張 峰，田勤虎

（1. 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075；2. 陜西省地震局，陜西 西安 710068）

0 引言

近年來，建筑信息模型（BIM）在世界各國得到廣泛認(rèn)可，BIM技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用正引發(fā)一場工程界的重大變革。BIM是一種貫穿于建筑全生命期的三維數(shù)字技術(shù)，以可視化、虛擬化、協(xié)同、分析等特點(diǎn)，成為工程項(xiàng)目中的一種關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中明確提出，“在工程項(xiàng)目勘察中，推進(jìn)基于BIM進(jìn)行數(shù)值模擬、空間分析和可視化表達(dá)，并推廣基于BIM的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)間的數(shù)據(jù)共享和協(xié)同”[3]。工程地質(zhì)作為建筑、公路、鐵路、水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的重要組成部分，其重要性不言而喻。但目前關(guān)于工程地質(zhì)方面BIM技術(shù)的研究很少，特別是工程地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的存儲。

工業(yè)基礎(chǔ)類（Industry Foundation Class，IFC）標(biāo)準(zhǔn)是一種國際通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，由Building SMART負(fù)責(zé)，一直在不斷更新和完善。最新IFC4 ADD2標(biāo)準(zhǔn)在核心層中定義了土木工程的抽象概念：土木單元（Ifc Civil Element）和土木類型單元（Ifc Civil Element Type）。由韓國建設(shè)技術(shù)研究院（KICT）研究的《Development of Information Model Standard and Verification Technique for Infra BIM》和我國鐵路行業(yè)發(fā)布的《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》中只詳細(xì)規(guī)定了道路、軌道、路基、橋梁、隧道等專業(yè)的數(shù)據(jù)存儲，均未詳細(xì)規(guī)定地質(zhì)專業(yè)信息模型的存儲，這將對基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營時(shí)期BIM模型的交換產(chǎn)生直接影響[4-5]。

基于現(xiàn)有IFC標(biāo)準(zhǔn)，研究IFC標(biāo)準(zhǔn)的體系框架和擴(kuò)展方法，并針對地質(zhì)模型的特點(diǎn)，提出地質(zhì)模型數(shù)據(jù)存儲的實(shí)體定義。通過開發(fā)Smart Geology地質(zhì)軟件平臺對定義的地質(zhì)實(shí)體進(jìn)行驗(yàn)證。

1 IFC標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及擴(kuò)展方法

1.1 現(xiàn)狀

IFC標(biāo)準(zhǔn)是一種開放的面向?qū)ο蟮慕ㄖ?shù)據(jù)模型存儲與交換的國際標(biāo)準(zhǔn)，可解決各應(yīng)用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換問題，做到支持建筑物全生命周期的數(shù)據(jù)交換與共享。正因如此，IFC標(biāo)準(zhǔn)是目前對建筑物信息描述最全面、最詳細(xì)的模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)，全球有100多款工程軟件支持IFC標(biāo)準(zhǔn)。

IFC標(biāo)準(zhǔn)充分應(yīng)用了面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有可擴(kuò)展性、模塊化的總體框架。IFC總體框架分為4個(gè)層次，從下到上依次為資源層、核心層、共享層和領(lǐng)域?qū)樱總€(gè)層次內(nèi)又包含若干模塊，每個(gè)模塊內(nèi)包含若干實(shí)體。IFC體系架構(gòu)見圖1。

（1）資源層位于IFC架構(gòu)最底層，定義了一些基本概念和對象，如材料資源（Material）、幾何模型資源（Geometric Model）、約束資源（Constraint）、屬性資源（Property）和成本資源（Cost）等。資源層不依賴其他層而獨(dú)立存在，但可被高層次對象調(diào)用。

圖1 IFC體系架構(gòu)

