多元数据耦合的岩土勘察BIM模型技术研究

张洪飞，周朝慧，宋云龙，陆秋生，薛凯喜

（1.山东正元建设工程有限责任公司，山东 济南 250101；2.东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013）

岩土工程勘查要求弄清工程的地质条件、环境特征和岩土施工条件，并做出分析和评价，在大型、工民用建筑等工程取得广泛应用。岩土工程勘查在工程不同阶段有不同的任务和精度要求。基础资料收集主要通收集资料、地形测绘、采集土样、原位测试、室内实验等手段完成，在此过程中，收集到大量有关场地的数据，例如具有场地工程数据的地形图、遥感图像，表征拟建场区周边场地环境特征的地物资料及地下管线图，表征拟建建筑物特征的设计图纸，表征地层结构和工程性质特征的钻孔资料、物探资料、室内试验资料及原位测试资料等资料。这些资料涉及多种来源、多种类型、多种数据格式等多元数据的特点[1]。

BIM模型（建筑信息模型）摆脱以往2D平面模型的束缚，并纳入了建筑物整个周期中所需的一系列信息，例如建筑的平立剖面图、建筑的功能和材料要求、建筑的施工进度、建造工艺，将他们充分融合、统一、分析、应用。BIM三维建模技术利用数字化技术建立该建筑工程的信息库，这个信息库不仅根据实际情况输入建筑构件的几何信息以及材料属性，而且写入非构件对象（如空间几何数据、建设进度、设备安装）的信息。因此BIM建筑模型不仅是个可视化的建筑数据库，还可以模拟施工进度、模拟和推演设计的可施工性，提前发现设计问题和各个专业之间的设计障碍。岩土工程勘察BIM模型是将表征场地地形特征资料、表征场地周边环境的资料、表征拟建建筑物特征及表征岩土条件特征资料空间信息集成构建的多层次立体的BIM模型。由于岩土工程条件是一个项目从决策、方案选择、设计施工和工程造价的基础，因此岩土工程勘察BIM模型是BIM数据库的一个重要组成成分[2]。

岩土勘察BIM模型的建立可通过应用BIM技术将多元、大量的地表、地下数据耦合集成显示三维模型，本文结合岩土工程的发展趋势，探讨当前BIM技术对地表原始数据集耦合、地下原始数据耦合及地表、地下原始数据耦合一体集成显示的关键技术研究，对岩土工程勘察BIM模型技术的前景进行剖析。

1 岩土工程勘察多元数据来源及用途

目前，国内的工程建设程序主要为勘察、设计、施工并分阶段依次进行，在项目开始之前必须进行岩土工程勘察。当前设计、施工所依据的岩土勘察的依据主要是文字、表格和图形。假设使用BIM技术构建建筑或项目的三维模型，其数据主要来源以岩土工程勘察成果报告。数据来源及用途见表1。

表1 BIM模型数据来源

通过各种手段获得的地表数据和地下数据共同构成了岩土工程勘察所反映拟建场地的原始数据。上述表中数据来源广泛，数据类型多，专业从属不一，定性数据和定量数据相结合，数据内容较多且精度不统一，在空间上呈散乱性和不规则性，但是表中的数据同时具有明显的专业分类与从属关系。因此分析数据信息之间的关系，可以发现信息之间存在一定的层次关系，并通过数据表和图形实现关联信息的传递。

2 构建多元数据耦合的岩土勘察BIM模型的技术研究

2.1 地表数据耦合拓扑一致建模

由于岩土工程勘察场地面积一般有限，并且高精度的三维地表模型是三维建模的基础，因此场地内地形起伏及微地貌要求划分单元更加细致。三维地表数据耦合拓扑一致建模技术基于地形图或者激光点云数据进行三维建模，并且其建模有与三维矢量地表的路网、水系、建筑物等构建物相一致的细节[3]。

当前主要有4种地形表面建模方法：基于点、网格、三角形以及混合其中两种方法的建模方法[4]。目前表面建模主要基于三角形和网格划分的建模方法，其中处理地形平坦地区的全局数据主流软件是基于网格的，但是如果是存在大量陡坡和裂隙的地形，这种建模方法就不能准确处理此数据。同时这种建模方法不能满足工程建模等专业化分析与应用领域的需求。另外基于三角形的表面建模方法适用于所有的数据，可以满足工程建设的需要。

主流的地表数字高程模型（DEM）是栅格化的地表模型，在数学上是一个非完备性的栅格模型（整数化模型）。因此需要采用完备性的不规则三角网模型（实数化模型），即高精度地表三维不规则曲面模型[3]。可以将优化处理后的地形图数据或者地表点云数据进行处理，从而形成不规则三角面网络，进而构建出高精度的地表三维曲面模型。通过连续的三角面可以分析模型中的高程信息，同时三角面的不规则分布点云的密度和位置决定了三角面的几何信息，这既能准确地表示场地数字高程特征，又避免了平坦地形数据的冗余，同时，相邻分区不规则三角网模型的节点能够保证几何拓扑一致性，能够满足工程建设及专业化分析与应用领域的精度需求。

2.2 三维地质建模拓扑一致建模术

自上世纪80年代起，国内外不同的学者用不同的方法构建三维地质模型来分析复杂的地质现象，使三维地质模型构建技术发展迅速，并且在各个行业得到了广泛应用[5-7]，三维地质建模在油气田勘探领域率先得到应用。

