摘要 針對巖土工程數(shù)字孿生技術(shù)，介紹了國內(nèi)外數(shù)字孿生、三維地質(zhì)建模、建筑信息模型(BIM)、仿真模擬與巖土專業(yè)計算等相關(guān)問題的發(fā)展現(xiàn)狀，明確了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、多維信息模型構(gòu)建、地質(zhì)體模型和結(jié)構(gòu)體模型一體化集成與應(yīng)用等方面的薄弱環(huán)節(jié)，提出了以理論創(chuàng)新為指引、以數(shù)據(jù)融合為基礎(chǔ)、以模型集成為核心、以專業(yè)分析為出口、以平臺建設(shè)為抓手的推動巖土工程數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的研究思路，并從巖土工程數(shù)字孿生理論與方法、基于工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC 標(biāo)準(zhǔn))的巖土工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展、設(shè)計施工一體化統(tǒng)一 BIM 模型構(gòu)建、設(shè)計施工協(xié)同仿真計算和多維度物聯(lián)網(wǎng)感知與數(shù)據(jù)融合等五個方面系統(tǒng)闡述了未來的重點研究方向。

　　關(guān)鍵詞 數(shù)字孿生;三維地質(zhì)建模;BIM 技術(shù);IFC 標(biāo)準(zhǔn);雙核一體

　　近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市化進(jìn)程加快，我國正經(jīng)歷著世界歷史上規(guī)模最大、速度最快的城鎮(zhèn)化進(jìn)程。城市軌道交通、高速鐵路、高速公路、地下管廊等工程迅猛推進(jìn)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模跨越式發(fā)展，給巖土工程提出了更高要求，催生精細(xì)化管理，促進(jìn)信息化建設(shè)，推動數(shù)據(jù)量爆發(fā)式增長。大型巖土工程具有投資規(guī)模大、建設(shè)周期長、風(fēng)險性高、隱蔽性強(qiáng)、施工環(huán)境復(fù)雜等特點，傳統(tǒng)項目管理模式和技術(shù)手段難以滿足現(xiàn)代巖土工程信息化發(fā)展的需求，造成數(shù)據(jù)孤立化、信息孤島化、模型多元化、應(yīng)用離散化等突出問題，迫切需要研究和利用新的信息技術(shù)，推動智慧建造，提升管理水平。當(dāng)今世界面臨百年未有之大變局，以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生(Digital Twin)為代表的新一代信息技術(shù)推動新一輪產(chǎn)業(yè)變革，人類正在進(jìn)入一個以數(shù)字化為中心的全新階段。巖土工程建設(shè)應(yīng)當(dāng)抓住機(jī)遇，不斷推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展，提升自主創(chuàng)新能力和尖端技術(shù)應(yīng)用能力。

　　數(shù)字孿生技術(shù)是實現(xiàn)信息物理融合的有效手段，通過數(shù)據(jù)和模型雙驅(qū)動，構(gòu)建虛擬模型反映真實物理世界中實體的全生命周期狀態(tài)，實現(xiàn)全過程仿真、預(yù)測、監(jiān)控和優(yōu)化。為應(yīng)對巖土工程面臨的地質(zhì)條件多樣化和建設(shè)環(huán)境復(fù)雜化的挑戰(zhàn)，滿足勘察數(shù)字化、設(shè)計交互化、建造虛擬化、決策智能化、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、性能優(yōu)越化的發(fā)展需求，迫切需要將數(shù)字孿生技術(shù)引入到巖土工程領(lǐng)域。創(chuàng)建巖土工程數(shù)字孿生模型，建設(shè)虛實結(jié)合的數(shù)字孿生環(huán)境，發(fā)展巖土工程數(shù)字孿生核心技術(shù)體系，實現(xiàn)巖土工程數(shù)字化設(shè)計、協(xié)同化建造、動態(tài)化分析、可視化決策和透明化管理，有效提升巖土工程建設(shè)管理水平，深化巖土工程數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，具有巨大的發(fā)展?jié)摿�和廣闊的應(yīng)用前景。