（2）核心層位于I F C架構(gòu)的第二層級，定義了IFC對象模型的基本結(jié)構(gòu)和大部分的抽象觀念，包含了基本核心（Kernel）和延伸核心（Core Extensions）兩級抽象內(nèi)容，該層的對象可被共享層與領(lǐng)域?qū)拥乃袑ο笠谩?/p>

（3）共享層位于IFC架構(gòu)的第三層級，定義了不同領(lǐng)域?qū)幽Ｐ椭g公共的概念或?qū)ο螅蚕斫ㄖ?wù)元素（Shared Building Services Elements）、共享空間元素（Shared Spatial Elements）、共享建筑元素（Shared Building Elements）、共享管理元素（Shared Management Elements）和共享設(shè)備元素（Shared Facilities Elements），該層的對象可被領(lǐng)域?qū)诱{(diào)用。

（4）領(lǐng)域?qū)游挥贗FC架構(gòu)的最高層級，定義了建筑工程各專業(yè)獨(dú)有的對象模型。目前，IFC領(lǐng)域?qū)影ㄖ刂疲˙uilding Controls）、水暖消防（Plumbing Fire Protection）、結(jié)構(gòu)元素（Structural Elements）、建筑（Architecture）、電氣化（Electrical）等8個(gè)領(lǐng)域。

1.2 擴(kuò)展方法

雖然IFC標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過近年來的發(fā)展已經(jīng)日臻成熟，但I(xiàn)FC標(biāo)準(zhǔn)提供的實(shí)體和屬性仍無法滿足工程項(xiàng)目信息交換的需求，研究人員可根據(jù)需要在IFC標(biāo)準(zhǔn)的模型架構(gòu)下對IFC數(shù)據(jù)模型進(jìn)行擴(kuò)展，其主要提供3種擴(kuò)展機(jī)制，即基于Ifc Proxy實(shí)體的擴(kuò)展、基于新增實(shí)體的擴(kuò)展、基于屬性集的擴(kuò)展。

（1）基于Ifc Proxy實(shí)體的擴(kuò)展方式，是利用Ifc Proxy實(shí)體對原模型體系中未定義的信息進(jìn)行實(shí)體擴(kuò)展。IfcProxy實(shí)體是一個(gè)可實(shí)例化的抽象實(shí)體類型。通過實(shí)例化該實(shí)體，并通過其屬性Proxy Type和Tag對新定義的實(shí)體信息進(jìn)行描述。其中Proxy Type為Ifc Object Type Enum枚舉類型數(shù)據(jù)，可定義幾何、過程、控制、資源、項(xiàng)目等類型實(shí)體；Tag屬性可描述新實(shí)體的屬性值。

（2）基于新增實(shí)體的擴(kuò)展方式，是在原有IFC標(biāo)準(zhǔn)的模型框架下對模型本身定義的擴(kuò)充和更新，一般IFC標(biāo)準(zhǔn)的每次版本升級更多采用該方式。例如在IFC2x3中定義了653個(gè)實(shí)體，而在IFC2x4RC中實(shí)體數(shù)已經(jīng)增加到812個(gè)。

（3）基于屬性集的擴(kuò)展是IFC標(biāo)準(zhǔn)提供的又一種模型擴(kuò)展方式。屬性集可理解為屬性的集合，通過屬性集里的屬性可實(shí)現(xiàn)對信息的描述。作為構(gòu)成屬性集的基本單元，IFC標(biāo)準(zhǔn)中的屬性可分成復(fù)雜屬性和簡單屬性2類，用來描述模型各種復(fù)雜的屬性信息。

上述3種方式各具特點(diǎn)，適用于不同應(yīng)用需求?；贗fc Proxy實(shí)體靈活、簡便的擴(kuò)展方式，主要適用于一般用戶在不破壞IFC標(biāo)準(zhǔn)模型架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行的IFC擴(kuò)展應(yīng)用；通過新增實(shí)體的擴(kuò)展方式超出了原有IFC標(biāo)準(zhǔn)的模型體系，是對IFC標(biāo)準(zhǔn)模型較大的更新或擴(kuò)充；而基于屬性集的擴(kuò)展方式則介于兩者之間，自定義屬性集可用于一般用戶的模型擴(kuò)展需求，預(yù)定義屬性集可實(shí)現(xiàn)對IFC標(biāo)準(zhǔn)的更新[6-7]。

