張 菖, 陳志文, 韋 猛, 黃 俊

(1.成都理工大學 地球物理學院，成都 610059; 2.西南交通大學 土木工程學院，成都 611756)

基于BIM的三維滑坡地質災害監(jiān)測方法及應用

張 菖1, 陳志文1, 韋 猛1, 黃 俊2

(1.成都理工大學 地球物理學院，成都 610059; 2.西南交通大學 土木工程學院，成都 611756)

提出了一種基于BIM的三維滑坡地質災害監(jiān)測方法。應用CATIA軟件建立三維滑坡地質模型，將反映該三維模型形態(tài)的空間點集和拓撲關系存儲在數(shù)據(jù)庫中；基于云平臺架構，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化和模型有限元計算的結果反饋到模型數(shù)據(jù)庫中。通過對模型數(shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)迭代、增量處理和模型重構，建立BIM地質災害模型動態(tài)反饋機制，實現(xiàn)滑坡三維模型的動態(tài)變化和協(xié)同。

BIM；三維建模；滑坡；監(jiān)測

滑坡作為最常見的地質災害類型，威脅人們的生命與財產安全?；碌刭|災害監(jiān)測預警是一項復雜的系統(tǒng)工程。目前對地質災害監(jiān)測預警采取的主要措施有建立群測群防體系、開展汛期巡查、排查災害隱患點、對重大災害隱患點實行監(jiān)測等。這些方法難以保證數(shù)據(jù)的及時性和準確性，無法保證邊坡的臨滑預警。近年來，隨著移動通信、大數(shù)據(jù)和云計算等信息技術的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡化和智能化日漸成為物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展趨勢。王威等[1]建立了基于GIS的三維地質建模監(jiān)測預警系統(tǒng)；黃建等[2]概述了新一代信息技術在地質災害監(jiān)測系統(tǒng)中的應用；黃露等[3]提出了基于云計算的地質災害監(jiān)測數(shù)據(jù)共享機制；張紹華等[4]系統(tǒng)論述了支持協(xié)同治理的BIM云平臺建模與架構。

BIM(Building Information Modeling)是以建筑工程項目的各項相關信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎，進行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它具有可視化、協(xié)調性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點。筆者構建以BIM滑坡地質災害模型為基礎的云計算框架，結合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和后臺ANSYS有限元分析結果，實現(xiàn)對大量地質災害多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速集成、分析和反饋，提高了地質災害預警的時效性。

1 模型的構建

BIM滑坡三維建模主要分為3個部分：創(chuàng)建三維幾何模型；信息入庫，即將滑坡體空間幾何信息、工程地質信息和監(jiān)測信息等導入數(shù)據(jù)庫；三維監(jiān)測模型的動態(tài)可視化，即將數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和三維幾何模型連接，實現(xiàn)三維模型的信息化和協(xié)同變化，建模流程見圖1。

圖1 BIM滑坡三維監(jiān)測建模流程Fig.1 Modeling flow chart for 3D monitoring for BIM landslide

1.1 滑坡區(qū)域三維幾何模型

本文利用主流BIM軟件CATIA構建滑坡區(qū)域三維地質模型。該軟件具有強大的曲面造型功能，可以比較快捷地利用基礎工程地質信息創(chuàng)建三維地質模型[5]。

1.1.1 地表曲面模型的建立

根據(jù)勘察范圍內的工程地質平面圖，提取反映滑坡區(qū)域的地形數(shù)據(jù)。利用CATIA中的DSE模塊，導入離散點數(shù)據(jù)生成點云(圖2)。通過對點云數(shù)據(jù)進行編輯優(yōu)化得到地表模型網(wǎng)格面，在QSR模塊中得到地表曲面模型數(shù)據(jù)(圖3)。

圖2 地表面點云數(shù)據(jù)Fig.2 Surface point cloud data

圖3 地表面曲面模型Fig.3 Surface model of ground

1.1.2 滑坡體模型的建立

在GSD模塊中，將地表曲面模型拉伸得到實體模型。通過分析鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)和其他地質資料，得到地層分界面的點數(shù)據(jù)或者巖體分界面的產狀等數(shù)據(jù)信息。通過插值處理，得到不同地層分界面或巖體分界面。按照從新到老的規(guī)則依次將各套地層從實體模型上剝離，圖4為剝離得到的某地層實體模型。圖5為利用巖體分界面在實體模型上切割巖體模型。