　　1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　數(shù)字孿生起源于工業(yè)制造領(lǐng)域，隨著三維建模、虛擬現(xiàn)實、計算仿真、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵使能技術(shù)的交叉融合而發(fā)展壯大。三維模型作為連接物理實體與虛擬實體的入口，是建立數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)和關(guān)鍵所在。在巖土工程領(lǐng)域，三維地質(zhì)建模技術(shù)運(yùn)用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)、空間分析和預(yù)測技術(shù)構(gòu)建地質(zhì)體空間模型，并進(jìn)行地質(zhì)解釋。在建筑工程領(lǐng)域，BIM(Building Information Modelling)是創(chuàng)建和使用三維建筑信息模型的數(shù)字化技術(shù)與工具，通過國際通用的、開放的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn) IFC(Industry FoundationClasses)，集成建筑工程項目的各類信息，構(gòu)建三維數(shù)字化模型，應(yīng)用于建筑規(guī)劃設(shè)計、施工建造和運(yùn)營管理的各個階段，實現(xiàn)不同專業(yè)之間的協(xié)同作業(yè)[1,2]。BIM 技術(shù)在建筑工程行業(yè)的成功經(jīng)驗帶給我們啟示[3]，結(jié)合 BIM 技術(shù)和三維地質(zhì)建模技術(shù)，用于巖土工程數(shù)字孿生模型的構(gòu)建，實現(xiàn)虛實空間協(xié)作運(yùn)轉(zhuǎn)，全面提升巖土工程信息的集成與共享水平，或許能夠探索出一條巖土工程數(shù)字化建設(shè)的新路徑，開拓出一種巖土工程信息化的創(chuàng)新性實踐模式。

　　1.1 數(shù)字孿生數(shù)字孿生概念

　　最早由美國密歇根大學(xué) MichaelGrieces 教授于 2003 年前后提出[4]，2011 年左右逐漸進(jìn)入人們視野，在航空航天領(lǐng)域嶄露頭角。美國航天局通過構(gòu)建與真實飛行器一樣的虛擬飛行器模型，利用傳感器實現(xiàn)與飛行器實際情況完全同步，從而精確模擬和反映真實飛行器的飛行狀態(tài)，輔助駕駛員做出正確決策[5,6]。在此基礎(chǔ)上，美國空軍研究室首次提出了數(shù)字孿生的定義：數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。隨著工業(yè) 4.0 相關(guān)戰(zhàn)略的不斷出臺，數(shù)字孿生技術(shù)得到各方的普遍關(guān)注[7]。近年來，達(dá)索、通用電氣、西門子等工業(yè)巨頭紛紛布局?jǐn)?shù)字孿生業(yè)務(wù)，宣傳和使用數(shù)字孿生技術(shù)[8]。英國國家基礎(chǔ)設(shè)施委員會于 2017 年 11 月提出創(chuàng)建一個與國家基礎(chǔ)設(shè)施相對應(yīng)的數(shù)字孿生體，并于 2019 年 1 月啟動。

　　從2016 年起，Garter 公司連續(xù) 4 年將數(shù)字孿生列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一[9]。目前數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計[10]、智能制造[11]、醫(yī)學(xué)分析[12]、工程建設(shè)[13]等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，大大推動了工業(yè)界的智能制造發(fā)展，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)升級[14]。國內(nèi)對數(shù)字孿生的研究也取得了豐富的成果，北航研究團(tuán)隊提出了數(shù)字孿生五維模型，從物理實體、虛擬實體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)以及連接等五個層面闡述了數(shù)字孿生模型的組成架構(gòu)和應(yīng)用準(zhǔn)則[15,16]。北京理工團(tuán)隊結(jié)合數(shù)字孿生發(fā)展背景，提出了產(chǎn)品數(shù)字孿生體的內(nèi)涵以及體系結(jié)構(gòu)，豐富了數(shù)字孿生技術(shù)的概念[17]。