圖2 實(shí)際地層層序

圖3 本次研究的地層層序

2 模型構(gòu)建分析

2.1 地層劃分

定義的地層層序概念與地質(zhì)意義上的概念有一定區(qū)別，為了地層建模方便，地層層序要求所有地層貫穿于研究地區(qū)，且自上而下排序，一個(gè)有序完整的層序使用于每一個(gè)鉆孔，但一個(gè)統(tǒng)一的地層層序似乎不太可能出現(xiàn)在每個(gè)鉆孔中，地層常常尖滅或局部呈透鏡體，且某一層可能呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，所以就要通過地層層序來表達(dá)這些常見的地質(zhì)現(xiàn)象。實(shí)際地層層序見圖2，包括黏土、土層、砂礫3個(gè)地層，在其左邊和右邊鉆孔就不會探測到地層中部的透鏡體地層。在建模過程中通過將每一層均作為完整的沉積巖層來解決透鏡體結(jié)構(gòu)的地層，通過調(diào)節(jié)尖滅地層厚度為零的方法產(chǎn)生地層結(jié)構(gòu)。從而在建模時(shí)將地層分為四層：上層土、黏土、下層土、砂礫[8]（見圖3）。

2.2 數(shù)據(jù)處理

鉆孔數(shù)據(jù)是地質(zhì)建模中非常重要的數(shù)據(jù)，由于鉆孔數(shù)據(jù)采集的工程成本高、難度大，有些地點(diǎn)受周圍環(huán)境影響無法進(jìn)行鉆探，造成許多研究區(qū)域中的鉆孔數(shù)據(jù)非常有限，并且在地理空間分布上不規(guī)則，部分區(qū)域相對密集，部分區(qū)域相對稀少。而除了鉆孔數(shù)據(jù)外，通常工程地質(zhì)數(shù)據(jù)還包括地質(zhì)構(gòu)造圖、地形圖、外業(yè)地調(diào)資料及工程地質(zhì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對研究區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析推理的結(jié)果。因此，在地質(zhì)建模中將這些非鉆孔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成鉆孔形式的數(shù)據(jù)非常重要，這些轉(zhuǎn)換后的經(jīng)驗(yàn)鉆孔與原始鉆孔作用完全相同。

因此，鉆孔數(shù)據(jù)的處理包括原始鉆孔和經(jīng)驗(yàn)鉆孔兩部分，統(tǒng)一為鉆孔數(shù)據(jù)。鉆孔數(shù)據(jù)的處理，首先根據(jù)地層劃分原理，將所有鉆孔劃分成統(tǒng)一的地層數(shù)，且地層順序也完全相同，對于鉆孔中缺失某一地層的情況，將該層厚度值設(shè)為零。在分析整理完地層數(shù)與地層順序后，將每個(gè)鉆孔編號、孔口坐標(biāo)、地層厚度、地層頂板高程等數(shù)據(jù)依次錄入鉆孔數(shù)據(jù)庫中，形成地質(zhì)建模數(shù)據(jù)庫。

2.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

三維地質(zhì)建模是對地質(zhì)資料進(jìn)行地學(xué)統(tǒng)計(jì)、地質(zhì)解譯、空間分析預(yù)測及三維可視化的地質(zhì)分析技術(shù)。三棱柱建模法是其中較為常用的一種，其最大特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量較少、建模速度快。三棱柱建模法主要使用地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)插值算法，以三棱柱表示地層的最小三維空間單元，由上、下2個(gè)不一定平行的三角形和側(cè)面3個(gè)四邊形組成。三棱柱集合表示地層，上、下2個(gè)面的三角形集合表示地層表面，周圍3個(gè)四邊形用于同一層相鄰三棱柱之間的相互連接。三棱柱某一條棱邊退化就變成了三棱錐、兩條棱邊退化就變成四棱錐。三棱錐和四棱錐可用來處理地層尖滅、透鏡體、分叉等復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造[9]。廣義三棱柱體元見圖4。

