基于CIVIL 3D的三维地质建模研究——某电厂架构区三维地质建模实例

张国明

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 石河子 832000）

近年来随着建筑信息模型（BIM）的发展，土木工程行业对BIM 技术提出了相应的要求，尤其在地面建筑行业，而在岩土工程勘察领域，BIM 技术的发展相对缓慢。在设计行业BIM 技术的特点在于参数化，其各种建筑结构可以由形状规则的构件组成，基于参数进行驱动，可以三维化、动态化，而地下各种岩土体的形状无规则，采用参数化建模非常困难。想要将地质勘察专业BIM 化、三维化、动态化，其过程比设计专业复杂的多，地质模型建立后不仅只是提供给业主展示，还要能提供给设计人员进行建基面开挖、土方计算。

本文基于Civil 3D 土木工程软件建立三维地质模型[1-3]，Civil 3D 对CAD 有很好的继承性，对建筑领域常用的Revit支持性强，但其三维地质建模能力较弱，Geotechnical Module 插件是Keynetix 公司开发的增强其地质建模功能的插件，很好的完善了Civil 3D地质建模能力的不足。

地质建模数据主要为钻孔、探坑数据，勘探工作一般按规范要求按一定间距布置勘探点，勘探点密度相较与地形高程点数据量较为稀疏，随着勘探阶段的推进数据也逐步增多。

1 工程概况

某新建电厂架构区位于准噶尔盆地南缘，石河子市以北，属玛纳斯河冲积、洪积平原中下部，地形南高北低，地势平缓，地形平坦开阔，起伏变化不大，海拔高程386.3～389.5 m。主要构筑物为输变电架构，拟采用独立基础。

根据架构柱的布置，按详勘阶段勘察要求在场地中布置了20个钻孔，钻孔深度分别为10 m、15 m。

根据钻孔揭露其地层如下：①杂填土，厚度0.40～1.20 m，杂色、土黄色，以煤炭、碎石为主，含大量植物根系，松散、干燥。②粉土、粉质粘土互层，黄色，埋深0.40～1.20 m，厚为0.50～5.60 m，东薄西厚，湿-饱和，稍密，摇震反应中等，无光泽，干强度、韧性低。上部含少量植物根系。③圆砾，青灰色，松散-稍密，场地处分布连续，埋深1.3～7.5 m，厚度3.00～8.90 m，该层最大可见粒径60 mm，骨架颗粒5～20 mm，其含量超过50%，颗粒多呈次棱角形，中粗砂充填，级配较好，分选性差。③-1 粉细砂：青灰色，饱和，稍密，砂质纯净，于场地中以透镜体存在，厚度0.50～3.20 m。③-2 中砂，青灰色，饱和，稍密，砂质纯净，于场地中以透镜体存在。⑤粉质粘土，灰黄色、灰黑色，分布较稳定，饱和，中密状，埋深9.4～12.4 m，厚度2.00～9.70 m。

2 勘察数据处理

2.1 地形数据处理

一般根据测绘专业提供的地形图生成地形曲面，对DWG 地形图清理与地形无关图元，可使用等高线、高程点等创建曲面，其方法较多，各种资料介绍也较多，在此不再详述。

2.2 工程地质数据处理

Geotechnical Module 插件中的Data Management模块主要是数据文件的导入、导出，支持Hole BASE SI 的数据库和CSV 文件，一般采用CSV 文件。基本数据由2 个文件组成，分别为Location Detail.csv、Field geological Descriptions.csv。其中Location De⁃tail.csv 是钻孔的平面位置文件，保存钻孔的孔口坐标、高程等信息；Field geological Descriptions.csv 主要保存每个钻孔的分层数据。

Location Detai.csv（钻孔的平面位置文件）文件格式为每个钻孔为1 行，共6 列，分别代表钻孔的编号、类型、X 坐标、Y 坐标、孔口高程、孔深。根据文件格式分别录入20个勘探钻孔的平面数据。

Field geological Descriptions.csv（钻孔地层文件）文件中每一地层为一行，一个钻孔有几层就输入几行，第一列为钻孔编号，与Location Detail.csv文件的标号一致，第二列表示地层的层顶深度，第一层层顶为0，其余地层不能为0；第三列表示地层的层底深度，最后一层的层底深度即为钻孔深度。上一层的层底深度要与下一层的层底深度一致，否则会报错。第四列为地层的图例代码，是插件自带的图例代码，可作为分层标签，第五列为地质代码，可作为分层标签。第六、第七列与第五列类似，采用不同分层标注代码，对第四、五、六、七列不必全部输入，但至少要输入一列。