　　在我國 2020 年圓滿完成任務(wù)的嫦娥五號上也使用了數(shù)字孿生技術(shù)，通過對嫦娥五號航天器進(jìn)行數(shù)字孿生仿真，加載遙測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)航天器工作狀態(tài)監(jiān)測、多維遙測數(shù)據(jù)可視化分析等功能，助力科研工作者實時掌握月表采集情況。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，鄭偉皓立足公路交通設(shè)施模型，提出了基于數(shù)字孿生的建模方案和一套標(biāo)識編碼方案[18];朱慶為了解決川藏鐵路建設(shè)過程中的多源異構(gòu)信息，制定了面向數(shù)字孿生川藏鐵路的編碼規(guī)則[19];Chao[20]提出了災(zāi)害數(shù)字孿生范式的設(shè)想，David[21]也設(shè)想利用數(shù)字孿生技術(shù)增強(qiáng)災(zāi)害管理水平。在新冠疫情期間，中南建筑設(shè)計院利用數(shù)字孿生技術(shù)規(guī)劃和設(shè)計了聞名世界的武漢雷神山醫(yī)院，助力醫(yī)院快速建成和安全使用[22]。綜上所述，數(shù)字孿生是在新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合、推動制造業(yè)生產(chǎn)方式向數(shù)字化和智能化方向加速邁進(jìn)的時代背景下誕生的，通過不斷創(chuàng)新，逐步成為新一輪科技革命中各行各業(yè)、特別是制造業(yè)加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力量。

　　數(shù)字孿生以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，在虛擬空間中完成與真實世界的映射，構(gòu)建平行世界，是一個對物理世界進(jìn)行數(shù)字化解構(gòu)、并在虛擬世界進(jìn)行數(shù)字化重構(gòu)的過程[16]。數(shù)字孿生以數(shù)據(jù)為紐帶實現(xiàn)信息和物理系統(tǒng)的系統(tǒng)集成，以控制算法與模型為核心實現(xiàn)虛實實體間的知識交互與迭代優(yōu)化。因此，數(shù)字孿生落地的關(guān)鍵是“數(shù)據(jù)+模型”。模型是數(shù)字孿生的重要組成部分，是實現(xiàn)數(shù)字孿生功能的重要前提。相對于制造業(yè)而言，巖土工程領(lǐng)域中的數(shù)字孿生技術(shù)研究還比較少，尚屬一片“新領(lǐng)地”、“無人區(qū)”。因此，結(jié)合巖土工程特點，引入數(shù)字孿生技術(shù)，聚焦巖土工程數(shù)字孿生模型的構(gòu)建，推動巖土數(shù)字孿生體的專業(yè)化應(yīng)用，探索新型巖土工程數(shù)字化建設(shè)路徑和實踐模式，還有大量細(xì)致的工作需要開展，更需要在理論上有所創(chuàng)新，技術(shù)上有所突破。

　　1.2 三維地質(zhì)建模

　　巖土工程既是建筑工程，又是地質(zhì)工程。巖土工程中的兩個核心要素是地質(zhì)體與工程結(jié)構(gòu)體，兩者交融共生，相依相存，相克相制，相互作用，相互影響。地質(zhì)體既是巖土工程結(jié)構(gòu)體的載體，又是巖土工程施工改造的對象;工程結(jié)構(gòu)體對地質(zhì)體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固和支撐保護(hù)。巖土工程信息化的發(fā)展與三維地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展相輔相成，巖土工程中的三維地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了巖土工程信息化，巖土工程信息化日益增長的需求推動著三維地質(zhì)建模技術(shù)的進(jìn)步[23]。1993 年，加拿大學(xué)者 Houlding 最早提出了三維地質(zhì)建模的概念[24]。

　　法國 Mallet 教授建立了離散光滑插值(Discrete Smooth Interpolation，DSI)方法[25]，推動了三維地質(zhì)建模的發(fā)展。隨著三維地質(zhì)建模方法以及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多公司研發(fā)了三維地質(zhì)建模商業(yè)軟件，如法國公司在 DSI 算法基礎(chǔ)上推出的地質(zhì)建模軟件 GOCAD[26]，澳大利亞公司研發(fā)的大型采礦工程軟件 Surpac Vision[27]等。