地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的存儲可分為鉆孔數(shù)據(jù)和地質(zhì)體數(shù)據(jù)的存儲，因此，對于IFC4地質(zhì)模型存儲的擴(kuò)展也分為鉆孔和地質(zhì)體2個(gè)方面，每個(gè)方面需擴(kuò)展對應(yīng)的實(shí)體、枚舉類型和屬性等的定義。

2.4 建模過程

地質(zhì)數(shù)據(jù)處理完成后，就可使用廣義三棱柱方法進(jìn)行地層建模。步驟如下：

（1）對鉆孔孔口坐標(biāo)（x，y）集合進(jìn)行三角剖分，建立孔口坐標(biāo)的三角網(wǎng)（TIN）。

（2）從三角網(wǎng)（TIN）中提取1個(gè)三角形，將這個(gè)三角形設(shè)置為第一層地層三棱柱的上三角形。

（3）按照三角形頂點(diǎn)的鉆孔編號提取出對應(yīng)的3個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)，以第一層地層厚度值為參數(shù)連接第一層地層三棱柱的下三角形；上、下三角形對應(yīng)頂點(diǎn)相連形成側(cè)面四邊形。

（4）依此類推，連接這3個(gè)鉆孔通過的所有地層對應(yīng)的三棱柱，然后將三棱柱疊加在一起，形成相應(yīng)的局部完整地層。

（5）重復(fù)步驟1—步驟3，直到三角網(wǎng)（TIN）中的三角形遍歷完為止，至此，三維地層模型建立完成。

圖4 廣義三棱柱體元

3 地質(zhì)模型定義

3.1 鉆孔數(shù)據(jù)定義

鉆孔原始數(shù)據(jù)包括鉆孔編號、鉆孔類型、孔口坐標(biāo)、孔口標(biāo)高及地層序號、地層名稱、頂板標(biāo)高、地層厚度等地層信息，鉆孔的幾何形狀一般使用首尾相連不同顏色的圓柱表示。因此，要存儲鉆孔數(shù)據(jù)需定義Ifc Drill（鉆孔）和Ifc Drill Layer（鉆孔層）。目前，在IFC標(biāo)準(zhǔn)中Ifc Civil Element（土木單元）作為定義所有土木單元的基類，用來派生每個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的土木單元。Ifc Drill（鉆孔）將由Ifc Civil Element（土木單元）派生（見圖5）。使用從Ifc Civil Element（土木單元）繼承的屬性Name表示鉆孔編號、Object Placement表示孔口坐標(biāo)和孔口標(biāo)高，只需在Ifc Drill（鉆孔）定義鉆孔類型。鉆孔的屬性見表1。

Ifc Drill Layer（鉆孔層）由Ifc Civil Element（土木單元）派生（見圖5）。使用從Ifc Civil Element（土木單元）繼承的屬性Name表示地層序號，反射屬性Has Associations引用分類與編碼表示地層類型，Object Placement表示基準(zhǔn)點(diǎn)，Representation表示鉆孔層的圓柱體。同時(shí)需要定義Top Elevation表示地層頂板標(biāo)高，Deepth表示地層厚度，To Drill表示反射屬性與該層的鉆孔（Ifc Drill）關(guān)聯(lián)。鉆孔層的屬性見表2。

