張晨

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251）

0 引言

鐵路地質(zhì)工作內(nèi)容包羅萬象，地質(zhì)情況復(fù)雜，再加上鐵路帶狀工程的特點(diǎn)，工程區(qū)域內(nèi)地質(zhì)情況變化極大，構(gòu)造豐富，工程勘探手段多樣，成果多元［1］，因此地質(zhì)數(shù)據(jù)很難用通用的數(shù)據(jù)語言表達(dá)清楚。

BIM技術(shù)是目前世界各國都在推廣的革命性工程數(shù)字化技術(shù)，囊括了一個(gè)工程“從生到死”的全過程［2］，對(duì)工程決策、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營管理及后期拆除等均具備強(qiáng)大的技術(shù)支撐能力。而在鐵路工程設(shè)計(jì)中，地質(zhì)數(shù)據(jù)作為一切設(shè)計(jì)的開端，具有舉足輕重的作用［3］。但基于鐵路地質(zhì)數(shù)據(jù)格式及內(nèi)容的多元性，目前關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)化的鐵路地質(zhì)數(shù)據(jù)如何應(yīng)用到BIM 技術(shù)中來仍然沒有較好的進(jìn)展和解決方案。

工業(yè)基礎(chǔ)類型（Industry Foundation Class，IFC）標(biāo)準(zhǔn)是一種國際通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［4］，其核心是如何描述及獲取工程信息，該標(biāo)準(zhǔn)可以解決多元終端數(shù)據(jù)格式不匹配的問題［5］。用一種國際通用的格式來解決復(fù)雜的地質(zhì)數(shù)據(jù)在不同軟件、系統(tǒng)間的交互具有極佳效果［6］。在此，以上述IFC標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)為基礎(chǔ)，開展對(duì)鐵路地質(zhì)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的編制和擴(kuò)展。

1 鐵路工程信息模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系概述

鐵路工程信息模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是在IFC體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)鐵路工程需要進(jìn)行擴(kuò)展，鐵路工程信息模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)見圖1。在資源層（Resource Layer）的幾何資源中增加了線路中心線的部分定義；在核心層（Core Layer）的產(chǎn)品擴(kuò)展（Product Extension）中擴(kuò)展了IFC Alignment 類，用于表示鐵路線路中心線；在共享層（Interop Layer）中增加了鐵路工程共享模式的定義，包括公用類型、公用空間結(jié)構(gòu)、公用零件和公用屬性集［8］；在專業(yè)領(lǐng)域?qū)樱―omain Layer），暫時(shí)擴(kuò)展了線路、軌道、路基、橋梁、隧道、站場(chǎng)6個(gè)專業(yè)領(lǐng)域。

鐵路工程空間結(jié)構(gòu)組成見圖2。鐵路項(xiàng)目（IfcProject）可包含1條或多條鐵路線（IfcRailway）和1個(gè)或多個(gè)鐵路樞紐（IfcRailwayTerminal）。鐵路線（IfcRailway）可包含1條或多條線路中心線（IfcAlignment），1條或多條軌道（IfcTrack），1個(gè)或多個(gè)路基（IfcSubgrade）、橋梁（IfcBridge）、隧道（IfcTunnel）、車站（IfcRailwayStation）、建筑（IfcBuilding）工點(diǎn)。鐵路樞紐（IfcRailwayTerminal）也可包含一系列鐵路線（IfcRailway）和鐵路車站（IfcRailwayStation）。

在上述工作基礎(chǔ)上，地質(zhì)專業(yè)根據(jù)自身專業(yè)特點(diǎn)和工作內(nèi)容，將自身工作中的重點(diǎn)內(nèi)容，尤其是與其他專業(yè)存在協(xié)同的技術(shù)指標(biāo)和工作成果整理分類，翻譯成面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換模式，與鐵路其他站前專業(yè)的存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)融為一體，使鐵路信息模型從勘察到設(shè)計(jì)、施工成為一個(gè)完整的體系［7］。

2 鐵路地質(zhì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建

2.1 模型架構(gòu)

鐵路地質(zhì)BIM數(shù)據(jù)模型架構(gòu)被設(shè)定為1個(gè)帶狀的地質(zhì)組合體及相關(guān)附屬地質(zhì)元素的集合。由于線路過長(zhǎng)，根據(jù)不同工點(diǎn)類型，將整段線路劃分為若干地質(zhì)工點(diǎn)，每個(gè)地質(zhì)工點(diǎn)里面均包含若干地質(zhì)體和地質(zhì)鉆孔［8］，這些基本構(gòu)件元素通過圖3 的方式被組織起來。其中：地質(zhì)工點(diǎn)（IfcGeologyPart）可以被視為鐵路地質(zhì)工程的節(jié)點(diǎn)單元。地質(zhì)構(gòu)件（IfcGeologyElement）主要包括巖土體（IfcRockSoilMass）、鉆孔（IfcDrillHole）、鉆孔地質(zhì)體（IfcDrillHoleLayer）。

圖3 地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)單元與構(gòu)件關(guān)系

2.1.1 地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)單元

本標(biāo)準(zhǔn)在IfcSpatialStructureElement 下派生出地質(zhì)工點(diǎn)（IfcGeologyPart）。地質(zhì)工點(diǎn)（IfcGeologyPart）通過預(yù)定義類型屬性（PredefinedType）進(jìn)一步分為：橋梁工點(diǎn)（FORBRIDGE）、路基工點(diǎn)（FORSUBGRADE）、隧道工點(diǎn)（FORTUNNEL）、建筑工點(diǎn)（FORBUILDING）［9］。地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)單元Express-G圖見圖4。

