多元數(shù)據(jù)耦合的巖土勘察BIM模型技術(shù)研究

張洪飛，周朝慧，宋云龍，陸秋生，薛凱喜

（1.山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101；2.東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

巖土工程勘查要求弄清工程的地質(zhì)條件、環(huán)境特征和巖土施工條件，并做出分析和評價(jià)，在大型、工民用建筑等工程取得廣泛應(yīng)用。巖土工程勘查在工程不同階段有不同的任務(wù)和精度要求。基礎(chǔ)資料收集主要通收集資料、地形測繪、采集土樣、原位測試、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等手段完成，在此過程中，收集到大量有關(guān)場地的數(shù)據(jù)，例如具有場地工程數(shù)據(jù)的地形圖、遙感圖像，表征擬建場區(qū)周邊場地環(huán)境特征的地物資料及地下管線圖，表征擬建建筑物特征的設(shè)計(jì)圖紙，表征地層結(jié)構(gòu)和工程性質(zhì)特征的鉆孔資料、物探資料、室內(nèi)試驗(yàn)資料及原位測試資料等資料。這些資料涉及多種來源、多種類型、多種數(shù)據(jù)格式等多元數(shù)據(jù)的特點(diǎn)[1]。

BIM模型（建筑信息模型）擺脫以往2D平面模型的束縛，并納入了建筑物整個(gè)周期中所需的一系列信息，例如建筑的平立剖面圖、建筑的功能和材料要求、建筑的施工進(jìn)度、建造工藝，將他們充分融合、統(tǒng)一、分析、應(yīng)用。BIM三維建模技術(shù)利用數(shù)字化技術(shù)建立該建筑工程的信息庫，這個(gè)信息庫不僅根據(jù)實(shí)際情況輸入建筑構(gòu)件的幾何信息以及材料屬性，而且寫入非構(gòu)件對象（如空間幾何數(shù)據(jù)、建設(shè)進(jìn)度、設(shè)備安裝）的信息。因此BIM建筑模型不僅是個(gè)可視化的建筑數(shù)據(jù)庫，還可以模擬施工進(jìn)度、模擬和推演設(shè)計(jì)的可施工性，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題和各個(gè)專業(yè)之間的設(shè)計(jì)障礙。巖土工程勘察BIM模型是將表征場地地形特征資料、表征場地周邊環(huán)境的資料、表征擬建建筑物特征及表征巖土條件特征資料空間信息集成構(gòu)建的多層次立體的BIM模型。由于巖土工程條件是一個(gè)項(xiàng)目從決策、方案選擇、設(shè)計(jì)施工和工程造價(jià)的基礎(chǔ)，因此巖土工程勘察BIM模型是BIM數(shù)據(jù)庫的一個(gè)重要組成成分[2]。

巖土勘察BIM模型的建立可通過應(yīng)用BIM技術(shù)將多元、大量的地表、地下數(shù)據(jù)耦合集成顯示三維模型，本文結(jié)合巖土工程的發(fā)展趨勢，探討當(dāng)前BIM技術(shù)對地表原始數(shù)據(jù)集耦合、地下原始數(shù)據(jù)耦合及地表、地下原始數(shù)據(jù)耦合一體集成顯示的關(guān)鍵技術(shù)研究，對巖土工程勘察BIM模型技術(shù)的前景進(jìn)行剖析。

1 巖土工程勘察多元數(shù)據(jù)來源及用途

目前，國內(nèi)的工程建設(shè)程序主要為勘察、設(shè)計(jì)、施工并分階段依次進(jìn)行，在項(xiàng)目開始之前必須進(jìn)行巖土工程勘察。當(dāng)前設(shè)計(jì)、施工所依據(jù)的巖土勘察的依據(jù)主要是文字、表格和圖形。假設(shè)使用BIM技術(shù)構(gòu)建建筑或項(xiàng)目的三維模型，其數(shù)據(jù)主要來源以巖土工程勘察成果報(bào)告。數(shù)據(jù)來源及用途見表1。

