CN106844871A - 基于bim的三维岩土工程勘察信息模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于BIM三维岩土工程勘察信息模型构建方法。它包括以下步骤：1、获取岩土工程勘察数据信息；2、对步骤(1)中获得的数据信息进行插值处理；3、对步骤(2)处理的数据通过NURBS方法处理，形成具有良好曲线度的三维曲面；4：对步骤(3)的三维曲面通过组合处理形成B‑rep表示的实体模型；5：对步骤(4)中实体模型加入非图形数据，形成BIM模型。本发明的优点在于：通过三维岩土工程勘察信息模型可进行不同地基基础方案的对比分析，选择相关岩土工程参数和计算分析模型，提高岩土工程设计与施工的可靠性，降低工程风险的不可预见性；实现工程勘察数据信息与建设各参与方数据信息之间的无损传递和信息共享。

Description

基于BIM的三维岩土工程勘察信息模型构建方法

技术领域

本发明涉及一种基于BIM的三维岩土工程勘察信息模型构建方法。

背景技术

BIM是以三维数字技术为基础，把参数化、数字化的建筑信息生成可视化的三维模型，整合项目建设过程中各种相关信息，在项目的策划、勘察、设计、施工、运营和维护、拆除直至建筑生命结束的全生命周期过程中，作为一个公共信息平台，实现数据信息共享，各专业协同工作，提高工作效率和质量。

在地质领域，三维可视化技术除了应用于地质学研究和石油行业以外，没有被岩土工程领域(水利水电、电力、交通、工民建等行业)普遍接受和广泛应用。内在原因还是由于行业需求的差异性和缺乏信息共享意识。同时，这些现有的***产品无法满足我国相关技术标准要求、不符合我国岩土工程师的思维模式和工作习惯，也是其难以推广的客观原因。

地质体三维建模存在专业上的特殊性，主要体现在以下3点：

1)地质界面形态的不规则性：其中的尖灭、断层错动等很难用传统数学理论和传统建模技术进行快速有效模拟。

2)地质工作过程在认识上的不确定性：与事先构想形成的确定性结构形态不同，地质工作事先往往并不知道地质体实际形态，而是通过少数部位的信息、结合地质分析推测判断。这就要求地质建模技术能够满足如下要求：仅少数已知部位100％精确，但其他区域需要进行推测；同时推测结果应能随勘察资料的丰富持续进行修正；

3)地质体固有地质特性和工程属性：例如沉积地层面之间绝对不会相互穿插、不同性质断层固有的错动方式等。关键需要保证建模过程中“数学成果的地质合理性”。

石油、采矿、水利水电及工业与民用建筑领域所涉及的岩土工程工作对象均为天然的地质体，差别在于采用了不同的技术手段和工作方式去了解和利用地质体的某些属性。不同行业所关心的地质体属性部分存在显著的差异。因此，在三维地质建模技术开发过程中不仅需要描述地质体空间形态和正确表达其地质特性，而且还需要根据行业需求，兼容行业信息、技术方法、行业标准等的不同要求，实现地质三维模型基础上的工程分析和设计。

目前，三维地质建模技术在开发及应用过程中也遇到了限制其发展的几个瓶颈问题:(1)现有的建模***庞大、操作复杂，技术人员难以掌握；(2)现有三维建模约束条件偏严,编辑工作量巨大；(3)缺乏三维地质建模数据标准,模型数据无法与其他相关方进行交换与共享,形成信息孤岛。导致大量的勘察三维数据无法直接应用于工程设计和施工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于BIM三维岩土工程勘察信息模型构建方法。将岩土工程勘察所获取勘探点处的岩土体有关数据信息采用相应的规则进行插值及外推处理，提供拟建设场地岩土层分布的三维可视化信息模型。

本发明的目的通过如下技术方案实现：一种基于BIM的三维岩土工程勘察信息模型构建方法，它包括以下步骤：

步骤(1)：获取岩土工程勘察数据信息；

步骤(2)：对步骤(1)中获得的数据信息进行插值处理；

步骤(3)：对步骤(2)处理的数据通过NURBS方法处理，形成具有良好曲线度的三维曲面；

步骤(4)：对步骤(3)的三维曲面通过组合处理形成边界表示法表示的实体模型。

步骤(5)：对步骤(4)中实体模型加入非图形数据，形成BIM模型。

较之现有技术而言，本发明的优点在于：

1.通过三维岩土工程勘察信息模型可直观地进行不同地基基础方案的对比分析，合理选择相关岩土工程参数和计算分析模型，提高岩土工程设计与施工的可靠性，降低工程风险的不可预见性；

