摘要 針對巖土工程數字孿生技術，介紹了國內外數字孿生、三維地質建模、建筑信息模型(BIM)、仿真模擬與巖土專業計算等相關問題的發展現狀，明確了多源異構數據融合、多維信息模型構建、地質體模型和結構體模型一體化集成與應用等方面的薄弱環節，提出了以理論創新為指引、以數據融合為基礎、以模型集成為核心、以專業分析為出口、以平臺建設為抓手的推動巖土工程數字孿生技術發展的研究思路，并從巖土工程數字孿生理論與方法、基于工業基礎類(IFC 標準)的巖土工程數據結構擴展、設計施工一體化統一 BIM 模型構建、設計施工協同仿真計算和多維度物聯網感知與數據融合等五個方面系統闡述了未來的重點研究方向。

　　關鍵詞 數字孿生;三維地質建模;BIM 技術;IFC 標準;雙核一體

　　近年來，隨著社會經濟發展與城市化進程加快，我國正經歷著世界歷史上規模最大、速度最快的城鎮化進程。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，基礎設施建設規模跨越式發展，給巖土工程提出了更高要求，催生精細化管理，促進信息化建設，推動數據量爆發式增長。大型巖土工程具有投資規模大、建設周期長、風險性高、隱蔽性強、施工環境復雜等特點，傳統項目管理模式和技術手段難以滿足現代巖土工程信息化發展的需求，造成數據孤立化、信息孤島化、模型多元化、應用離散化等突出問題，迫切需要研究和利用新的信息技術，推動智慧建造，提升管理水平。當今世界面臨百年未有之大變局，以云計算、大數據、物聯網、人工智能、區塊鏈、數字孿生(Digital Twin)為代表的新一代信息技術推動新一輪產業變革，人類正在進入一個以數字化為中心的全新階段。巖土工程建設應當抓住機遇，不斷推進高質量發展，提升自主創新能力和尖端技術應用能力。

　　數字孿生技術是實現信息物理融合的有效手段，通過數據和模型雙驅動，構建虛擬模型反映真實物理世界中實體的全生命周期狀態，實現全過程仿真、預測、監控和優化。為應對巖土工程面臨的地質條件多樣化和建設環境復雜化的挑戰，滿足勘察數字化、設計交互化、建造虛擬化、決策智能化、監控網絡化、性能優越化的發展需求，迫切需要將數字孿生技術引入到巖土工程領域。創建巖土工程數字孿生模型，建設虛實結合的數字孿生環境，發展巖土工程數字孿生核心技術體系，實現巖土工程數字化設計、協同化建造、動態化分析、可視化決策和透明化管理，有效提升巖土工程建設管理水平，深化巖土工程數字化轉型升級，具有巨大的發展潛力和廣闊的應用前景。

　　1 國內外發展現狀

　　數字孿生起源于工業制造領域，隨著三維建模、虛擬現實、計算仿真、物聯網、大數據等關鍵使能技術的交叉融合而發展壯大。三維模型作為連接物理實體與虛擬實體的入口，是建立數字孿生體的基礎和關鍵所在。在巖土工程領域，三維地質建模技術運用地質統計學、空間分析和預測技術構建地質體空間模型，并進行地質解釋。在建筑工程領域，BIM(Building Information Modelling)是創建和使用三維建筑信息模型的數字化技術與工具，通過國際通用的、開放的數據標準 IFC(Industry FoundationClasses)，集成建筑工程項目的各類信息，構建三維數字化模型，應用于建筑規劃設計、施工建造和運營管理的各個階段，實現不同專業之間的協同作業[1,2]。BIM 技術在建筑工程行業的成功經驗帶給我們啟示[3]，結合 BIM 技術和三維地質建模技術，用于巖土工程數字孿生模型的構建，實現虛實空間協作運轉，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字化建設的新路徑，開拓出一種巖土工程信息化的創新性實踐模式。