表1 BIM模型數(shù)據(jù)來源

通過各種手段獲得的地表數(shù)據(jù)和地下數(shù)據(jù)共同構(gòu)成了巖土工程勘察所反映擬建場地的原始數(shù)據(jù)。上述表中數(shù)據(jù)來源廣泛，數(shù)據(jù)類型多，專業(yè)從屬不一，定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)相結(jié)合，數(shù)據(jù)內(nèi)容較多且精度不統(tǒng)一，在空間上呈散亂性和不規(guī)則性，但是表中的數(shù)據(jù)同時(shí)具有明顯的專業(yè)分類與從屬關(guān)系。因此分析數(shù)據(jù)信息之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)信息之間存在一定的層次關(guān)系，并通過數(shù)據(jù)表和圖形實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)信息的傳遞。

2 構(gòu)建多元數(shù)據(jù)耦合的巖土勘察BIM模型的技術(shù)研究

2.1 地表數(shù)據(jù)耦合拓?fù)湟恢陆?/h3>

由于巖土工程勘察場地面積一般有限，并且高精度的三維地表模型是三維建模的基礎(chǔ)，因此場地內(nèi)地形起伏及微地貌要求劃分單元更加細(xì)致。三維地表數(shù)據(jù)耦合拓?fù)湟恢陆＜夹g(shù)基于地形圖或者激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，并且其建模有與三維矢量地表的路網(wǎng)、水系、建筑物等構(gòu)建物相一致的細(xì)節(jié)[3]。

當(dāng)前主要有4種地形表面建模方法：基于點(diǎn)、網(wǎng)格、三角形以及混合其中兩種方法的建模方法[4]。目前表面建模主要基于三角形和網(wǎng)格劃分的建模方法，其中處理地形平坦地區(qū)的全局?jǐn)?shù)據(jù)主流軟件是基于網(wǎng)格的，但是如果是存在大量陡坡和裂隙的地形，這種建模方法就不能準(zhǔn)確處理此數(shù)據(jù)。同時(shí)這種建模方法不能滿足工程建模等專業(yè)化分析與應(yīng)用領(lǐng)域的需求。另外基于三角形的表面建模方法適用于所有的數(shù)據(jù)，可以滿足工程建設(shè)的需要。

主流的地表數(shù)字高程模型（DEM）是柵格化的地表模型，在數(shù)學(xué)上是一個(gè)非完備性的柵格模型（整數(shù)化模型）。因此需要采用完備性的不規(guī)則三角網(wǎng)模型（實(shí)數(shù)化模型），即高精度地表三維不規(guī)則曲面模型[3]。可以將優(yōu)化處理后的地形圖數(shù)據(jù)或者地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而形成不規(guī)則三角面網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而構(gòu)建出高精度的地表三維曲面模型。通過連續(xù)的三角面可以分析模型中的高程信息，同時(shí)三角面的不規(guī)則分布點(diǎn)云的密度和位置決定了三角面的幾何信息，這既能準(zhǔn)確地表示場地?cái)?shù)字高程特征，又避免了平坦地形數(shù)據(jù)的冗余，同時(shí)，相鄰分區(qū)不規(guī)則三角網(wǎng)模型的節(jié)點(diǎn)能夠保證幾何拓?fù)湟恢滦裕軌驖M足工程建設(shè)及專業(yè)化分析與應(yīng)用領(lǐng)域的精度需求。

2.2 三維地質(zhì)建模拓?fù)湟恢陆Ｐg(shù)

自上世紀(jì)80年代起，國內(nèi)外不同的學(xué)者用不同的方法構(gòu)建三維地質(zhì)模型來分析復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象，使三維地質(zhì)模型構(gòu)建技術(shù)發(fā)展迅速，并且在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[5-7]，三維地質(zhì)建模在油氣田勘探領(lǐng)域率先得到應(yīng)用。

三維地質(zhì)建模技術(shù)是巖土工程勘察BIM建模技術(shù)的關(guān)鍵，三維地質(zhì)建模技術(shù)的關(guān)鍵是對地質(zhì)空間對象的三維表示。由于任何一個(gè)地質(zhì)體都占有不規(guī)則的三維空間，且與其他地質(zhì)體緊密相關(guān)，因此任何一個(gè)地質(zhì)體都包含了空間位置信息、地質(zhì)體屬性信息和地質(zhì)體之間的空間關(guān)系信息等[8]。地質(zhì)體經(jīng)過風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積及固結(jié)成巖等自然隨機(jī)組合作用，從而具有復(fù)雜變異、空間分布不均勻、稀缺、連續(xù)的地質(zhì)體屬性，但是地質(zhì)體這種屬性的復(fù)雜性和空間分部的不均勻性給三維地質(zhì)建模帶來一定的挑戰(zhàn)。

