数据和多种采集方式的工程勘察信息数据库，实现工程勘察信息的有效传递和共享。对比大型设计院，作为省级设计院更应该在三维数字化和数据库搭建中体现自身特点。

2.2 软件比选

目前普遍采用的勘察三维建模解决方法：①设计院自主研发；②软件公司独立开发；③设计院与软件公司合作研发。

目前三维软件较多，PowerGeo、GeoStation地质模块都是基于MicroStation开发的。此外，还一些其他软件商的地质模块。

省级设计院大多数以中小型项目为主，项目普遍采用新技术，单位成本过高，在基于数据格式统一的前提下，Bentley平台下开发的成熟地质模块是最合适的。

2.3 三维协同

协同设计是设计方式与流程的一项重大变革，多专业在同一大平台下进行协同设计，改变以往串联工作模式，转为串并联混合型工作模式。

现有勘测BIM软件基本能够实现多人远程信息化和移动化，野外数据记录将更多的电子化。地质素描将被实景建模技术简化，使得工程人员更加专注于技术问题的解决，而非大量的手工素描工作。服务器的海量存储功能，将最大限度的保存历史数据，保护工程人员权益，减少风险。采用同一数据库，分配多层级权限的角色，使得每个人的权力和责任明确，避免工作缺漏。专业内的模型校审碎片化，技术总工可在家看资料，纰漏明了，地质分析推断和钻孔布置是否合理，实时上传调取相关数据。

2.4 数据库探索

分别尝试了SQL2008、Access数据库，未来海量大数据还会用到GIS软件、Oracle。同时对Bentley自带的eb软件进行了探索，GIS平台只尝试了在超图SuperMap和ArcGIS下实现BIM+GIS方法的探索。

数据库基本架构需符合一般的岩土工程勘察工作流程，包括勘探布置、钻孔数据、试验数据、物探数据、施工地质、资料统计等。通过配置网络服务器，分配权限，实现多人同时异地协同工作，提高工作效率，并能实现即时文件碎片化校审。

基于统一的数据服务，建立了标准化的数据字典，融合了水利、水电、岩土工程勘察的多行业标准，满足多类项目、多勘察阶段、多数据来源、多种应用等需求，为设计提供实时访问的数据服务；

地质i-model全信息模型发布：在连接地质数据库的情况下，自动化实时提取数据库信息，发布地质全信息模型。勘测数据库有很大工程价值，对于设计院来说是一笔能够长久保存的资产，对于业主来说可作为管理运维的基础数据之一。勘测基础数据亦是“智慧水利”重要承载体。

3 应用案例及成果

我院在若干项目中应用了三维勘察设计。

三维地形模型是在测绘专业提供的二维dwg图中，对原数据进行去除构筑物和错误信息，提取有用的高程点、特征线和等高线数据，再通过相应软件生成，模型精度与原设计保持一致。不同点在于，毛俊和雅口项目使用GEOPAK生成模型，如图1所示，而涔天河使用Geostation生成，如图2所示，后者得到的地形表面更加平滑和接近实际，而且拥有便捷的修模工具，避免出现刺点和异形构网的问题。

另外，雅口航运工程中，研究了stm贴高清卫星图的方法，通过谷歌下载Level17级高清卫星地图附着在三维地形表面，形成了比较真实的三维地形模型，如图3所示。但谷歌的投影坐标系和国内投影坐标系一般都存在米级以上的误差，纠偏算法复杂，很难做到完全对齐。真正投入到项目，还是需要通过实景建模技术。

图1 毛俊水库工程三维地形模型

图2 涔天河水库导流洞入口地形

图3 雅口航运工程三维地形模型

三维地质模型的创建，首先是在三维地形模型基础上，调用数据库中存储的大量勘测数据，形成钻孔勘探线模型，第二步在二维切图模式中编辑各个剖面，形成线框模型，最后在三维模式下形成各种通过颜色区分的水文界面、地层界面和结构面，如图4、6所示，最后通过面与面之间的空间拓扑运算形成网格体，如图5、7所示。

图4 毛俊水库工程三维地质模型

图5 雅口航运工程三维地质模型

图6 涔天河水库入口边坡三维地质模型

图7 深圳滨河中学拆建项目三维地质模型

图8 毛俊水库左坝肩地质开挖模型

图9 雅口航运工程坝基地质开挖模型

图10 涔天河开挖面与地质构造关系

图11 滨河中学拆建工程地质开挖模型

三维地质模型基本揽括了所有地质要素，对于地质薄层及构造面都进行了详细的建模，通过模型，设计人员对项目地质情况判断一目了然，如图10所示。

在地质模型基础上，通过 PowerCivil和GEOPAK进行开挖设计，以此得到基础和高边坡开挖模型，可以充分应用三维模型可视化的便利条件，直观查询基础和高边坡结构面的不利组合，提供给设计进行稳定分析，通过多种开挖方案对比，达到科学合理利用岩体的效果如图8所示。同时，通过三维地质体，能直接统计各地层的开挖方量，降低造价专业的工作强度，并能提高统计精度，对于业主控制预算有很好的帮助作用。通过开挖模型展示各个地层的开挖情况，利于特殊地层的处理和精细化设计，便于设计优化和项目审查的通过，如图9、11所示。

三维地质模型的应用，不仅在数据显示上，在深圳滨河中学拆建项目中，周边高层建筑密集，地下管网极其复杂。传统的工作模式下，由于地下管线连接方式不清晰，设计单位和业务主管部门找不到准确的管线接入口，导致重复作业而延长项目周期。采用PowerCivil的SUE模块对周边地下管网建模后，通过模型能清晰的看到井与井、管与井之间的空间位置关系，如图12所示。管网模型自带各类属性，区分给排水、污水、电气等专业管线，为相应专业设计提供了良好的三维解释。通过地下管线与地质开挖模型进行碰撞分析可以得到更为可靠的线路改迁方案在开挖模型的基础上，通过专业接口导入迈达斯软件中，模拟计算基坑支护方案的可行性，为勘察报告中基坑支护方案的建议提供了理论支撑，如图13所示。结果显示，原设计方案偏保守，改为分边且局部放坡的方式对基坑设计优化，减少约15%的基坑支护工程量，有效提高了工程的经济效益。

图15 2-2’剖面图

图12 滨河中学拆建项目地下管网模型

图13 基坑支护方案有限元分析模拟

现有BIM技术在推广过程中最大阻力来自于二维出图能力的不足，出图标准与国外差异巨大。上述勘测项目采用BIM技术出图，三维模型与二维图纸一致，如图14、15所示。修改模型后能更新图纸，提高了本专业人员的出图积极性。设计方案修改后不用重新编辑图纸，提高了生产效率。

图14 钻孔柱状图

4 结语

省级设计院的勘察设计项目多属于中小型，通过以上诸多勘察项目的三维数字化应用和数据库探索发现，以BIM设计应用为基础，打造一支能熟练运用BIM技术的小型队伍，与软件公司合作，选用基于MicroStation平台开发的地质模块，将中小型水利项目的数据管理起来，形成数据格式统一、通用、安全的数据库，利用数据库强大的延展性，服务“智慧水利”，将是省院最适用的发展道路。

现阶段BIM所涉及的软件种类太多，平台也不尽相同，要想完全掌握，难度很大，因此在效率提升上还存在诸多问题，现阶段只能制定一系列规范化的工作流程，从侧面提升工作效率。

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