　　國內(nèi)巖土工程中的三維地質(zhì)建模技術(shù)雖然起步較晚，但是近些年也得到了迅猛發(fā)展。中科院地質(zhì)所提出了局部間斷擬合函數(shù)，實現(xiàn)工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)及邊坡工程開挖的三維模擬和再現(xiàn)[28];中科院武漢巖土所王笑海[29]、陳健[30]提出多層 DEM 建模方法，搭建了三維地質(zhì)建模系統(tǒng)[31];中國地質(zhì)大學(xué)朱良峰、陳國良等研發(fā)了基于三角網(wǎng)和交叉剖面的多種建模方法和系統(tǒng)[32,33];天津大學(xué)鐘登華等采用混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了地形類、地層類、斷層類、界限類 4 類地質(zhì)對象的擬合構(gòu)造與幾何建模，研發(fā)了針對水利水電工程的建模與分析系統(tǒng)[34];陳麒玉提出了一種基于多點地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的三維地質(zhì)建模方法[35];郭甲騰等發(fā)展了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的隱式三維地質(zhì)建模方法[36];杜子純等建立了一種基于地層沉積順序的統(tǒng)一地層序列方法,進(jìn)行城市三維地質(zhì)建模[37];冉祥金基于 CGAN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提升了區(qū)域三維地質(zhì)建模的智能化水平[38];李明超等提出了基于 NURBS 的參數(shù)化地質(zhì)建模方法[39];李建等建立了多源數(shù)據(jù)融合的規(guī)則體元分裂三維地質(zhì)建模方法[40];梁棟引入貝葉斯和Copula 等不確定性分析方法，提高了三維地質(zhì)模型的精確度[41]。

　　然而，現(xiàn)有巖土工程中的三維地質(zhì)模型更多應(yīng)用于可視化，不能和巖土工程結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行深入融合和有機(jī)協(xié)作，難以發(fā)揮三維地質(zhì)模型的利用價值和作用。因此，基于數(shù)字孿生理念，考慮三維地質(zhì)體與工程結(jié)構(gòu)體的特點，深化理論認(rèn)知水平，探索幾何拓?fù)湟恢碌臄?shù)據(jù)模型，設(shè)計數(shù)據(jù)融合共享機(jī)制，發(fā)展三維地質(zhì)體與工程結(jié)構(gòu)體的自洽整合算法，實現(xiàn)巖土工程耦聯(lián)體的數(shù)據(jù)聯(lián)動、模型協(xié)動、虛實互動，構(gòu)建巖土數(shù)字孿生體的系統(tǒng)底層架構(gòu)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系，是巖土數(shù)字孿生模型研究中亟待解決的理論問題。

　　1.3 BIM 技術(shù)

　　BIM 是一種創(chuàng)新理念與方法，自提出以來已席卷全球工程建設(shè)行業(yè)，引發(fā)工程建設(shè)領(lǐng)域的第二次數(shù)字革命，推動建筑相關(guān)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級[42,43]。美國國家建筑信息建模標(biāo)準(zhǔn)給出了 BIM 的定義：BIM 是設(shè)施物理和功能特征的數(shù)字表示，是一種共享的知識資源，用于提供有關(guān)設(shè)施的信息，為其生命周期內(nèi)的決策提供可靠的基礎(chǔ)[44]。國外在研究和應(yīng)用 BIM 技術(shù)方面起步較早，美國、歐洲、日本、新加坡等國的 BIM 技術(shù)應(yīng)用比較廣泛。BIM 進(jìn)入中國后，逐步得到了建筑領(lǐng)域的關(guān)注，政府和行業(yè)協(xié)會對 BIM 的研究和應(yīng)用也十分重視。

　　2020 年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家發(fā)展改革委、科技部等 13 部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》，要求在建造全過程加大 BIM 等新技術(shù)的集成與創(chuàng)新應(yīng)用，提升建筑工業(yè)信息化水平[45]。BIM 技術(shù)以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建數(shù)據(jù)化、智能化建筑信息模型，應(yīng)用于工程的全生命周期[46]，有效實現(xiàn)各專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計和各工種之間的協(xié)同作業(yè)[47-49]，提高工作效率[50]，降低施工風(fēng)險[51]，在建筑工程領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用并取得了巨大的成功。