構建完成的三維地質模型即初期的BIM模型，要根據(jù)地質經驗復核和修正，直到符合實際情況為止[6]。

圖4 某地層實體模型Fig.4 Physical model of a formation

圖5 切割得到巖體模型Fig.5 The model of rock mass obtained by cutting

1.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

基于BIM三維地質模型的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分為2部分。

1.2.1 地質災害GIS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

地質災害GIS(Geology Information System) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用ORACLE數(shù)據(jù)庫作為后臺數(shù)據(jù)庫。同時搭配ArcSDE(空間數(shù)據(jù)庫引擎)，用于ArcGIS對數(shù)據(jù)庫信息的訪問和管理。后臺數(shù)據(jù)庫包括基礎空間數(shù)據(jù)庫和專業(yè)信息數(shù)據(jù)庫[7]。基礎空間數(shù)據(jù)庫包括地形圖、影像圖、數(shù)字高程圖等。專業(yè)信息數(shù)據(jù)庫主要是將現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)整理入庫，用于后續(xù)的專業(yè)數(shù)據(jù)處理和解釋。

地質災害GIS數(shù)據(jù)庫E-R圖見圖6。圖中：GeoTopologModel表示滑坡幾何形態(tài)信息表，主要存儲了表征三維模型空間形態(tài)的點集和拓撲關系，與之相關的還有巖性填充物信息表(Lithology)和滑坡區(qū)建筑物信息表(BuildingInfo)；GeoDynamicModel表示滑坡三維計算模型；LineTagIfo表示滑坡測線，包括測線位置、走向等信息；DrillSensorInfo表示鉆孔相關信息，包括孔位、地層分布和埋深等；MeteoTagInfo表示滑坡區(qū)域氣象信息，主要包括降水、氣溫等；ServeyTagInfo表示水文信息。

1.2.2 地質災害變量字典

地質災害變量字典建立本地端及與之相關的SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)節(jié)點或工作站的系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫RTDB(Real Time Database)的源。提供對地質災害與防治項目監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時報表與實時趨勢分析(圖)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)、模型及其運行狀態(tài)進行邊界形態(tài)、曲線、棒圖、直方圖等形式的實時動態(tài)監(jiān)視，并基于該模型進行實時分析與解釋。另一方面，地質災害變量字典還建立本地端及與之相關的SCADA節(jié)點或工作站的系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫的源，對RTDB進行歷史數(shù)據(jù)庫的轉儲和相關的數(shù)據(jù)處理。

圖6 地質災害GIS數(shù)據(jù)庫E-R圖Fig.6 E-R diagram of geological disaster database

地質災害變量字典E-R圖見圖7。其中：MUnitTable表示測線、監(jiān)測點等；SwitchTable表示傳感器等監(jiān)測儀表；TagTable表示監(jiān)測的變量如位移、應力等；NodeInfoTable表示節(jié)點信息列表；AlarmArray表示報警信息列表；NodeTagTable表示節(jié)點變量信息表；HDBArray表示實時值歷史數(shù)據(jù)表；RTDataArray表示實時值表；CommandArray表示控制信息列表；TGIDHashMap表示變量TGID的哈希表；TGIDChangedArray表示已改變數(shù)值TGID列表。

1.3 BIM模型的主要功能

BIM 可以被描述為一系列處理過程與輸出結果組成的、可動態(tài)擴展的無限集合，在工程全生命周期的各個階段迭代地進行數(shù)據(jù)增量處理[8]。將三維幾何模型與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相互關聯(lián)的BIM三維監(jiān)測模型主要有3個功能模塊。

1.3.1 滑坡區(qū)域工程地質信息管理

本文采用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)除將滑坡監(jiān)測內容存儲到數(shù)據(jù)庫中，還實現(xiàn)了對初期工程地質要素的存儲。即將反映滑坡區(qū)域地質要素的空間形態(tài)的點集和拓撲關系通過數(shù)據(jù)庫表存儲在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，主要包括滑坡形態(tài)、地質構造、鉆孔和剖面信息、人類工程要素等。用戶可在線通過點擊三維模型上的地物圖表查看相關地理信息。

