铁路地质数据存储标准研究

张晨

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300251）

0 引言

铁路地质工作内容包罗万象，地质情况复杂，再加上铁路带状工程的特点，工程区域内地质情况变化极大，构造丰富，工程勘探手段多样，成果多元［1］，因此地质数据很难用通用的数据语言表达清楚。

BIM技术是目前世界各国都在推广的革命性工程数字化技术，囊括了一个工程“从生到死”的全过程［2］，对工程决策、设计、施工、运营管理及后期拆除等均具备强大的技术支撑能力。而在铁路工程设计中，地质数据作为一切设计的开端，具有举足轻重的作用［3］。但基于铁路地质数据格式及内容的多元性，目前关于标准化的铁路地质数据如何应用到BIM 技术中来仍然没有较好的进展和解决方案。

工业基础类型（Industry Foundation Class，IFC）标准是一种国际通用数据标准［4］，其核心是如何描述及获取工程信息，该标准可以解决多元终端数据格式不匹配的问题［5］。用一种国际通用的格式来解决复杂的地质数据在不同软件、系统间的交互具有极佳效果［6］。在此，以上述IFC标准的架构为基础，开展对铁路地质数据信息存储标准的编制和扩展。

1 铁路工程信息模型基础数据体系概述

铁路工程信息模型基础数据是在IFC体系结构的基础上，根据铁路工程需要进行扩展，铁路工程信息模型基础数据体系结构见图1。在资源层（Resource Layer）的几何资源中增加了线路中心线的部分定义；在核心层（Core Layer）的产品扩展（Product Extension）中扩展了IFC Alignment 类，用于表示铁路线路中心线；在共享层（Interop Layer）中增加了铁路工程共享模式的定义，包括公用类型、公用空间结构、公用零件和公用属性集［8］；在专业领域层（Domain Layer），暂时扩展了线路、轨道、路基、桥梁、隧道、站场6个专业领域。

铁路工程空间结构组成见图2。铁路项目（IfcProject）可包含1条或多条铁路线（IfcRailway）和1个或多个铁路枢纽（IfcRailwayTerminal）。铁路线（IfcRailway）可包含1条或多条线路中心线（IfcAlignment），1条或多条轨道（IfcTrack），1个或多个路基（IfcSubgrade）、桥梁（IfcBridge）、隧道（IfcTunnel）、车站（IfcRailwayStation）、建筑（IfcBuilding）工点。铁路枢纽（IfcRailwayTerminal）也可包含一系列铁路线（IfcRailway）和铁路车站（IfcRailwayStation）。

在上述工作基础上，地质专业根据自身专业特点和工作内容，将自身工作中的重点内容，尤其是与其他专业存在协同的技术指标和工作成果整理分类，翻译成面向对象的数据存储与交换模式，与铁路其他站前专业的存储标准融为一体，使铁路信息模型从勘察到设计、施工成为一个完整的体系［7］。

2 铁路地质数据存储标准构建

2.1 模型架构

铁路地质BIM数据模型架构被设定为1个带状的地质组合体及相关附属地质元素的集合。由于线路过长，根据不同工点类型，将整段线路划分为若干地质工点，每个地质工点里面均包含若干地质体和地质钻孔［8］，这些基本构件元素通过图3 的方式被组织起来。其中：地质工点（IfcGeologyPart）可以被视为铁路地质工程的节点单元。地质构件（IfcGeologyElement）主要包括岩土体（IfcRockSoilMass）、钻孔（IfcDrillHole）、钻孔地质体（IfcDrillHoleLayer）。

图3 地质空间结构单元与构件关系

2.1.1 地质空间结构单元

本标准在IfcSpatialStructureElement 下派生出地质工点（IfcGeologyPart）。地质工点（IfcGeologyPart）通过预定义类型属性（PredefinedType）进一步分为：桥梁工点（FORBRIDGE）、路基工点（FORSUBGRADE）、隧道工点（FORTUNNEL）、建筑工点（FORBUILDING）［9］。地质空间结构单元Express-G图见图4。