三维地质建模技术是岩土工程勘察BIM建模技术的关键，三维地质建模技术的关键是对地质空间对象的三维表示。由于任何一个地质体都占有不规则的三维空间，且与其他地质体紧密相关，因此任何一个地质体都包含了空间位置信息、地质体属性信息和地质体之间的空间关系信息等[8]。地质体经过风化、搬运、沉积及固结成岩等自然随机组合作用，从而具有复杂变异、空间分布不均匀、稀缺、连续的地质体属性，但是地质体这种属性的复杂性和空间分部的不均匀性给三维地质建模带来一定的挑战。

目前有两种三维地质建模方法，分别是空间展布建模技术和数学解析建模技术[9]。空间展布建模方法大多基于面元和体元数据结构模型两种建模方法。其中基于面元数据结构模型的建模方法是根据原始数据进行竖向分层，即利用各层面的标高曲面构造来生成各个层面，然后对各个层面进行封闭[10]。目前较成熟的商业建模软件大多根据剖面数据和钻孔数据，利用面元数据结构模型进行地质体建模，这种方法简单实用，在处理小范围场地的三维地质模型具有很大的优势，但是处理大区域、大范围的三维地质建模需要大量的人机互动来解决，效率较低。基于体元数据结构模型的建模方法，首先把剖面、钻孔数据离散化，然后进行体元网格划分。这种方法对于精准化的局部地质模型具有较强的实用性（比如矿产储量）。

要将一个地质体进行三维地质建模，必须将建模过程抽象为一个数学问题，即从局部已知属性的地质体（离散数据）反演整个空间地质体（未知空间）的属性，这需要一系列算法支持。数学解析建模技术是最具代表性的泛权算法，需要概率论、随机理论、神经网路理论的知识[11]。具体的做法：①在地质空间中，地质输入信息对应的位置点与任意点之间，通过构建特定的模糊算子分类建立度量模型；②地质输入信息对应的位置点与任意点之间，通过构建特定的积分神经网络模型生成不同地质属性输入影响模型；③针对地质空间任意点的不同地质体的属性输入影响模型，使用概率理论构建三维地质属性的概率场模型；④每个三维地质属性概率场中，地质空间点存在多个不同地质属性的分布概率值，我们取该点地质属性最大的概率值对应的地质属性；相同地质属性点的集合，构成该地质属性的聚合类；⑤特定地质空间点存在多个不同地质属性，均对应最大概率分布值，这些特定点集构成不同类地质属性聚合类的边界。该方法具有较强的理论性，并且在城市地质中得到很好的应用，尤其在第四系土体地质建模及综合覆盖层与复杂岩体及构造的地质体三维模型中具有较高的价值，岩土工程勘察一般研究地表以下浅层的岩土条件及工程性质，浅层的地层多以第四系地层覆盖，因此该方法具有很大的使用空间。

2.3 地表地质体模拓扑一致建模

目前岩土工程勘察每个专业如测绘、钻探、物探都根据自身的需求建立三维模型软件，测绘专业相对比

图3 地表地质拓扑一致的三维模型

2.4 三维地质基础资料智能化预处理

地质空间数据用主流的数据无法进行十分准确的处理与分析，未来可以预见能够处理大数据的数学模型一定是在三维地质建模软件平台上开发的[13]。

三维地质地表一体化建模所涉及的数据源包括：钻孔、断面线、等高线、地表测绘点、地质边界线、坡顶/坡脚线、建筑物边界线等。各个专业类成果之间、同专业各部分成果之间，都是由不同的专业人员和特定的专业软件所完成的。这些孤立的成果主要受每个专业部分点的数据输入信息、特定专业软件的数据加工处理功能、专业技术人员的技术控制能力的影响，各类数据源在三维框架下往往会暴露出各种不一致性问题，必须对这些基础资料进行智能化的核查和预处理，才能满足后续模型成果的要求。较成熟，相应的技术标准的制定和三维仿真软件较为成熟。三维建模过程中将涉及到地表、地下及建筑物与地物结构等多种类型的三维矢量模型，这些属于几何形态差异很大的模型体系，需要对这些数据模型进行一体化整合，形成“一张图、一层皮”的整体协调一致模型。国内学者进行了积极探索和研究[12]，其中最具代表性的为不规则三角网曲面几何拓扑一致分析方法。通过输入曲面模型进行及进行布尔运算构建不规则三角网曲面模型，构建地表地物拓扑一致模型、地质体拓扑一致模型及地表地质三维空间拓扑一致的模型。

不规则三角网模型拓扑一致性分析技术将三高精度三维矢量地表模型、高精度三维建筑结构与地物大数据模型、高精度三维矢量地质模型等构建为空间拓扑一致（各模型彼此之间不打架）的一体化模型体系，从而支撑后续的分析应用（如图1～3所示）。

图1 地表拓扑一致不规则三角网

图2 地质拓扑一致不规则三角网

国内学者也积极探索多元数据耦合三维建模预处理的方法，比如改进的耦合多远地质数据的地质剖面方法[5]，平衡剖面技术，具有代表性的为智能算化算法预处理技术。通过处理后的原始数据、数字化地形图、钻孔等数据和解析得到的各种地质空间数据的基础上，通过智能算法进行融合处理。智能算法可以解决大部分数据冲突的问题，但是一些数据需要人机互动来满足建模的要求。

3 结 语

本文针对岩土勘察采集的数据的多元化进行了总结，并对多元数据耦合构建岩土工程BIM模型涉及的关键技术进行了探讨和研究，应用BIM技术可以提供多元数据三维可视化。目前，由于地表、地下空间地质条件复杂，岩土工程勘察BIM模型的理论及框架体系还未形成统一，随着国家层面上大数据的发展战略需要及城市地下空间的开发利用，势必推进岩土工程三维空间的发展，岩土工程勘察BIM模型将有更加广阔的应用前景。