1.3.2 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)在線實時查看和預警速報

基于三維幾何模型和地質災害數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能框架提供對歷史數(shù)據(jù)的存儲、處理、分析與查詢界面，可以對地質災害與防治項目監(jiān)測數(shù)據(jù)、模型及其運行狀態(tài)的歷史記錄進行趨勢(圖)分析。結合監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，對三維滑坡穩(wěn)定性進行基于ANSYS的有限元分析，為滑坡穩(wěn)定性評價提供決策信息。

1.3.3 滑坡體動態(tài)變化模擬

圖7 地質災害變量字典E-R圖Fig.7 E-R diagram of tag dictionary of geological disaster

將初期的BIM模型簡化處理，通過ANSYS劃分得到有限元網(wǎng)格。將網(wǎng)格節(jié)點信息導入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化和模型有限元計算的結果反饋到模型數(shù)據(jù)庫中；通過對模型數(shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)迭代、增量處理和模型重構，建立三維模型動態(tài)反饋機制，實現(xiàn)滑坡三維模型的動態(tài)變化和協(xié)同。

綜上所述，導入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三維模型具有數(shù)字化、可視化、動態(tài)化和協(xié)同反饋等特點[9]，符合BIM的特點。

2 工程應用

2.1 工程概況

松潘滑坡位于松潘隧道進口端右側斜坡上，滑坡體呈長舌狀向南西展布，滑坡軸向長約370 m，寬70～230 m，厚5～30 m，體積約86×104m3，為大型中層-厚層堆積層滑坡；組成滑坡的物質成分以粉質黏土、粗角礫土為主，石質成分為砂巖、炭質板巖，滑床下部為上三疊統(tǒng)新都橋組炭質板巖、砂巖?；履壳疤幱诜€(wěn)定狀態(tài)。由于線路從古滑坡前緣地段通過，工程施工易引起古滑坡復活或局部坍塌，引起整個斜坡失穩(wěn)滑動，需對該滑坡進行安全監(jiān)測。圖8為滑坡區(qū)域工程地質平面圖。

2.2 松潘滑坡BIM模型

根據(jù)現(xiàn)場的勘察報告和圖件資料，按照前述三維地質建模過程，利用CATIA軟件建立了松潘滑坡區(qū)域三維地質模型，將模型空間幾何信息導入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在瀏覽器中重構滑坡地質模型(圖9)。

圖8 滑坡區(qū)域工程地質平面圖Fig.8 The engineering geological plan of landslide area

BIM三維監(jiān)測模型的主要功能如下。

2.2.1 滑坡區(qū)域工程地質信息查看

BIM模型即三維幾何模型與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結合。BIM滑坡監(jiān)測模型除反映地形地貌和地質構造信息外，通過點擊三維模型上的鉆孔或者測線圖標，還可查看鉆孔信息、剖面信息等其他地質要素，支持虛擬鉆孔和任意角度剖切地質體模型。

2.2.2 現(xiàn)場監(jiān)測信息展示

圖9 瀏覽器中的BIM滑坡模型Fig.9 BIM landslide model in browser

圖10 現(xiàn)場監(jiān)測儀器布置方案Fig.10 On-site monitoring instrument layout

圖11 測斜數(shù)據(jù)圖表Fig.11 Inclinometer data chart

根據(jù)現(xiàn)場實際工程條件，采用滑坡體表面位移監(jiān)測、深部位移監(jiān)測和滑坡體下滑推力監(jiān)測相結合的方法制定監(jiān)測方案。通過Internet可在三維模型上查看現(xiàn)場監(jiān)測情況，圖10為現(xiàn)場傳感器埋設情況。在三維地質模型上通過放大和旋轉操作，可方便地查看監(jiān)測儀器的空間布置情況。圖11為點擊某固定測斜儀得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表。圖12為實際勘測資料中2號測線對應的剖面圖。