圖5 實(shí)體繼承關(guān)系

表1 鉆孔屬性表

表2 鉆孔層屬性表

3.2 地質(zhì)體數(shù)據(jù)定義

根據(jù)三棱柱建模法，地質(zhì)體的最小單元是三棱柱，由同一層的三棱柱構(gòu)成地質(zhì)層，由多個(gè)地質(zhì)層構(gòu)成地質(zhì)體。因此，要存儲地質(zhì)體數(shù)據(jù)需定義Ifc Geology（地質(zhì)體）和Ifc Geology Layer（地層）。在IFC標(biāo)準(zhǔn)中定義了Ifc Spatial Structure Element（空間結(jié)構(gòu)單元）作為定義所有空間結(jié)構(gòu)單元的基類，派生的空間結(jié)構(gòu)單元經(jīng)常被使用定義一個(gè)項(xiàng)目的組織結(jié)構(gòu)。Ifc Geology（地質(zhì)體）將由Ifc Spatial Structure Element（空間結(jié)構(gòu)單元）派生（見圖5），使用從Ifc Spatial Structure Element（空間結(jié)構(gòu)單元）繼承的Ifc Rel Contained In Spatial Structure（空間包含關(guān)系）組織Ifc Geology Layer（地質(zhì)層）和Ifc Drill（鉆孔），Ifc Geology（地質(zhì)體）不擴(kuò)展任何屬性?？臻g組織關(guān)系見圖6。

Ifc Geology Layer（地質(zhì)層）將由Ifc Civil Element（土木單元）派生（見圖5）。使用從Ifc Civil Element（土木單元）繼承的屬性Name表示地層序號，反射屬性Has Associations引用分類與編碼表示地層類型，Object Placement表示基準(zhǔn)點(diǎn)，Representation表示地層的幾何體，每個(gè)三棱柱由Ifc Triangulated Face Set（三角面集合）組成。

圖6 空間組織關(guān)系

4 驗(yàn)證

依據(jù)上述方法選擇試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)共有10個(gè)鉆孔（2個(gè)經(jīng)驗(yàn)孔），地層統(tǒng)一劃分為8層，分別是黏土、填筑土、黃土、砂壤土、漂石、砂礫、砂質(zhì)頁巖、大理巖。以開源的IFC轉(zhuǎn)換插件（Ifc Plus Plus）和Open Scene Graph圖形引擎[10-11]為基礎(chǔ)，利用Visual C++語言，開發(fā)Smart Geology三維地質(zhì)建模平臺。將地質(zhì)建模數(shù)據(jù)庫中的鉆孔數(shù)據(jù)和建立的三維地質(zhì)模型存儲到定義的Ifc Drill（鉆孔）、Ifc Drill Layer（鉆孔層）、Ifc Geology Layer（地質(zhì)層）和Ifc Geology（地質(zhì)體）等實(shí)體中，之后將IFC實(shí)體中的圖形信息（Ifc Product Representation）和位置信息（Ifc Object Placement）轉(zhuǎn)換成osg::Geometry和osg::Geode幾何節(jié)點(diǎn)，將IFC實(shí)體中的屬性信息（Ifc Property）轉(zhuǎn)換成osg::Geode節(jié)點(diǎn)的Description List信息描述列表。最后將osg::Geode節(jié)點(diǎn)組織成osg Viewer::Viewer的Scene Data模型并顯示（見圖7）。

圖7 地質(zhì)模型

5 結(jié)束語

通過對國際IFC標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展方法的研究分析，以工程地質(zhì)為研究對象，分析基于三棱柱建模法的地質(zhì)模型組成結(jié)構(gòu)、地層劃分、數(shù)據(jù)處理和建模過程，提出地質(zhì)模型數(shù)據(jù)存儲的實(shí)體和屬性定義，并開發(fā)Smart Geology三維地質(zhì)建模平臺，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型的創(chuàng)建和數(shù)據(jù)存儲，經(jīng)過驗(yàn)證，輸出的IFC實(shí)體與地質(zhì)模型實(shí)體的描述吻合，證明了基于IFC地質(zhì)模型實(shí)體擴(kuò)展方式的可行性。