　　近些年來，BIM 技術(shù)在隧道工程、基坑工程、水電工程等巖土工程相關(guān)行業(yè)中也得到了快速的應(yīng)用，有效促進(jìn)了巖土工程信息化的發(fā)展。在隧道工程方面，Cho 等針對新奧爾良法隧道，基于參數(shù)化建模方法，提出了標(biāo)準(zhǔn)化全斷面隧道BIM 族庫的構(gòu)建方法[52];李曉軍等提出了山嶺隧道結(jié)構(gòu) BIM 多尺度建模與自適應(yīng)拼接方法，并利用Revit 軟件建立了隧道結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段與特殊段參數(shù)化模型單元[53];鐘宇[54,55]、Koch[56]、劉曹宇[57]等利用BIM 技術(shù)進(jìn)行了參數(shù)化建模，構(gòu)建了盾構(gòu)隧道模型。在基坑工程方面，郭柯蘭結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和 BIM模型，識別基坑工程風(fēng)險因素，對基坑工程進(jìn)行風(fēng)險量化研究[58]。在水電工程方面，譚堯升基于 BIM技術(shù)建立了水電工程邊坡施工全過程信息模型，以白鶴灘水電站為例實現(xiàn)了數(shù)字化管控[59]。在其他與巖土工程相關(guān)工程中，BIM 技術(shù)也得到了應(yīng)用[60,61]。

　　針對巖土工程中的地質(zhì)體，一些學(xué)者也嘗試?yán)��?BIM 技術(shù)進(jìn)行三維地質(zhì)建模[62,63]。Zivec 和 Zibert 采用 BIM 建模技術(shù)為隧道項目創(chuàng)建三維地質(zhì)模型，基于該模型進(jìn)行了地質(zhì)結(jié)構(gòu)推斷、巖體描述和調(diào)查規(guī)劃[64];饒嘉誼基于 Revit 軟件二次開發(fā)，利用鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建三維巖土體模型[65];錢睿依托 Civil 3D 軟件進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建煤層三維地質(zhì)模型[66];錢驊在 CATIA 軟件的基礎(chǔ)上，利用VB 編程開發(fā)了適用于水利水電行業(yè)的三維地質(zhì)建模平臺[67];蘇小寧基于 CATIA 軟件構(gòu)建了公路隧道三維地質(zhì)模型[68]。

　　綜上所述，BIM 技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，在巖土工程中的研究也在快速發(fā)展，應(yīng)用于構(gòu)建巖土工程結(jié)構(gòu)模型或者地質(zhì)模型，但由于地質(zhì)模型和結(jié)構(gòu)模型的組織方式和構(gòu)建方法存在顯著差異，BIM技術(shù)尚難以構(gòu)建復(fù)雜地質(zhì)體模型。總體而言，雖然在高層建筑工程方面，BIM 技術(shù)取得了令人矚目的成績，但在巖土工程方面，仍不是很接地氣，難以真正實現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)體和工程結(jié)構(gòu)體的一體化集成，亟待開展針對性的研究。因此，將 BIM 技術(shù)真正落地于巖土工程，基于幾何拓?fù)湟恢碌牡讓訑?shù)據(jù)模型，融合工程結(jié)構(gòu)體和復(fù)雜地質(zhì)體，研發(fā)兩者協(xié)同共享的巖土工程耦聯(lián)體建模技術(shù)，構(gòu)建與物理實體孿生并行、精準(zhǔn)映射的 BIM 模型，形成巖土數(shù)字孿生體的建模方法體系，是迫切需要突破的技術(shù)瓶頸。

　　1.4 仿真模擬與專業(yè)分析

　　在巖土工程中，通常會利用 Abaqus、Ansys、Plaxis、FLAC 3D 等數(shù)值模擬軟件構(gòu)建計算模型，對隧道[69]、邊坡[70]、路基[71]等工程等進(jìn)行力學(xué)計算，分析復(fù)雜巖土體和工程結(jié)構(gòu)體的相互作用機(jī)制與變形演化規(guī)律，評價工程安全性和穩(wěn)定性。近年來，隨著 BIM 技術(shù)在巖土工程中的逐步應(yīng)用，學(xué)者們開始關(guān)注 BIM 模型與數(shù)值計算模型的轉(zhuǎn)換與融合問題。封大為分析了 Revit 軟件和 Ansys 軟件的特點，利用 Revit API 接口開發(fā)程序進(jìn)行 Revit 與 Ansys 之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了 BIM 結(jié)構(gòu)模型可計算[72];宋杰[73]、劉彥凱[74]基于 Revit，將 BIM 模型信息和力學(xué)參數(shù)提取出來轉(zhuǎn)換成 Ansys ADPL 命令流，進(jìn)行力學(xué)計算。王玄玄提取 BIM 模型中的幾何尺寸、材料參數(shù)等數(shù)據(jù)，并自動對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成INP 文件，打通了 Revit 與 Abaqus 之間的數(shù)據(jù)壁壘[75]。