　　1.1 數字孿生數字孿生概念

　　最早由美國密歇根大學 MichaelGrieces 教授于 2003 年前后提出[4]，2011 年左右逐漸進入人們視野，在航空航天領域嶄露頭角。美國航天局通過構建與真實飛行器一樣的虛擬飛行器模型，利用傳感器實現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，輔助駕駛員做出正確決策[5,6]。在此基礎上，美國空軍研究室首次提出了數字孿生的定義：數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、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，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。隨著工業 4.0 相關戰略的不斷出臺，數字孿生技術得到各方的普遍關注[7]。近年來，達索、通用電氣、西門子等工業巨頭紛紛布局數字孿生業務，宣傳和使用數字孿生技術[8]。英國國家基礎設施委員會于 2017 年 11 月提出創建一個與國家基礎設施相對應的數字孿生體，并于 2019 年 1 月啟動。

　　從2016 年起，Garter 公司連續 4 年將數字孿生列為當年十大戰略科技發展趨勢之一[9]。目前數字孿生技術在產品設計[10]、智能制造[11]、醫學分析[12]、工程建設[13]等多個領域得到廣泛應用，大大推動了工業界的智能制造發展，促進了產業升級[14]。國內對數字孿生的研究也取得了豐富的成果，北航研究團隊提出了數字孿生五維模型，從物理實體、虛擬實體、服務、孿生數據以及連接等五個層面闡述了數字孿生模型的組成架構和應用準則[15,16]。北京理工團隊結合數字孿生發展背景，提出了產品數字孿生體的內涵以及體系結構，豐富了數字孿生技術的概念[17]。

　　在我國 2020 年圓滿完成任務的嫦娥五號上也使用了數字孿生技術，通過對嫦娥五號航天器進行數字孿生仿真，加載遙測數據，實現航天器工作狀態監測、多維遙測數據可視化分析等功能，助力科研工作者實時掌握月表采集情況。在基礎設施建設中，鄭偉皓立足公路交通設施模型，提出了基于數字孿生的建模方案和一套標識編碼方案[18];朱慶為了解決川藏鐵路建設過程中的多源異構信息，制定了面向數字孿生川藏鐵路的編碼規則[19];Chao[20]提出了災害數字孿生范式的設想，David[21]也設想利用數字孿生技術增強災害管理水平。在新冠疫情期間，中南建筑設計院利用數字孿生技術規劃和設計了聞名世界的武漢雷神山醫院，助力醫院快速建成和安全使用[22]。綜上所述，數字孿生是在新一代信息技術與制造業深度融合、推動制造業生產方式向數字化和智能化方向加速邁進的時代背景下誕生的，通過不斷創新，逐步成為新一輪科技革命中各行各業、特別是制造業加快數字化轉型的重要驅動力量。

　　數字孿生以數字化方式創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，構建平行世界，是一個對物理世界進行數字化解構、并在虛擬世界進行數字化重構的過程[16]。數字孿生以數據為紐帶實現信息和物理系統的系統集成，以控制算法與模型為核心實現虛實實體間的知識交互與迭代優化。因此，數字孿生落地的關鍵是“數據+模型”。模型是數字孿生的重要組成部分，是實現數字孿生功能的重要前提。相對于制造業而言，巖土工程領域中的數字孿生技術研究還比較少，尚屬一片“新領地”、“無人區”。因此，結合巖土工程特點，引入數字孿生技術，聚焦巖土工程數字孿生模型的構建，推動巖土數字孿生體的專業化應用，探索新型巖土工程數字化建設路徑和實踐模式，還有大量細致的工作需要開展，更需要在理論上有所創新，技術上有所突破。