2.实现工程勘察数据信息与建设各参与方数据信息之间的无损传递和信息共享,便于各相关专业之间的沟通，有利于各相关方依据场地工程地质、水文地质条件，提出有效的工程措施；

3.真正实现岩土工程信息化施工和动态设计，有效控制工程质量和提升工程风险防控能力。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明内容进行详细说明：

一种基于BIM的三维岩土工程勘察信息构建构建方法，它包括以下步骤：

步骤(1)：获取岩土工程勘察数据信息；

步骤(2)：对步骤(1)中获得的数据信息进行插值处理；

步骤(3)：对步骤(2)处理的数据通过NURBS方法处理，形成具有良好曲线度的三维曲面；

步骤(4)：对步骤(3)的三维曲面通过组合处理形成B-rep(边界表示法)表示的实体模型。

步骤(5)：对步骤(4)中实体模型加入非图形数据，形成BIM模型。

其中，步骤1中，所述的岩土工程勘察数据信息；至少包括以下几种：

(1)、基础地质图件数据。包括地质图、构造图、地质灾害图、岩相图等，通过地图的数字化可以获得与之相应的各种地层信息、构造信息、岩性信息等，所以数字化地质图是地学数据的主要来源之一。

(2)、实测数据。通过野外勘察实地获取的各种勘察数据，包括各种物化探资料和钻探资料等。

(3)、试验数据。模拟真实世界中地物与过程特征产生的数据。试验数据与实测数据的结合使用效果较好。

(4)、理论推测与估算数据。在不能通过其它勘察方法直接获取数据的情况下，常采用有科学依据的理论推测得到所需的数据。

(5)、历史数据。指历史文献中记录下来的各种数据信息，经过基于地学知识关联的整理和完善，这些信息将成为可用的数据。

(6)、集成数据。主要是指将己有的勘察数据经过合并、提取、布尔运算、过滤等操作得到新的数据。

值得说明的是，在实际过程中，还需要做到以下几点：

(1)、基础勘察数据管理:工程勘察往往是通过现场勘探作业来获取原始地质数据，这些数据信息也是对地质对象特征分析的主要依据；而且随着勘探工作的深入，还需要对这些数据进行查询和更新。所以，对这些工程勘察数据进行合理地组织和管理是十分必要的；

(2)、地质体属性变量的空间预测:地质体属性变量是在三维空间中变化的，但勘探所得的数据只是一些离散点的地层分布情况。因此必须在三维空间中对地质体变量的取值进行预测；

(3)、岩土工程勘察数据可视化:岩土工程勘察数据信息的可视化表达是对建设场地的岩土工程条件进行预测和分析的基础，所以需要能够对岩土工程勘察数据信息进行二维及三维的可视化表达，如勘探点平面位置图、钻孔柱状图，三维剖切图等，以及逼真的三维动态显示效果。使不熟悉岩土工程勘察复杂性的相关工程技术人员对地质体的空间关系有直观的认识，提高对复杂工程地质条件的理解和判别，为勘察、试验工作提供验证和解释。

(4)、空间分析:空间分析是岩土工程勘察数据可视化进一步的延伸，不仅需要将建设场地地质体实现三维可视化，而且需要将岩土工程勘察分析结果也实现可视化，如三维工程地质剖面图的生成，原位测试、岩土工程设计、基坑开挖模拟等等。并能够对分析结果进行距离的测量，面积、体积计算以及地质对象空间拓扑关系的查询、分析等。

步骤2、3、4，概括而论，就是对岩土工程勘察数据信息进行转化，实现实体造型；

实体造型是计算机视觉、计算机动画、计算机虚拟现实等领域中建立3D实体信息模型的关键技术。实体造型技术是指描述几何模型的形状和属性的信息并存于计算机内，由计算机生成具有真实感的可视的三维图形的技术。任何产品的形态，都可以看作是由三维几何形构成的组合体。用来描述产品的形状、尺寸大小、位置与结构关系等几何信息的模型称为几何模型。

