杨国平
【摘要】本文简要介绍了地质BIM的发展现状，能给工程建设带来的好处，推广过程中遇到的主要困难，以及理正地质勘察BIM整体解决方案；指出完整的地质BIM解决方案应包括地质建模、展示应用、数据接口、二次开发API四大部分，并介绍了理正在此框架下取得的各方面成果。 【关键词】地质勘察、BIM、地质三维、解决方案
1前言
《住房和城乡建设部2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中对工程项目勘察提出下列目标：推进基于BIM进行数值模拟、空间分析和可视化表达，研究构建支持异构数据和多种采集方式的工程勘察信息数据库，实现工程勘察信息的有效传递和共享。工程地质勘察作为工程建设的重要环节，在当今BIM发展如火如荼之时，却一直少见其踪迹；当一提到BIM 时，大家首先想到的是上部建筑结构的三维展示或机电综合碰撞检查，对地质部分的BIM需求并不迫切，甚至认为不需要。主要有如下两方面原因：首先，地质BIM软件尚不成熟，地质体的复杂性造成三维建模难度较大，地质体展现与应用十分困难，现有商风泵
业化地质建模软件均未达到随手好用的程度，使用成本高；其次，除非重要的关系国计民生的基础设施工程，如水利水电或道路桥梁工程，业主或设计单位才有动力应用地质BIM，一般的民用建筑工程，一般地质情况并不复杂，传统方法已经够用，采用BIM能进一步提高设计施工质量，但成本会提高，且不能立刻产生显著的经济效益。事实上，BIM应该贯穿建筑全生命周期，而不是仅仅局限于上部建筑，岩土工程勘察BIM也是BIM的重要组成部分。
目前，地质勘察BIM的研究，大多集中在地质三维建模层面上，地质三维模型概念在1993年首先由加拿大的Simon W Houlding提出[1]，主要应用于石油和采矿等领域，取得了丰硕的成果；而在工程建设领域，工程地质三维模型目前应用最好的是水利水电工程[2]；但是，尚未见到成熟完整的从工程地质建模到应用的地质BIM整体解决方案。实际上，地质建模技术经过几十年的研究，已经相对成熟，无论多么复杂的地质体，都有办法进行三维模拟；目前所缺乏的，是模型建立后成熟的应用方案，例如：如何形象地在三维图形平台中对地质体进行渲染展现，如何随时随地查询地质体的物理力学属性，如何与其它专业的BIM软件协同工作，如何对地质体进行剖切开挖、测量统计等。这些看似琐碎的事项，却是目前阶段影响地质BIM推广的主要因素，是目前需要逾越的最大障碍。理正软件曾在铁路地质建模方面与国内知名设计企业进行深入合作，模型创建的难题已被攻克[3]，但模型的下游应用却遇到了巨大的困难，如下游桥梁专业无法到一个既能满足桥梁设计、又能够载入地质BIM模型的图形平台，更别说对地质三维模型进行信息查询或后续布尔运算了。鉴于上述原因，构建一
杨国平，男，1968年生，副院长，工学博士，教授级高级工程师
个完整的地质BIM解决方案是刻不容缓的，是地质BIM向前发展的必需。以下简要介绍理正软件在地质BIM此方面的设想与研究成果，以求对行业发展起到抛砖引玉的作用。
2 理正地质勘察BIM解决方案整体框架
图1 理正地质勘察BIM整体解决方案
如图1所示，理正地质勘察BIM整体解决方案共由四个部分组成。第一部分，是地质BIM建模软件，BIM模型包括“三维地层模型”+“地层属性信息”两部分，分别由地质三维造型软件和勘察报告编制软件完成；第二部分是通用的BIM模型应用软件，功能包括三维地层可视化、地层属性查询、平纵剖面生成、任意点岩土柱状查询、地层勘测指标的可视化展示、任意开挖剖切等；第三部分是通用数据接口，用于输出通用格式的三维地层模型，以及mdb格式的属性数据库，以便为下游专业提供初步的地质BIM应用与协同能力；第四部分为二次开发API，提供地质模型在不同图形平台或协同设计环境下展现和运算的能力，满足深层次的地质BIM应用与协同需求。下面对四个部分分别进行介绍。
3 地质BIM三维建模软件
3.1 地质三维建模方法
理正软件提供了两种地质三维造型手段，其一是通过钻孔和剖面图创建三维地质模型的“自动连层建模法”，其二是结合地形数据、平面图、钻孔和剖面图，经过手工编辑创建更为复杂的三维地质模型的“复杂层面手工建模法”。