　　清華大學(xué)胡振中團(tuán)隊基于 IFC 標(biāo)準(zhǔn)提取 BIM 結(jié)構(gòu)模型信息，研發(fā)了基于 BIM 的統(tǒng)一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換平臺，實現(xiàn)了 BIM 模型數(shù)據(jù)向有限元(FEM)分析模型的轉(zhuǎn)換[76-78]。上海交大鄧雪原團(tuán)隊打造了基于 IFC 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換平臺，將 BIM 結(jié)構(gòu)模型信息轉(zhuǎn)換成對應(yīng)數(shù)值分析軟件的數(shù)據(jù)模型[79]。上述研究推動了 BIM模型進(jìn)行數(shù)值計算與力學(xué)分析的發(fā)展，美中不足的是這些研究只是針對 BIM 結(jié)構(gòu)模型。對于巖土工程而言，地質(zhì)模型是不可或缺的一部分。Fabozzi 采用 Bentley 系列軟件分別構(gòu)建了隧道結(jié)構(gòu)模型和三維地質(zhì)模型，通過 CAD 文件格式導(dǎo)入至 Plaxis 有限元軟件，劃分網(wǎng)格后進(jìn)行數(shù)值計算[80]。Alsahly 探討了 BIM FEM 的工作流程，將地質(zhì)模型和隧道結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換成 ACIS 數(shù)據(jù)格式，導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和力學(xué)分析[81]。

　　Ninić結(jié)合多級仿真的概念，研究了 BIM 模型到仿真計算軟件的流程[82]。姚翔川利用 Revit 構(gòu)建地質(zhì)模型和結(jié)構(gòu)模型，將其轉(zhuǎn)換成 Ansys 及 FLAC 計算模型，在 Ansys 中劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入 FLAC 3D 進(jìn)行計算[83]。以上研究在進(jìn)行巖土工程數(shù)值模擬和力學(xué)分析時雖然考慮了基于 BIM 技術(shù)構(gòu)建的工程結(jié)構(gòu)模型和地質(zhì)模型，但是，無論是從模型的精細(xì)程度來講，還是從兩種模型的融合程度而言，都難以達(dá)到大規(guī)模精細(xì)化的巖土工程計算要求，尤其是對于施工過程中出現(xiàn)的地質(zhì)動態(tài)變化引起的設(shè)計變更問題，尚缺乏有效的數(shù)值模型更新和計算網(wǎng)格劃分手段，難以滿足巖土工程數(shù)字化設(shè)計和動態(tài)化反饋分析的需求。因此，基于 BIM 技術(shù)定制巖土工程耦聯(lián)體模型，考慮數(shù)值分析的計算網(wǎng)格要求，研發(fā)確保地質(zhì)體和結(jié)構(gòu)體模型拓?fù)湟恢滦缘挠嬎憔W(wǎng)格剖分方法，是拓展巖土數(shù)字孿生體數(shù)值計算功能的關(guān)鍵所在。

　　1.5 存在的問題和不足之處

　　綜合以上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，國內(nèi)外學(xué)者針對數(shù)字孿生技術(shù)、三維地質(zhì)建模、BIM 建模、仿真模擬與巖土專業(yè)計算等相關(guān)問題，進(jìn)行了廣泛、深入和系統(tǒng)的研究，提出了眾多的新理論、新方法、新技術(shù)，取得了豐富的研究成果，為巖土工程數(shù)字孿生技術(shù)的研究和發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)，提供了可資借鑒的經(jīng)驗。但是，在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、多維信息模型構(gòu)建、地質(zhì)體模型和結(jié)構(gòu)體模型一體化集成與應(yīng)用等方面的研究還不夠系統(tǒng)深入，尚存在一些薄弱環(huán)節(jié)和不足之處，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

　　(1) 巖土工程數(shù)字孿生模型缺少理論體系指導(dǎo)。數(shù)字孿生涉及領(lǐng)域廣，集成難度高，各應(yīng)用領(lǐng)域各自為戰(zhàn)，缺乏通用基礎(chǔ)技術(shù)底座。當(dāng)前巖土工程領(lǐng)域的數(shù)字孿生研究相對較少，缺少通用準(zhǔn)則和理論體系來參考和指導(dǎo)。