圖12 勘察圖件中的2號測線剖面圖Fig.12 The No.2 line profile in investigation map

圖13為點擊2號測線剖切得到的剖面圖，可見三維模型剖切圖在表征地質構造方面更加直觀，可視化程度高。圖14為點擊某鉆孔圖標得到的三維模型上的某鉆孔信息。

圖13 三維模型 2號測線剖面信息Fig.13 The No.2 line profile of 3D model

圖14 三維模型上某鉆孔信息Fig.14 The drilling holes information of 3D model

2.2.3 滑坡體動態(tài)變化模擬

圖15 ANSYS簡化處理的三維模型網(wǎng)格Fig.15 Three-dimensional model grid of simplified ANSYS

圖16 Y方向位移云圖Fig.16 Y direction displacement cloud

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和原有的力學參數(shù)，圖15為后臺ANSYS有限元法劃分得到的滑坡體網(wǎng)格。ANSYS有限元分析和計算過程不在此詳述?；麦w穩(wěn)定性因素達到預警閾值時，通過有限元分析計算得到網(wǎng)格節(jié)點位移信息。如圖16為ANSYS計算結果Y方向位移云圖，圖17為部分網(wǎng)格節(jié)點位移數(shù)據(jù)。通過更新節(jié)點位移數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)BIM模型的協(xié)同變化；當節(jié)點位移持續(xù)增大，可看到BIM滑坡模型滑坡邊緣產生微小裂縫。圖18為根據(jù)結點位移數(shù)據(jù)得到的滑坡體失穩(wěn)后的狀態(tài)模擬。

圖17 部分節(jié)點位移變化數(shù)據(jù)信息Fig.17 Partial displacement node data

圖18 滑坡體失穩(wěn)滑動后狀態(tài)Fig.18 State of landslide after sliding

綜上，結合滑坡體工程地質信息和現(xiàn)場監(jiān)測信息，將有限元計算結果用于BIM模型數(shù)據(jù)庫的動態(tài)更新，實現(xiàn)了BIM地質模型與云計算平臺的關聯(lián)[10]。進而在瀏覽器中實現(xiàn)了BIM滑坡地質災害模型的動態(tài)可視化。

3 結 論

地質災害監(jiān)測是一個長期的系統(tǒng)工程，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，利用傳感器進行長期的自動化精密監(jiān)測具有諸多優(yōu)勢[11-12]。本文以地質災害監(jiān)測云服務平臺為基礎，將BIM模型應用于地質災害監(jiān)測中。在地質災害監(jiān)測的全生命周期內，不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實時監(jiān)測預警，而且實現(xiàn)了根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)變化的三維地質模型的協(xié)同動態(tài)變化，體現(xiàn)了BIM模型的可視化、協(xié)調性、模擬性等特點。

在基于BIM建模的地質災害監(jiān)測預警系統(tǒng)中，由于滑坡成因類型的多樣性和復雜性，基于ANSYS的三維滑坡穩(wěn)定性有限元分析未實現(xiàn)全智能化，需要專業(yè)地質人員進行建模處理。在監(jiān)測系統(tǒng)中，實現(xiàn)滑坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬的半智能化具有十分重要的意義。

[1] 王威,王水林,湯華，等.基于三維GIS的滑坡災害監(jiān)測預警系統(tǒng)及應用[J].巖土力學,2009,30(11):3379-3385. Wang W, Wang S L, Tang H,etal. Application of 3-D GIS to monitoring and forecast system of landslide hazard[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009,30(11): 3379-3385. (in Chinese)

[2] 黃健,巨能攀,何朝陽,等.基于新一代信息技術的地質災害監(jiān)測預警系統(tǒng)建設[J].工程地質學報,2015,23(1):140-147. Huang J, Ju N P, He C Y,etal. Establishment of early geohazard warning system using modern information technology [J]. Journal of Engineering Geology, 2015, 23(1): 140-147. (in Chinese)

[3] 黃露,謝忠,羅顯剛.地質災害監(jiān)測預警信息共享機制研究[J].測繪科學,2016,215(5):55-59. Hang L, Xie Z, Luo X G. Study on geological disaster monitoring and warning information sharing mechanism [J]. Science of Surveying and Mapping, 2016, 215(5): 55-59. (in Chinese)

[4] 張紹華,焦毅,陳鋼.支持協(xié)同治理的BIM云平臺建模與架構研究[J].計算機工程,2016,42(11):1-9. Zhang S H, Jiao Y, Chen G. BIM collaborative governance cloud platform modeling and framework [J]. Computer Engineering, 2016, 42(11): 1-9. (in Chinese)

[5] Mei G, Bordogna G, Xu H. Summary on several key techniques in 3D geological modeling[J]. The Scientific World Journal, 2013, 2014(5), Article ID 723832.