　　1.2 三維地質建模

　　巖土工程既是建筑工程，又是地質工程。巖土工程中的兩個核心要素是地質體與工程結構體，兩者交融共生，相依相存，相克相制，相互作用，相互影響。地質體既是巖土工程結構體的載體，又是巖土工程施工改造的對象;工程結構體對地質體進行補強加固和支撐保護。巖土工程信息化的發展與三維地質建模技術的發展相輔相成，巖土工程中的三維地質建模技術的發展促進了巖土工程信息化，巖土工程信息化日益增長的需求推動著三維地質建模技術的進步[23]。1993 年，加拿大學者 Houlding 最早提出了三維地質建模的概念[24]。

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

　　國內巖土工程中的三維地質建模技術雖然起步較晚，但是近些年也得到了迅猛發展。中科院地質所提出了局部間斷擬合函數，實現工程地質結構及邊坡工程開挖的三維模擬和再現[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，搭建了三維地質建模系統[31];中國地質大學朱良峰、陳國良等研發了基于三角網和交叉剖面的多種建模方法和系統[32,33];天津大學鐘登華等采用混合數據結構實現了地形類、地層類、斷層類、界限類 4 類地質對象的擬合構造與幾何建模，研發了針對水利水電工程的建模與分析系統[34];陳麒玉提出了一種基于多點地質統計學的三維地質建模方法[35];郭甲騰等發展了基于機器學習的隱式三維地質建模方法[36];杜子純等建立了一種基于地層沉積順序的統一地層序列方法,進行城市三維地質建模[37];冉祥金基于 CGAN 神經網絡，提升了區域三維地質建模的智能化水平[38];李明超等提出了基于 NURBS 的參數化地質建模方法[39];李建等建立了多源數據融合的規則體元分裂三維地質建模方法[40];梁棟引入貝葉斯和Copula 等不確定性分析方法，提高了三維地質模型的精確度[41]。

　　然而，現有巖土工程中的三維地質模型更多應用于可視化，不能和巖土工程結構模型進行深入融合和有機協作，難以發揮三維地質模型的利用價值和作用。因此，基于數字孿生理念，考慮三維地質體與工程結構體的特點，深化理論認知水平，探索幾何拓撲一致的數據模型，設計數據融合共享機制，發展三維地質體與工程結構體的自洽整合算法，實現巖土工程耦聯體的數據聯動、模型協動、虛實互動，構建巖土數字孿生體的系統底層架構和基礎數據體系，是巖土數字孿生模型研究中亟待解決的理論問題。

　　1.3 BIM 技術

　　BIM 是一種創新理念與方法，自提出以來已席卷全球工程建設行業，引發工程建設領域的第二次數字革命，推動建筑相關行業轉型升級[42,43]。美國國家建筑信息建模標準給出了 BIM 的定義：BIM 是設施物理和功能特征的數字表示，是一種共享的知識資源，用于提供有關設施的信息，為其生命周期內的決策提供可靠的基礎[44]。國外在研究和應用 BIM 技術方面起步較早，美國、歐洲、日本、新加坡等國的 BIM 技術應用比較廣泛。BIM 進入中國后，逐步得到了建筑領域的關注，政府和行業協會對 BIM 的研究和應用也十分重視。

　　2020 年住房和城鄉建設部、國家發展改革委、科技部等 13 部門聯合印發了《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》，要求在建造全過程加大 BIM 等新技術的集成與創新應用，提升建筑工業信息化水平[45]。BIM 技術以三維數字技術為基礎，構建數據化、智能化建筑信息模型，應用于工程的全生命周期[46]，有效實現各專業之間的協同設計和各工種之間的協同作業[47-49]，提高工作效率[50]，降低施工風險[51]，在建筑工程領域已經得到了廣泛的應用并取得了巨大的成功。