步骤2：在实体造型过程中，首先要将步骤1获得的数据信息进行插值处理。

一般而言，岩土体界面的数学模拟是三维建模与可视化的基础。对于勘探点数量较少的常规土建工程的岩土体建模过程，不宜通过Voronoi图和Dulauny三角剖分在空间构造不规则三角网方法(Triangular Irregular Net,TIN)来构建岩土体界面。这是由于原始数据中各相邻点相距较远，需要进行插值加密；另一方面，如果插值曲面不光滑，则无法求出界面上某点沿坐标轴的坡向、坡度和曲率。故采用离散数据拟合与插值的方法建立三维岩土体。

空间离散数据的插值和拟合是构建三维信息模型的基础。基于竖直勘探点数据(钻孔的地表x坐标、Y坐标和各地层的深度)单值曲面图形生成可归结为双自变量离散数据的插值和拟合。

在发明中采用了以下12种数值算法：可以选择任意一种或几种算法的组合，实现插值处理；

(1)反距离加权插值法(Inverse Distance to a Power)；

(2)克里金插值法(Kriging)；

(3)最小曲率法(Minimum Curvature)；

(4)改进谢别德法(Modified Shepard's Method)；

(5)自然邻点插值法(Natural Neighbor)；

(6)最近邻点插值法(Nearest Neighbor)；

(7)多元回归法(Polynomial Regression)；

(8)径向基函数法(Radial Basis Function)；

(9)线性插值三角网法(Triangulation with Linear Interpolation)；

(10)移动平均法(Moving Average)；

(11)局部多项式法(Local Polynomial)；

(12)DSI离散平滑算法(Discrete Smooth Interpolation)。

其中，根据大量的试算对比，对于岩土体界面，在选择插值方法时应当考虑原始数据点数量的多寡，可以按以下原则进行选择：

(1)10个或10个以下的数据点，除了反映数据的一般趋势外，没有多大意义。这样少的点，带线性插值的三角网法无效，数据点<250个时，具线性变异图的克里金法，多重二次曲面法的径向基函数法都可以产生较好代表原始数据特点的网格。

(2)中等数据量(250到800数据点)，带线性插值的三角网法网格化很快，并生成很好代表原始数据特点的网格。克里金法和径向基函数法较慢，也可以产生高质量的网格。

(3)大的数据量(>800数据点)，最小曲率法最快，网格足以代表原始数据特点。反距离加权法最快，但是围绕数据点，有产生“牛眼”效应的趋势。

大部分情况下，具有线性变异图的克里金法是十分有效的，应首先予以推荐。其次是径向基函数法。这两种方法都能产生较好地代表原始数据的网格。但对于大量数据的网格化，克里金法比较慢。最小曲率法构成平滑的曲面，且很多情况下，网格化速度也快。

多项式回归是一种趋势面分析，反映整体趋势。对于任何数量的数据点，网格化的速度都非常快，但构成的网格缺少数据的局部细节。径向基函数法十分灵活，与克里金法产生的网格十分类似。改进的谢别德(Shepard)法与反距离加权插值法相似，但没有产生等值线“牛眼”效应的缺点。带线性插值的三角网法对于中等数量的数据点，网格化很快；当有足够的数据点时，三角网法可以反映出数据文件所内含的不连续性。例如断层线。有时候必须保证采样点的值不***值算法改变，那么应该选择反距离加权插值法或克里金插值法，因为这两种方法在插值点与取样点重合时，插值点的值就是样本点的值，而其它方法则不能保证如此。

步骤(3)：对步骤(2)处理的数据通过NURBS方式加工，形成具有良好曲线度的三维曲面。

NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines的缩写，是非均匀有理B样条的意思。NURBS是一种非常优秀的建模方式，在高级三维***当中都支持这种建模方式。NURBS能够比传统的网格建模方式更好地控制物体表面的曲线度，从而能够创建出更逼真、生动的造型。

针对复杂岩土体形态的无规则性变化，选择NURBS技术构建复杂地质体三维信息模型，具有节省存储空间、处理简便易行、并可保证空间唯一性和几何不变性等优点，有很高的应用价值。其具体原因体现在以下几点：

(1)NURBS具有几何变换不变性，在比例、旋转、平移、剪切以及平行和透视投影变换下是不变的，这为绘制三维地质实体信息图形提供了便利的前提。

(2)NURBS是非有理B样条形式以及有理与非有理Bezier形式的合适推广，给出更多的控制形状的自由度，可生成多种规则和不规则的形状，能够描述更复杂的图形。

(3)NURBS能表示自由曲面、等距曲面、过渡曲面、延伸面和扫描面，通过对这些非封闭曲面片的缝合形成封闭的三维曲面模型，为布点勘探、勘察成果仿真分析以及描述地层提供了条件。