[6] 喬世范,謝濟仁,郭麒麟,等.CATIA-FLAC～(3D)耦合建模方法及其應用[J].土木建筑與環(huán)境工程,2014,36(4):63-68. Qiao S F, Xie J R, Guo Q L,etal. Analysis of the coupling modeling method with CATIA-FLAC3Dand its application[J]. Journal of Civil, Architectural and Environmental Engineering, 2014, 36(4): 63-68. (in Chinese)

[7] 趙樂.地籍時空數(shù)據(jù)庫設計及應用[D].杭州：浙江大學檔案館,2007. Zhao L. Study on the Design and Application of the Cadastral Spatio-temporal Database [D]. Hangzhou: The Archive of Zhejiang University, 2007. (in Chinese)

[8] 李犁.基于BIM技術建筑協(xié)同平臺的初步研究[D].上海:上海交通大學檔案館,2012. Li L. The Preliminary Research on Building Collaborative Platform Based on BIM [D]. Shanghai: The Archive of Shanghai Jiaotong University, 2012. (in Chinese)

[9] 劉建永,王源,蔡立艮,等.滑坡地質災害無人監(jiān)測預警平臺設計[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2016,17(1):38-42. Liu J Y, Wang Y, Cai L G,etal. Design of unmanned monitoring and early warning platform of landslide geological hazard[J]. Journal of PLA University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2016, 17(1): 38-42. (in Chinese)

[10] Chen H M, Chang K C, Lin T H. A cloud-based system framework for performing online viewing, storage, and analysis on big data of massive BIMs[J]. Automation in Construction, 2016, 71(1): 34-48.

[11] 陶占盛,王新民,吳志強,等.基于組合權重的汛期地質災害預警預報模型[J].吉林大學學報(地球科學版),2014,44(6):2010-2015. Tao Z S, Wang X M, Wu Z Q,etal. Warning and forecasting model of flood geological hazards based on combined weight method[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2014, 44(6): 2010-2015. (in Chinese)

[12] 張桂榮,殷坤龍,劉禮領,等.基于WEBGIS和實時降雨信息的區(qū)域地質災害預警預報系統(tǒng)[J].巖土力學,2005,26(8):1312-1317. Zhang G R, Yin S L, Liu L L,etal. A real-time regional geological hazard warning system in terms of WEBGIS and rainfall[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(8): 1312-1317. (in Chinese)

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《成都理工大學學報(自然科學版)》編輯部

3D monitoring of landslide geological disaster and its application based on BIM

ZHANG Chang1, CHEN Zhiwen1, WEI Meng1, HUANG Jun2

1.CollegeofGeophysics,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China; 2.CollegeofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu611756,China

A method for 3D monitoring over landslide geological disaster based on BIM is proposed. Firstly, the 3D geological model of the landslide is built by using CATIA software , and the 3D spatial point set and topological relation of the model are stored in the database. Then, the change of the monitoring data and the result of the finite element calculation are fed back to the model database on the basis of cloud computing framework. By the real time data iteration of geometric model database, incremental data processing and model reconstruction, the geological disasters of BIM model dynamic feedback mechanism is established, and the dynamic change and coordination of 3D landslide model is achieved.

BIM; three-dimensional modeling; landslide; monitoring

10.3969/j.issn.1671-9727.2017.03.12

1671-9727(2017)03-0377-08

2016-08-11。

四川省戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展專項資金項目(SC2013510109139)； 四川省科技支撐項目(2015GZ0121)。

張菖(1988-),男,碩士研究生,研究方向：地質災害防治, Email:zhangchang1989@foxmail.com。

X84; P642.22

A