　　近些年來，BIM 技術在隧道工程、基坑工程、水電工程等巖土工程相關行業中也得到了快速的應用，有效促進了巖土工程信息化的發展。在隧道工程方面，Cho 等針對新奧爾良法隧道，基于參數化建模方法，提出了標準化全斷面隧道BIM 族庫的構建方法[52];李曉軍等提出了山嶺隧道結構 BIM 多尺度建模與自適應拼接方法，并利用Revit 軟件建立了隧道結構標準段與特殊段參數化模型單元[53];鐘宇[54,55]、Koch[56]、劉曹宇[57]等利用BIM 技術進行了參數化建模，構建了盾構隧道模型。在基坑工程方面，郭柯蘭結合神經網絡模型和 BIM模型，識別基坑工程風險因素，對基坑工程進行風險量化研究[58]。在水電工程方面，譚堯升基于 BIM技術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了數字化管控[59]。在其他與巖土工程相關工程中，BIM 技術也得到了應用[60,61]。

　　針對巖土工程中的地質體，一些學者也嘗試利用 BIM 技術進行三維地質建模[62,63]。Zivec 和 Zibert 采用 BIM 建模技術為隧道項目創建三維地質模型，基于該模型進行了地質結構推斷、巖體描述和調查規劃[64];饒嘉誼基于 Revit 軟件二次開發，利用鉆孔數據構建三維巖土體模型[65];錢睿依托 Civil 3D 軟件進行二次開發，構建煤層三維地質模型[66];錢驊在 CATIA 軟件的基礎上，利用VB 編程開發了適用于水利水電行業的三維地質建模平臺[67];蘇小寧基于 CATIA 軟件構建了公路隧道三維地質模型[68]。

　　綜上所述，BIM 技術廣泛應用于建筑行業，在巖土工程中的研究也在快速發展，應用于構建巖土工程結構模型或者地質模型，但由于地質模型和結構模型的組織方式和構建方法存在顯著差異，BIM技術尚難以構建復雜地質體模型。總體而言，雖然在高層建筑工程方面，BIM 技術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，難以真正實現復雜地質體和工程結構體的一體化集成，亟待開展針對性的研究。因此，將 BIM 技術真正落地于巖土工程，基于幾何拓撲一致的底層數據模型，融合工程結構體和復雜地質體，研發兩者協同共享的巖土工程耦聯體建模技術，構建與物理實體孿生并行、精準映射的 BIM 模型，形成巖土數字孿生體的建模方法體系，是迫切需要突破的技術瓶頸。

　　1.4 仿真模擬與專業分析

　　在巖土工程中，通常會利用 Abaqus、Ansys、Plaxis、FLAC 3D 等數值模擬軟件構建計算模型，對隧道[69]、邊坡[70]、路基[71]等工程等進行力學計算，分析復雜巖土體和工程結構體的相互作用機制與變形演化規律，評價工程安全性和穩定性。近年來，隨著 BIM 技術在巖土工程中的逐步應用，學者們開始關注 BIM 模型與數值計算模型的轉換與融合問題。封大為分析了 Revit 軟件和 Ansys 軟件的特點，利用 Revit API 接口開發程序進行 Revit 與 Ansys 之間的數據轉換，實現了 BIM 結構模型可計算[72];宋杰[73]、劉彥凱[74]基于 Revit，將 BIM 模型信息和力學參數提取出來轉換成 Ansys ADPL 命令流，進行力學計算。王玄玄提取 BIM 模型中的幾何尺寸、材料參數等數據，并自動對模型進行網格劃分，生成INP 文件，打通了 Revit 與 Abaqus 之間的數據壁壘[75]。

　　清華大學胡振中團隊基于 IFC 標準提取 BIM 結構模型信息，研發了基于 BIM 的統一數據轉換平臺，實現了 BIM 模型數據向有限元(FEM)分析模型的轉換[76-78]。上海交大鄧雪原團隊打造了基于 IFC 標準的數據交換平臺，將 BIM 結構模型信息轉換成對應數值分析軟件的數據模型[79]。上述研究推動了 BIM模型進行數值計算與力學分析的發展，美中不足的是這些研究只是針對 BIM 結構模型。對于巖土工程而言，地質模型是不可或缺的一部分。Fabozzi 采用 Bentley 系列軟件分別構建了隧道結構模型和三維地質模型，通過 CAD 文件格式導入至 Plaxis 有限元軟件，劃分網格后進行數值計算[80]。Alsahly 探討了 BIM FEM 的工作流程，將地質模型和隧道結構模型轉換成 ACIS 數據格式，導入有限元軟件中進行網格劃分和力學分析[81]。