图4 地质空间结构单元Express-G图

2.1.2 地质构件

定义了地质空间结构单元后，还要对地质相关的构件进行定义，以便将所有地质数据分类综合到体系当中来。地质构件Express-G图见图5。具体构件如下：

（1）地质元素（IfcGeologyElement）：是所有地质构件的父类。

图5 地质构件Express-G图

（2）岩土体（IfcRockSoilMass）：占有一定空间，具备固有成分并可与周围物质相区别的地质作用的产物。通过预定义类型属性（PredefinedType）进一步分为：碎石土（SOILAGGREGATE）、砂土（SANDYSOIL）、粉土（MUDDYSOIL）、黏性土（CLAYEDSOIL）、岩石（ROCK）；通过特殊岩土类型属性（SpecialGeologyType）进一步分为：一般岩土（GENERALGEOLOGY）、湿陷性土（COLLAPSIBLESOIL）、膨胀土（EXPANSIVESOIL）、冻土（FROST）、红黏土（REDCLAYEDSOIL）、软土（YIELDINGSOIL）、混合土（MIXEDSOIL）、填土（BANKING）、盐渍岩土（HALOMORPHICSOIL）、残积土（RESIDUALSOIL）、污染土（POLLUTIONSOIL）；通过地质灾害类型属性（Geology-DisasterType）分为：一般地质类型（GENERAL）、滑坡（LANDSLIDE）、泥石流（DEBRISFLOW）、岩溶（KARST）、小型采空（GOB）、放射性废物（RADIOACTIVE）、地震液化（EARTHQUAKELIQ）、风沙（SANDSTORM）。

（3）钻孔（IfcDrillHole）：以勘探点所处的地面位置为圆心，一定半径和深度范围内的地层集合。

（4）钻孔地质体（IfcDrillHoleLayer）：钻孔中的地层，是岩土体（IfcRockSoilMass）的子类。

2.2 实体定义

用来表达三维空间中具体地质模型的数据类型。下述实体将会成为所有地质信息的几何载体，具体包括地质元素（IfcGeologyElement）、地质工点（IfcGeologyPart）、岩土体（IfcRockSoilMass）、钻孔（IfcDrill-Hole）、钻孔地质体（IfcDrillHoleLayer）。其中，IfcGeologyElement 是所有地质构件的父类。IfcGeologyPart 用以表达地质工点。IfcRockSoilMass 定义为地质体的基本单元，若干岩土体构成整片区域内的地质状况。Ifc-DrillHole定义以勘探点所处的地面位置为圆心，一定半径和深度范围内的地层集合。IfcDrillHoleLayer 定义为钻孔探测到的地层单元。上述实体所包含的属性集见表1—表5。

表1 IfcRockSoilMass属性集（之一）

表2 IfcRockSoilMass属性集（之二）

表3 IfcRockSoilMass属性集（之三）

表4 IfcRockSoilMass属性集（之四）

表5 IfcDrillHoleLayer属性集

3 铁路地质IFC标准的软件实现

基于VBA 语言对CATIA 软件进行二次开发，将上述地质数据存储标准落实到软件当中，并与三维地质建模功能结合在一起，进而实现IFC地质属性信息与地质三维模型间的融合落地。

首先根据传统地质资料中的柱状图、纵断面等地质图件结合试验信息，在CATIA 平台中构建出地质体和地质钻孔的几何模型，其中每个几何体中都具备独有的识别码，以此为属性信息的链接预备接口。CATIA中的地质体构建见图6。

图6 CATIA中的地质体构建

之后，利用地质数据库与地质几何体识别码的一一对应关系将地质信息与三维几何体融合在一起。IFC数据在CATIA中的程序化实现见图7。

图7 IFC数据在CATIA中的程序化实现

4 结束语

根据地质数据的结构特点和属性类型，将所有信息按照不同尺度进行分类，并将其扩展为IFC结构体系中的一部分，使地质数据成为国际通用的存储与读写格式，并通过VBA 编程，实现了地质IFC 属性信息在软件中的落地，为地质BIM 技术的实现及在铁路工程中的应用提供了坚实的技术支持。