(4)NURBS可通过控制点和权因子来灵活地改变形状，对***、删除、修改节点和几何插值等能很好地处理，这为修改信息模型提供了方便。

步骤(4)：对步骤(3)的三维曲面通过组合处理形成边界表示法(B-rep)表示的实体模型。

实体造型首选边界表示法实现：

边界表示法(B-rep法)：是一种以物体的边界表面为基础，定义和描述几何形体的方法。它能给出物体完整、显示的边界的描述。这种方法的理论是：物体的边界是有限个单元面的并集，而每一个单元面都必须是有界的。边界描述法必须具备如下条件：封闭、有向、不自交、有限、互相连接、能区分实体边界内外和边界上的点。边界表示法其实就是将物体拆成各种有边界的面来表示，并使它们按拓扑结构的信息来连接。B-rep的表示方法，类似于工程图的表示。在图形处理上有明显的优点。根据B-rep数据可方便地转换为线框模型，便于交互式的设计与修改调整。用B-rep法既可以用来描述平面，又可以实现对自由曲面的描述。

特殊情况下，步骤(4)中，对步骤(3)的三维几何造型通过边界表示法加工后，还通过构造实体几何法进行进一步处理。

构造实体几何法(CSG方法)：也称几何体素构造法，是以简单几何体素构造复杂实体的造型方法。其基本思想是：一个复杂物体可以由比较简单的一些形体(体素)，经过布尔运算后得到。它是以集合论为基础的。首先是定义有界体素(集合本身)，如立方体、柱体、球体等，然后将这些体素进行交、并、差运算。

例如：断层错动，会导致B-rep法难以完全处理，所以需要对断层面两侧岩土体分别通过边界表示法处理，之后再通过构造实体几何法处理。

步骤(5)：对步骤(4)中实体模型加入非图形数据，形成BIM模型。步骤1-4形成了具有空间结构的模型，但是没有与模型对应的非图形信息，例如模型中某区域的土壤材料性质的信息等。地质体模型关联非图形数据后，将显著提升专业数据应用的方便性和完备性。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于BIM的三维岩土工程勘察信息模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)：获取岩土工程勘察数据信息；

步骤(2)：对步骤(1)中获得的数据信息进行插值处理；

步骤(3)：对步骤(2)处理的数据通过NURBS方法处理，形成具有良好曲线度的三维曲面；

步骤(4)：对步骤(3)的三维曲面通过组合处理形成边界表示法表示的实体模型。

2.根据权利要求1所述的基于BIM的三维岩土工程勘察信息模型构建方法，其特征在于：

它还包括步骤(5)：对步骤(4)中实体模型加入非图形数据，形成BIM模型。

3.根据权利要求1或2所述的基于BIM的三维岩土工程勘察信息模型构建方法，其特征在于：

步骤1中岩土工程勘察数据信息包括以下几种：

(1)基础地质图件数据：包括地质图、构造图、地质灾害图、岩相图，通过地图的数字化获得与之相应的各种地层信息、构造信息、岩性信息；

(2)实测数据：通过野外勘察实地获取的各种勘察数据；

(3)试验数据：模拟真实世界中地物与过程特征产生的数据；

(4)理论推测与估算数据：在不能通过其它勘察方法直接获取数据的情况下，常采用有科学依据的理论推测得到所需的数据；

(5)历史数据：指历史文献中记录下来的各种数据信息；

(6)集成数据：指将己有的勘察数据经过合并、提取、布尔运算、过滤操作得到新的数据。

4.根据权利要求1所述的基于BIM的三维岩土工程勘察信息模型构建方法，其特征在于：

步骤(2)中，对勘察数据进行插值处理包括以下一种或几种算法的组合；

(1)反距离加权插值法；

(2)克里金插值法；

(3)最小曲率法；

(4)改进谢别德法；

(5)自然邻点插值法；

(6)最近邻点插值法；

(7)多元回归法；

(8)径向基函数法；

(9)线性插值三角网法；

(10)移动平均法；

(11)局部多项式法；

(12)DSI离散平滑算法。

5.根据权利要求1或2所述的基于BIM的三维岩土工程勘察信息模型构建方法，其特征在于：

步骤(4)中，对步骤(3)的三维地质模型通过边界表示法加工后，还通过构造实体几何法进行进一步处理。