　　Ninić結合多級仿真的概念，研究了 BIM 模型到仿真計算軟件的流程[82]。姚翔川利用 Revit 構建地質模型和結構模型，將其轉換成 Ansys 及 FLAC 計算模型，在 Ansys 中劃分網格后導入 FLAC 3D 進行計算[83]。以上研究在進行巖土工程數值模擬和力學分析時雖然考慮了基于 BIM 技術構建的工程結構模型和地質模型，但是，無論是從模型的精細程度來講，還是從兩種模型的融合程度而言，都難以達到大規模精細化的巖土工程計算要求，尤其是對于施工過程中出現的地質動態變化引起的設計變更問題，尚缺乏有效的數值模型更新和計算網格劃分手段，難以滿足巖土工程數字化設計和動態化反饋分析的需求。因此，基于 BIM 技術定制巖土工程耦聯體模型，考慮數值分析的計算網格要求，研發確保地質體和結構體模型拓撲一致性的計算網格剖分方法，是拓展巖土數字孿生體數值計算功能的關鍵所在。

　　1.5 存在的問題和不足之處

　　綜合以上國內外研究現狀可知，國內外學者針對數字孿生技術、三維地質建模、BIM 建模、仿真模擬與巖土專業計算等相關問題，進行了廣泛、深入和系統的研究，提出了眾多的新理論、新方法、新技術，取得了豐富的研究成果，為巖土工程數字孿生技術的研究和發展奠定了堅實基礎，提供了可資借鑒的經驗。但是，在多源異構數據融合、多維信息模型構建、地質體模型和結構體模型一體化集成與應用等方面的研究還不夠系統深入，尚存在一些薄弱環節和不足之處，主要表現為以下幾個方面：

　　(1) 巖土工程數字孿生模型缺少理論體系指導。數字孿生涉及領域廣，集成難度高，各應用領域各自為戰，缺乏通用基礎技術底座。當前巖土工程領域的數字孿生研究相對較少，缺少通用準則和理論體系來參考和指導。

　　(2) 巖土工程數據標準化程度低，協同基礎薄弱。由于缺乏統一的標準，大體量多維模型數據、多尺度、多時相、多場景的巖土工程數據格式差異顯著，數據融合壁壘重重。

　　(3) 三維地質模型和結構模型的集成共享面臨難題。兩種建模技術之間缺乏統一的空間數據模型和數據集成標準，建模方式也有所不同，導致一致性差、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。三維地質模型的數據表達與BIM模型中的IFC標準也存在較大的差異，難以與 BIM 結構模型實現數據集成和信息共享，導致 BIM 軟件體系在實際應用中不能有效融合與利用地質模型。

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

　　(5) 巖土工程全生命周期信息化管理過程缺乏統一平臺。目前巖土工程領域的信息平臺很多，主要用于巖土工程的可視化、施工安全與質量、施工資源與成本、監測信息、施工進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，促進了巖土工程信息化的發展。但是大多數平臺僅用于項目建設的某個階段，在全生命周期中的應用不足，且在真正優化設計和指導施工上還需要進一步擴展。面向巖土工程信息化需求，針對國內外研究的薄弱環節和不足之處，以理論創新為指引，以數據融合為基礎，以模型集成為核心，以專業分析為出口，以平臺建設為抓手，推動巖土工程數字孿生技術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 巖土工程數字孿生理論與方法