（a）钻孔和剖面（b）地层面（c）三维地质模型
自行葫芦图2 自动连层建模法
“自动连层建模法”一般应用于简单场地地质模型的建立，已知信息主要是钻孔和剖面图，由于地层关系简单，所以可由软件自动快速建立模型。建模方式为：导入钻孔数据，导
杨国平，男，1968年生，副院长，工学博士，教授级高级工程师
入剖面图数据，设置建模参数（比如尖灭生成的方式），即可一键生成地质三维模型。某小区的三维地质建模，如图2所示。
“复杂层面手工建模法”主要应用于复杂场地建模，由于地层连层情况复杂，无法通过软件算法完成快速建模，必需综合考虑各种勘测信息，再由人工判断和修改，形成地层面（包括上表面，下表面，断层面，褶皱面，风化面等等），最后再形成三维地质体。在这种建模方法中，已知信息主要包括DEM数据、等高线数据、工点平面图、纵断面图和钻孔数据，要求体现岩层的分布特点，建模过程中能灵活的编辑修改。某铁路隧道的三维地质建模，建模步骤下（图3）。
1)导入DEM数据（TIFF格式）生成地表模型
2)导入钻孔数据
静音冷却塔
3)导入工点平面图并进行处理
4)导入纵断面图并进行处理
5)生成层面
6)编辑层面
7)生成三维实体模型
（a）生成地面模型（b）导入钻孔（c）读入平面图
通用模型
（d）读入剖面（e）生成地层面
（f）编辑层面（g）三维地质模型
图3 复杂层面手工建模法
3.2 地质三维建模实例
理正地质三维建模软件已经成功地应用于房屋建筑、铁路隧道、铁路桥梁、水利水电等行业，部分应用案例见图4。
杨国平，男，1968年生，副院长，工学博士，教授级高级工程师
杨国平，男，1968年生，副院长，工学博士，教授级高级工程师
（a ）房屋建筑地质模型 （b ）铁路隧道入口地质模型
（c ）铁路隧道线路地质模型 （d ）铁路桥梁地质模型
图4 地质三维建模实例
4 通用地质BIM 展示与应用软件
“通用地质BIM 展示与应用软件”是理正地质建模的配套软件，除具备理正地质模型读取功能外，还具备如下功能：
1） 三维地层的可视化
火筒式加热炉
2） 地层等相关属性的查询
3） 任意点地层柱状的提取
4） 任意剖切面、平切面的生成
5） 任意的开挖和剖切
6） 任意地质体体积算量
7） 通用格式模型文件的输出
利用通用地质BIM 展示与应用软件，用户可以完成对地质模型文件的可视化解读，以及部分简单地质运算，能够满足一般简单情况的需求。对于复杂的需求，比如基于地质模型进行基础、桩基、基坑、场地、隧洞、桥梁、边坡等的分析与设计，则必须使用基于地质模型API 二次开发的专用软件完成。通用应用的部分实例，如图5所示：
杨国平，男，1968年生，副院长，工学博士，教授级高级工程师
（a ）地层渲染展示 （b ）地层信息查询
（c ）地层开挖 （d ）地层剖切
（e ）任意位置剖面图 （f ）地质滑坡提前预判
图5 地质BIM 展示与应用实例 5 地质BIM 通用数据接口
地质BIM 模型建立后，如何直接应用于后续专业的工作中呢？最简单的方法就是输出通用数据接口，供后续软件读取。后续软件在应用过程中，一方面要对地质三维体进行读取与展示，另一方面需要得到每一个地层的物理力学指标，因此这种接口应包括两个部分，一是通用格式的地质三维几何体描述，另一个是与其相关联的地层属性描述。
5.1 通用格式地质三维体输出
目前，理正地质三维建模软件支持的通用数据格式包括3DS 、DWG 、DXF 、FBX 、IFC 、OSG 、IVE 等，另外也可输出为理正三维格式CGB 。输出这些格式后，即可在后续软件中直接读入，包括AutoCAD 、Revit 、Inventer 、Microstation 等软件。但是，经过大量测试，发现地质三维模型直接读入到下游软件中普遍存在如下问题。
滑环电机1） 读入效率问题：由于地质三维体表面三角形数量巨大，而读入到下游软件中需要转
换为其自身的实体，并重新建立索引关系，所以读入速度较慢。
2） 读入容量问题：部分软件对同一实体中容许的三角面数量进行了限制，造成复杂地
层实体无法读入。
3） 显示效率问题：由于工程设计精度的要求，地质三维体中的三角面数量巨大，一般
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