圖4 地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)單元Express-G圖

2.1.2 地質(zhì)構(gòu)件

定義了地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)單元后，還要對(duì)地質(zhì)相關(guān)的構(gòu)件進(jìn)行定義，以便將所有地質(zhì)數(shù)據(jù)分類綜合到體系當(dāng)中來。地質(zhì)構(gòu)件Express-G圖見圖5。具體構(gòu)件如下：

（1）地質(zhì)元素（IfcGeologyElement）：是所有地質(zhì)構(gòu)件的父類。

圖5 地質(zhì)構(gòu)件Express-G圖

（2）巖土體（IfcRockSoilMass）：占有一定空間，具備固有成分并可與周圍物質(zhì)相區(qū)別的地質(zhì)作用的產(chǎn)物。通過預(yù)定義類型屬性（PredefinedType）進(jìn)一步分為：碎石土（SOILAGGREGATE）、砂土（SANDYSOIL）、粉土（MUDDYSOIL）、黏性土（CLAYEDSOIL）、巖石（ROCK）；通過特殊巖土類型屬性（SpecialGeologyType）進(jìn)一步分為：一般巖土（GENERALGEOLOGY）、濕陷性土（COLLAPSIBLESOIL）、膨脹土（EXPANSIVESOIL）、凍土（FROST）、紅黏土（REDCLAYEDSOIL）、軟土（YIELDINGSOIL）、混合土（MIXEDSOIL）、填土（BANKING）、鹽漬巖土（HALOMORPHICSOIL）、殘積土（RESIDUALSOIL）、污染土（POLLUTIONSOIL）；通過地質(zhì)災(zāi)害類型屬性（Geology-DisasterType）分為：一般地質(zhì)類型（GENERAL）、滑坡（LANDSLIDE）、泥石流（DEBRISFLOW）、巖溶（KARST）、小型采空（GOB）、放射性廢物（RADIOACTIVE）、地震液化（EARTHQUAKELIQ）、風(fēng)沙（SANDSTORM）。

（3）鉆孔（IfcDrillHole）：以勘探點(diǎn)所處的地面位置為圓心，一定半徑和深度范圍內(nèi)的地層集合。

（4）鉆孔地質(zhì)體（IfcDrillHoleLayer）：鉆孔中的地層，是巖土體（IfcRockSoilMass）的子類。

2.2 實(shí)體定義

用來表達(dá)三維空間中具體地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)類型。下述實(shí)體將會(huì)成為所有地質(zhì)信息的幾何載體，具體包括地質(zhì)元素（IfcGeologyElement）、地質(zhì)工點(diǎn)（IfcGeologyPart）、巖土體（IfcRockSoilMass）、鉆孔（IfcDrill-Hole）、鉆孔地質(zhì)體（IfcDrillHoleLayer）。其中，IfcGeologyElement 是所有地質(zhì)構(gòu)件的父類。IfcGeologyPart 用以表達(dá)地質(zhì)工點(diǎn)。IfcRockSoilMass 定義為地質(zhì)體的基本單元，若干巖土體構(gòu)成整片區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)狀況。Ifc-DrillHole定義以勘探點(diǎn)所處的地面位置為圓心，一定半徑和深度范圍內(nèi)的地層集合。IfcDrillHoleLayer 定義為鉆孔探測(cè)到的地層單元。上述實(shí)體所包含的屬性集見表1—表5。

表1 IfcRockSoilMass屬性集（之一）

表2 IfcRockSoilMass屬性集（之二）

表3 IfcRockSoilMass屬性集（之三）

表4 IfcRockSoilMass屬性集（之四）

表5 IfcDrillHoleLayer屬性集

3 鐵路地質(zhì)IFC標(biāo)準(zhǔn)的軟件實(shí)現(xiàn)

基于VBA 語言對(duì)CATIA 軟件進(jìn)行二次開發(fā)，將上述地質(zhì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)到軟件當(dāng)中，并與三維地質(zhì)建模功能結(jié)合在一起，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)IFC地質(zhì)屬性信息與地質(zhì)三維模型間的融合落地。

首先根據(jù)傳統(tǒng)地質(zhì)資料中的柱狀圖、縱斷面等地質(zhì)圖件結(jié)合試驗(yàn)信息，在CATIA 平臺(tái)中構(gòu)建出地質(zhì)體和地質(zhì)鉆孔的幾何模型，其中每個(gè)幾何體中都具備獨(dú)有的識(shí)別碼，以此為屬性信息的鏈接預(yù)備接口。CATIA中的地質(zhì)體構(gòu)建見圖6。

圖6 CATIA中的地質(zhì)體構(gòu)建

之后，利用地質(zhì)數(shù)據(jù)庫與地質(zhì)幾何體識(shí)別碼的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系將地質(zhì)信息與三維幾何體融合在一起。IFC數(shù)據(jù)在CATIA中的程序化實(shí)現(xiàn)見圖7。

圖7 IFC數(shù)據(jù)在CATIA中的程序化實(shí)現(xiàn)

4 結(jié)束語

根據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和屬性類型，將所有信息按照不同尺度進(jìn)行分類，并將其擴(kuò)展為IFC結(jié)構(gòu)體系中的一部分，使地質(zhì)數(shù)據(jù)成為國際通用的存儲(chǔ)與讀寫格式，并通過VBA 編程，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)IFC 屬性信息在軟件中的落地，為地質(zhì)BIM 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及在鐵路工程中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。