　　數字孿生的主要理論淵源和基礎是：系統工程及系統建模與仿真理論、現代控制理論、模式識別理論、計算機圖形學和數據科學。從巖土工程的視角來看，針對地質體建模的不確定性，有必要引入土性隨機場理論，客觀模擬地層邊界和土性參數的空間變異性，建立準確反映自然規律的三維地質模型[84,85];針對三維地質模型和結構模型的集成共享難題，更迫切需要發展“雙核一體”理論，即以復雜地質體與工程結構體為核心要素，以巖土工程耦聯體為關鍵主體，以耦聯拓撲數據模型為底層數據結構，構建由三維地質體模型與工程結構體模型一體化集成的工程耦聯體模型，實現工程地質體模型與工程結構體模型一體化，形成面向巖土工程數字孿生技術的“雙核一體”理論[86]。

　　土性隨機場理論為表征地層界面和地質結構的不確定性、土性參數的空間變異性提供理論方法，為應用地質數字孿生體推演分析復雜條件下的巖土工程性能演化規律、提升機理認知水平提供堅實基礎和技術支撐。“雙核一體”理論以新型拓撲數據模型為底層數據結構，解決地質體模型和工程結構體模型的差異與不兼容難題;以 IFC 標準作為數據信息交換的標準體系，構建統一的巖土工程數字孿生模型基礎數據體系;以 BIM 技術作為基礎數據信息的載體，利用 BIM 技術構建巖土工程數字孿生模型。土性隨機場理論和“雙核一體”理論為巖土工程數字孿生體的構建奠定理論基礎，提供理論指導，支撐巖土工程數字孿生模型實現數據管理、模型表達、仿真模擬、情景推演、智能預測、決策自治等應用。

　　2.2 基于 IFC 標準的巖土工程數據

　　結構擴展在雙核一體理論的基礎上，如何實現模型數據的集成與共享是一個亟需解決的難題。考慮到 BIM技術中的 IFC 標準可以用于表達模型全生命周期的數據信息，而且是國際通用、中立的數據標準。因此，基于雙核一體理念，遵循 IFC 標準，利用其良好的可擴展性，設計面向巖土工程數字孿生模型的數據結構和空間數據組織，定義模型對象的拓撲關系，建立巖土工程數字孿生體的語義數據表達和模型數據體系架構，是未來巖土工程數據融合和擴展的重點研究內容。對三維地質體和工程結構體數據模型進行統一的定義和表達，支持兩類模型融合的幾何解析和拓撲重構，可以有效克服地質體和結構體模型數據來源存在的壁壘，實現巖土工程數據融合，以此作為實現巖土工程數字孿生建模的基礎。

　　2.3 設計施工一體化統一

　　BIM 模型構建考慮三維地質體和工程結構體模型對象特征的獨特性，針對統一的數據結構，采用離散數學和連續數學相結合的方法，形成以 BIM 技術為支撐的巖土工程核心要素建模方法和巖土工程數字孿生體構建關鍵技術，盡可能的保證地質體模型和結構體模型能準確表達對象特征。以設計施工 BIM 信息模型構建技術為突破點，發展自洽整合算法，實現地質體和結構體模型的一體化集成，從技術層面解決三維地質體和工程結構體兩類模型的融合集成，實現巖土工程規劃、設計、施工、運營的一體化管控，將成為未來的重點研究方向。

　　3 結論

　　迄今為止的研究成果和技術積累，已經為巖土工程數字孿生技術的發展奠定了良好基礎，為解決巖土工程數字信息化集成度不高、多源異構數據融合困難、信息模型應用不夠深入、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儲備和科技支撐。未來，基于當前研究中出現的問題和不足，結合巖土工程數字孿生技術的實際需求，開展創新性理論探索，攻克關鍵技術瓶頸，聚焦巖土工程數字孿生模型的構建，發展基于物聯網的巖土工程實時監測和數據融合技術，提升設計施工協同仿真計算能力，推動巖土工程數字孿生模型的專業化應用，推進巖土工程的數字化、智能化建設進程。相信在不久的將來，數字孿生關鍵技術一定會取得重大突破，其在巖土工程領域的應用也一定會獲得更大發展。

　　參 考 文 獻

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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