　　(2) 巖土工程數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度低，協(xié)同基礎(chǔ)薄弱。由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，大體量多維模型數(shù)據(jù)、多尺度、多時相、多場景的巖土工程數(shù)據(jù)格式差異顯著，數(shù)據(jù)融合壁壘重重。

　　(3) 三維地質(zhì)模型和結(jié)構(gòu)模型的集成共享面臨難題。兩種建模技術(shù)之間缺乏統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)集成標(biāo)準(zhǔn)，建模方式也有所不同，導(dǎo)致一致性差、兼容性低、互操作難，彼此之間的信息共享和交換能力較弱，缺乏融會貫通。三維地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)表達(dá)與BIM模型中的IFC標(biāo)準(zhǔn)也存在較大的差異，難以與 BIM 結(jié)構(gòu)模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和信息共享，導(dǎo)致 BIM 軟件體系在實際應(yīng)用中不能有效融合與利用地質(zhì)模型。

　　(4) 巖土工程信息模型在工程應(yīng)用中尚未完全發(fā)揮作用。設(shè)計階段產(chǎn)生的三維模型既無法直接用于數(shù)值分析，也無法滿足施工階段管理的需要。三維地質(zhì)建模更多地應(yīng)用于可視化，沒能深入到巖土工程的實際應(yīng)用當(dāng)中，“好看不中用”，降低了信息的利用價值和應(yīng)發(fā)揮的作用。

　　(5) 巖土工程全生命周期信息化管理過程缺乏統(tǒng)一平臺。目前巖土工程領(lǐng)域的信息平臺很多，主要用于巖土工程的可視化、施工安全與質(zhì)量、施工資源與成本、監(jiān)測信息、施工進(jìn)度信息等方面的管理，以滿足方案交流、成果匯報、施工模擬等場合的要求，促進(jìn)了巖土工程信息化的發(fā)展。但是大多數(shù)平臺僅用于項目建設(shè)的某個階段，在全生命周期中的應(yīng)用不足，且在真正優(yōu)化設(shè)計和指導(dǎo)施工上還需要進(jìn)一步擴(kuò)展。面向巖土工程信息化需求，針對國內(nèi)外研究的薄弱環(huán)節(jié)和不足之處，以理論創(chuàng)新為指引，以數(shù)據(jù)融合為基礎(chǔ)，以模型集成為核心，以專業(yè)分析為出口，以平臺建設(shè)為抓手，推動巖土工程數(shù)字孿生技術(shù)的研究是巖土工程信息化的新途徑、新思路、新模式。

　　2 未來研究方向

　　2.1 巖土工程數(shù)字孿生理論與方法

　　數(shù)字孿生的主要理論淵源和基礎(chǔ)是：系統(tǒng)工程及系統(tǒng)建模與仿真理論、現(xiàn)代控制理論、模式識別理論、計算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)。從巖土工程的視角來看，針對地質(zhì)體建模的不確定性，有必要引入土性隨機(jī)場理論，客觀模擬地層邊界和土性參數(shù)的空間變異性，建立準(zhǔn)確反映自然規(guī)律的三維地質(zhì)模型[84,85];針對三維地質(zhì)模型和結(jié)構(gòu)模型的集成共享難題，更迫切需要發(fā)展“雙核一體”理論，即以復(fù)雜地質(zhì)體與工程結(jié)構(gòu)體為核心要素，以巖土工程耦聯(lián)體為關(guān)鍵主體，以耦聯(lián)拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型為底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建由三維地質(zhì)體模型與工程結(jié)構(gòu)體模型一體化集成的工程耦聯(lián)體模型，實現(xiàn)工程地質(zhì)體模型與工程結(jié)構(gòu)體模型一體化，形成面向巖土工程數(shù)字孿生技術(shù)的“雙核一體”理論[86]。