Civil 3D是曲面建模，采用自上而下逐层建模的方法。因为不是每一个钻孔都能揭露场地的全部地层，有些地层是以透镜体形式存在的，为了建模方便，对于场地中所有钻孔揭露的地层进行统计，按地质规律建立自上而下的层序，即全部地层的标准层序，并编制地层唯一序号。层底深度减去层顶深度代表层厚，层顶、层底深度相同代表厚度为零，对于某钻孔中未揭露到的地层可按层顶、层底深度相同录入处理。经这样处理后的所有钻孔将有相同的地层分布，按处理后的钻孔地层数据录入生成Field geological Descriptions.csv文件。

3 生成地质模型

利用Geotechnical Module 插件建立工程数据库，并导入Location Detail.csv、Field geological De⁃scriptions.csv 文件，生成三维地质钻孔柱状模型。Geotechnical Module 插件 的Asset Management 模块Stratac按钮，进行地质曲面的快速生成，需要选择曲面标识为Geology Code，注意要勾选生成地层的顶、底曲面，以便剖切剖面的顺利填充。生成后可利用Civil 3D自身功能菜单调正修改曲面样式，通过动态观察器旋转不同角度查看地质曲面。

4 三维地质模型验证

利用勘察数据建立的模型直观的反应了场地的地层分布情况，为验证地质建模结果的准确性，对三维模型通过剖切生成地质剖面图（图1），与勘察报告中地质工程师人工绘制的剖面（图2）进行相应对比。

从图1、图2中可以看出，基于钻孔勘探数据建立的地质模型可以较好的展示地层，在勘探点处两图的地层分层信息一致，对第三层粉细砂透镜体均能反应其趋势，但其尖灭位置不同，勘察报告剖面由地质工程师根据地质规律及经验手工尖灭在两钻孔中间位置，地质模型其根据插值尖灭在相邻钻孔厚度为零的位置。虽然其尖灭位置不同，但从整体看三维地质模型能够较为准确的表现地层的分布。

图1 模型剖切地质剖面

图2 勘察报告剖面

5 模型的精细化调整

由于2 种方式形成的剖面在勘探孔处地层一致，在透镜体推测尖灭处不一致，地质勘察工作是由各勘探点经地质经验推测形成地质剖面，由各地质剖面形成整个场地的地质情况，说明准确的勘察才能建立准确的模型。对这种不同可以采用在地质工程师推断的尖灭位置放置虚拟钻孔的形式解决，在虚拟孔中使透镜体厚度为零，在后期加入虚拟钻孔后透镜体尖灭位置一致。这也说明建模工作离不开地质工程师绘制的地质剖面，通过地质工程师绘制主要剖面控制整个场地的地层趋势就可较为准确的建立地质模型，而通过地质模型任意剖切剖面又可以极大的减少地质工程师绘制剖面的工作。

6 三维地质模型的应用

通过建立的地质曲面模型可方便的进行地质剖面任意剖切、不同类别土石方计算、与设计专业BIM协同等。

6.1 任意剖切剖面

使用Geotechnical Module 插件的剖切功能，实现对地质模型的任意剖切。以往勘察工作是按照设计建筑物的布置勘探工作并绘制工程地质剖面，如建筑物进行了平面调整但未超出勘察范围，需要重新绘制剖面图，费时费力。建立地质模型后可以很快的任意剖切剖面。设计人员通过模型也可以更好的理解场地的地质条件。

6.2 开挖算量

结合Civil 3D 在土木工程中强大的设计纵断面功能，可以在设计断面中加入各地层曲面的相关内容，以往纵横段面图只有原始地面线和设计线，现在可加入地层分界线；通过土方计算功能可以计算挖方总量中不同地层的方量，根据不同开挖等级赋予不同材质，其不同土石分级计算更准确，利用Civil 3D 生成土方报告。

6.3 多专业协同

通过Civil 3D 的“从曲面提取实体功能”，可以方便的根据地层顶、底面建立三维地质实体，地质实体可导入Revit 中，设计专业在Revit 中可根据地质体进行基础设计、基坑开挖等，地质信息与上部建筑信息的融合，实现勘察、设计、建筑等多专业的BIM协同。

7 结语

利用Geotechnical Module 插件在Civil 3D 进行地质建模是完全可行的，插件的使用很简单，软件可自动生成地层简单、连续的地质模型，透镜体较多、层序复杂的地层需要地质工程师根据地质经验增加虚拟孔或对钻孔间进行地质插值，才能建立准确的地质模型。说明准确的勘察才能建立准确的模型，建模工作离不开地质工程师绘制的地质剖面，通过地质工程师绘制主要剖面控制整个场地的地层趋势就可较为准确的建立地质模型，而通过地质模型任意剖切剖面又可以极大的减少地质工程师绘制剖面的工作。

常规的地质建模软件缺乏数值计算分析能力，研究地质模型在数值计算方面的应用是地质模型研究的方向之一，将地质模型导入数值计算模型直接进行数值分析计算将大大节约数值计算的建模时间。

随着BIM技术的发展将产生更多的地质建模方式，使单一项目的地质模型汇成岩土工程大数据，基于岩土大数据的工程应用是未来发展的潮流。