目前有兩種三維地質(zhì)建模方法，分別是空間展布建模技術(shù)和數(shù)學(xué)解析建模技術(shù)[9]。空間展布建模方法大多基于面元和體元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型兩種建模方法。其中基于面元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型的建模方法是根據(jù)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行豎向分層，即利用各層面的標(biāo)高曲面構(gòu)造來生成各個(gè)層面，然后對各個(gè)層面進(jìn)行封閉[10]。目前較成熟的商業(yè)建模軟件大多根據(jù)剖面數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù)，利用面元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行地質(zhì)體建模，這種方法簡單實(shí)用，在處理小范圍場地的三維地質(zhì)模型具有很大的優(yōu)勢，但是處理大區(qū)域、大范圍的三維地質(zhì)建模需要大量的人機(jī)互動(dòng)來解決，效率較低。基于體元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型的建模方法，首先把剖面、鉆孔數(shù)據(jù)離散化，然后進(jìn)行體元網(wǎng)格劃分。這種方法對于精準(zhǔn)化的局部地質(zhì)模型具有較強(qiáng)的實(shí)用性（比如礦產(chǎn)儲(chǔ)量）。

要將一個(gè)地質(zhì)體進(jìn)行三維地質(zhì)建模，必須將建模過程抽象為一個(gè)數(shù)學(xué)問題，即從局部已知屬性的地質(zhì)體（離散數(shù)據(jù)）反演整個(gè)空間地質(zhì)體（未知空間）的屬性，這需要一系列算法支持。數(shù)學(xué)解析建模技術(shù)是最具代表性的泛權(quán)算法，需要概率論、隨機(jī)理論、神經(jīng)網(wǎng)路理論的知識(shí)[11]。具體的做法：①在地質(zhì)空間中，地質(zhì)輸入信息對應(yīng)的位置點(diǎn)與任意點(diǎn)之間，通過構(gòu)建特定的模糊算子分類建立度量模型；②地質(zhì)輸入信息對應(yīng)的位置點(diǎn)與任意點(diǎn)之間，通過構(gòu)建特定的積分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型生成不同地質(zhì)屬性輸入影響模型；③針對地質(zhì)空間任意點(diǎn)的不同地質(zhì)體的屬性輸入影響模型，使用概率理論構(gòu)建三維地質(zhì)屬性的概率場模型；④每個(gè)三維地質(zhì)屬性概率場中，地質(zhì)空間點(diǎn)存在多個(gè)不同地質(zhì)屬性的分布概率值，我們?nèi)≡擖c(diǎn)地質(zhì)屬性最大的概率值對應(yīng)的地質(zhì)屬性；相同地質(zhì)屬性點(diǎn)的集合，構(gòu)成該地質(zhì)屬性的聚合類；⑤特定地質(zhì)空間點(diǎn)存在多個(gè)不同地質(zhì)屬性，均對應(yīng)最大概率分布值，這些特定點(diǎn)集構(gòu)成不同類地質(zhì)屬性聚合類的邊界。該方法具有較強(qiáng)的理論性，并且在城市地質(zhì)中得到很好的應(yīng)用，尤其在第四系土體地質(zhì)建模及綜合覆蓋層與復(fù)雜巖體及構(gòu)造的地質(zhì)體三維模型中具有較高的價(jià)值，巖土工程勘察一般研究地表以下淺層的巖土條件及工程性質(zhì)，淺層的地層多以第四系地層覆蓋，因此該方法具有很大的使用空間。

2.3 地表地質(zhì)體模拓?fù)湟恢陆?/h3>

目前巖土工程勘察每個(gè)專業(yè)如測繪、鉆探、物探都根據(jù)自身的需求建立三維模型軟件，測繪專業(yè)相對比

圖3 地表地質(zhì)拓?fù)湟恢碌娜S模型

2.4 三維地質(zhì)基礎(chǔ)資料智能化預(yù)處理

地質(zhì)空間數(shù)據(jù)用主流的數(shù)據(jù)無法進(jìn)行十分準(zhǔn)確的處理與分析，未來可以預(yù)見能夠處理大數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型一定是在三維地質(zhì)建模軟件平臺(tái)上開發(fā)的[13]。