　　土性隨機(jī)場理論為表征地層界面和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不確定性、土性參數(shù)的空間變異性提供理論方法，為應(yīng)用地質(zhì)數(shù)字孿生體推演分析復(fù)雜條件下的巖土工程性能演化規(guī)律、提升機(jī)理認(rèn)知水平提供堅實基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。“雙核一體”理論以新型拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型為底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，解決地質(zhì)體模型和工程結(jié)構(gòu)體模型的差異與不兼容難題;以 IFC 標(biāo)準(zhǔn)作為數(shù)據(jù)信息交換的標(biāo)準(zhǔn)體系，構(gòu)建統(tǒng)一的巖土工程數(shù)字孿生模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系;以 BIM 技術(shù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的載體，利用 BIM 技術(shù)構(gòu)建巖土工程數(shù)字孿生模型。土性隨機(jī)場理論和“雙核一體”理論為巖土工程數(shù)字孿生體的構(gòu)建奠定理論基礎(chǔ)，提供理論指導(dǎo)，支撐巖土工程數(shù)字孿生模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、模型表達(dá)、仿真模擬、情景推演、智能預(yù)測、決策自治等應(yīng)用。

　　2.2 基于 IFC 標(biāo)準(zhǔn)的巖土工程數(shù)據(jù)

　　結(jié)構(gòu)擴(kuò)展在雙核一體理論的基礎(chǔ)上，如何實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的集成與共享是一個亟需解決的難題。考慮到 BIM技術(shù)中的 IFC 標(biāo)準(zhǔn)可以用于表達(dá)模型全生命周期的數(shù)據(jù)信息，而且是國際通用、中立的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，基于雙核一體理念，遵循 IFC 標(biāo)準(zhǔn)，利用其良好的可擴(kuò)展性，設(shè)計面向巖土工程數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間數(shù)據(jù)組織，定義模型對象的拓?fù)潢P(guān)系，建立巖土工程數(shù)字孿生體的語義數(shù)據(jù)表達(dá)和模型數(shù)據(jù)體系架構(gòu)，是未來巖土工程數(shù)據(jù)融合和擴(kuò)展的重點研究內(nèi)容。對三維地質(zhì)體和工程結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)模型進(jìn)行統(tǒng)一的定義和表達(dá)，支持兩類模型融合的幾何解析和拓?fù)渲貥?gòu)，可以有效克服地質(zhì)體和結(jié)構(gòu)體模型數(shù)據(jù)來源存在的壁壘，實現(xiàn)巖土工程數(shù)據(jù)融合，以此作為實現(xiàn)巖土工程數(shù)字孿生建模的基礎(chǔ)。

　　2.3 設(shè)計施工一體化統(tǒng)一

　　BIM 模型構(gòu)建考慮三維地質(zhì)體和工程結(jié)構(gòu)體模型對象特征的獨特性，針對統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用離散數(shù)學(xué)和連續(xù)數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法，形成以 BIM 技術(shù)為支撐的巖土工程核心要素建模方法和巖土工程數(shù)字孿生體構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，盡可能的保證地質(zhì)體模型和結(jié)構(gòu)體模型能準(zhǔn)確表達(dá)對象特征。以設(shè)計施工 BIM 信息模型構(gòu)建技術(shù)為突破點，發(fā)展自洽整合算法，實現(xiàn)地質(zhì)體和結(jié)構(gòu)體模型的一體化集成，從技術(shù)層面解決三維地質(zhì)體和工程結(jié)構(gòu)體兩類模型的融合集成，實現(xiàn)巖土工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)營的一體化管控，將成為未來的重點研究方向。

　　3 結(jié)論

　　迄今為止的研究成果和技術(shù)積累，已經(jīng)為巖土工程數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)，為解決巖土工程數(shù)字信息化集成度不高、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合困難、信息模型應(yīng)用不夠深入、巖土工程全生命周期信息化管理平臺缺乏等問題提供了技術(shù)儲備和科技支撐。未來，基于當(dāng)前研究中出現(xiàn)的問題和不足，結(jié)合巖土工程數(shù)字孿生技術(shù)的實際需求，開展創(chuàng)新性理論探索，攻克關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，聚焦巖土工程數(shù)字孿生模型的構(gòu)建，發(fā)展基于物聯(lián)網(wǎng)的巖土工程實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，提升設(shè)計施工協(xié)同仿真計算能力，推動巖土工程數(shù)字孿生模型的專業(yè)化應(yīng)用，推進(jìn)巖土工程的數(shù)字化、智能化建設(shè)進(jìn)程。相信在不久的將來，數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)一定會取得重大突破，其在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用也一定會獲得更大發(fā)展。

　　參 考 文 獻(xiàn)

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　　作者：陳 健1，2，3，4，5 盛 謙1，2 陳國良1 吳佳明6