三維地質(zhì)地表一體化建模所涉及的數(shù)據(jù)源包括：鉆孔、斷面線、等高線、地表測繪點(diǎn)、地質(zhì)邊界線、坡頂/坡腳線、建筑物邊界線等。各個(gè)專業(yè)類成果之間、同專業(yè)各部分成果之間，都是由不同的專業(yè)人員和特定的專業(yè)軟件所完成的。這些孤立的成果主要受每個(gè)專業(yè)部分點(diǎn)的數(shù)據(jù)輸入信息、特定專業(yè)軟件的數(shù)據(jù)加工處理功能、專業(yè)技術(shù)人員的技術(shù)控制能力的影響，各類數(shù)據(jù)源在三維框架下往往會(huì)暴露出各種不一致性問題，必須對這些基礎(chǔ)資料進(jìn)行智能化的核查和預(yù)處理，才能滿足后續(xù)模型成果的要求。較成熟，相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定和三維仿真軟件較為成熟。三維建模過程中將涉及到地表、地下及建筑物與地物結(jié)構(gòu)等多種類型的三維矢量模型，這些屬于幾何形態(tài)差異很大的模型體系，需要對這些數(shù)據(jù)模型進(jìn)行一體化整合，形成“一張圖、一層皮”的整體協(xié)調(diào)一致模型。國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了積極探索和研究[12]，其中最具代表性的為不規(guī)則三角網(wǎng)曲面幾何拓?fù)湟恢路治龇椒āＭㄟ^輸入曲面模型進(jìn)行及進(jìn)行布爾運(yùn)算構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)曲面模型，構(gòu)建地表地物拓?fù)湟恢履Ｐ汀⒌刭|(zhì)體拓?fù)湟恢履Ｐ图暗乇淼刭|(zhì)三維空間拓?fù)湟恢碌哪Ｐ汀?/p>

不規(guī)則三角網(wǎng)模型拓?fù)湟恢滦苑治黾夹g(shù)將三高精度三維矢量地表模型、高精度三維建筑結(jié)構(gòu)與地物大數(shù)據(jù)模型、高精度三維矢量地質(zhì)模型等構(gòu)建為空間拓?fù)湟恢拢ǜ髂Ｐ捅舜酥g不打架）的一體化模型體系，從而支撐后續(xù)的分析應(yīng)用（如圖1～3所示）。

圖1 地表拓?fù)湟恢虏灰?guī)則三角網(wǎng)

圖2 地質(zhì)拓?fù)湟恢虏灰?guī)則三角網(wǎng)

國內(nèi)學(xué)者也積極探索多元數(shù)據(jù)耦合三維建模預(yù)處理的方法，比如改進(jìn)的耦合多遠(yuǎn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的地質(zhì)剖面方法[5]，平衡剖面技術(shù)，具有代表性的為智能算化算法預(yù)處理技術(shù)。通過處理后的原始數(shù)據(jù)、數(shù)字化地形圖、鉆孔等數(shù)據(jù)和解析得到的各種地質(zhì)空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過智能算法進(jìn)行融合處理。智能算法可以解決大部分?jǐn)?shù)據(jù)沖突的問題，但是一些數(shù)據(jù)需要人機(jī)互動(dòng)來滿足建模的要求。

3 結(jié) 語

本文針對巖土勘察采集的數(shù)據(jù)的多元化進(jìn)行了總結(jié)，并對多元數(shù)據(jù)耦合構(gòu)建巖土工程BIM模型涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討和研究，應(yīng)用BIM技術(shù)可以提供多元數(shù)據(jù)三維可視化。目前，由于地表、地下空間地質(zhì)條件復(fù)雜，巖土工程勘察BIM模型的理論及框架體系還未形成統(tǒng)一，隨著國家層面上大數(shù)據(jù)的發(fā)展戰(zhàn)略需要及城市地下空間的開發(fā)利用，勢必推進(jìn)巖土工程三維空間的發(fā)展，巖土工程勘察BIM模型將有更加廣闊的應(yīng)用前景。