基于BIM技术的岩土工程信息模型数值计算功能实现方法

吴佳明， 戴林发宝， 薛光桥

(1. 中铁第四勘察设计院集团有限公司隧道设计研究院， 武汉 430063； 2. 水下隧道技术国家地方联合工程研究中心， 武汉 430063； 3. 华中科技大学土木与水利工程学院， 武汉 430074)

在全国大力发展数字化、信息化技术的浪潮中，建筑信息模型(building information modelling, BIM)等新技术在基础设施建设全过程中的集成与创新应用得到了大力发展。着眼于岩土工程行业，与BIM技术的深度融合已成为大势所趋。当前基于BIM技术构建的岩土工程信息模型更多地应用于可视化展示，一直没能深入到岩土工程的实际应用当中，特别是三维地质模型，未能与在数值计算功能深度融合，不能直接用于岩土工程专业分析，降低了信息的利用价值和应发挥的作用。

在传统岩土工程中，通常利用FLAC 3D、Abaqus、Ansys等数值模拟软件构建模型，对隧道工程、边坡工程等岩土工程项目进行力学分析，从而评价项目的安全性和稳定性[1-3]。在对这些项目进行计算时，往往都会对地层和结构单元进行概化，使其方便进行数值计算[4]。对于相对比较复杂的地质模型，经常会利用一些前处理软件如Ansys[5]、闫龙等[6]进行模型的构建并进行网格划分。对于基于BIM技术构建的岩土工程信息模型，如何与力学分析结合，充分发挥岩土工程信息模型的作用，是我们需要思考的问题。

针对基于BIM技术构建的精细化结构模型，封大为[7]分析了Revit软件和Ansys软件的特点，利用Revit API接口开发程序进行Revit与Ansys之间的数据转换，实现了BIM结构模型可计算；宋杰等[8]也基于Revit，把模型信息和力学参数信息提取出来转换成Ansys ADPL命令流，进一步进行力学计算。王玄玄等[9]提取Revit中几何尺寸、材料参数等Abaqus中力学分析必需的数据，并自动对模型进行网格划分，生成INP文件，打通了Revit与Abaqus之间的数据壁垒。Hu等[10-11]基于IFC(industry foundation classes)标准提取了BIM结构模型中的信息，研发了基于BIM的统一数据转换平台，实现了BIM模型数据向有限元分析模型的转换。Lai等[12]基于IFC标准提取了BIM结构模型信息，研发了中间交换平台，将提取信息转换成对应分析软件的数据模型。

上述研究从不同的角度推动了BIM模型进行数值分析的发展，但这些研究大多数只是针对BIM结构模型，对于岩土工程而言，地质模型是不可或缺的一部分。

Fabozzi等[13]采用Bentley系列软件分别构建了隧道结构模型和三维地质模型，通过.dwg格式导入至Plaxis软件，网格划分后进行数值计算。Alsahly等[14]形成了BIM-FEM的工作流程，将地质模型和隧道结构模型转换成ACIS(.sat)数据格式，进入有限元软件中进行网格划分和力学分析。Ninic’等[15]结合多级仿真的概念，研究了BIM模型到仿真计算软件的流程。姚翔川等[16]利用Revit构建地质模型和结构模型，将其转换成Ansys及FLAC计算模型，在Ansys中划分网格后导入Flac 3D计算。

虽然上述研究在进行岩土工程数值模拟和力学分析时考虑了采用BIM技术构建的工程结构模型和地质模型，但是无论是从模型的精细程度来讲，还是从两种模型的融合程度而言，目前都难以达到大规模精细化的岩土工程计算要求，缺乏有效的数值模型更新和计算网格划分手段，难以满足数字化设计和动态化反馈的需求。

因此，基于BIM技术构建岩土工程一体化模型，进一步考虑数值计算分析的网格要求，研发确保地质体和结构体模型拓扑一致性的计算网格剖分方法，实现岩土工程BIM模型向计算模型的数据和信息转换，拓展岩土BIM模型数值计算功能。

1 岩土工程BIM模型与计算模型转换总体框架

鉴于IFC标准是国际协同工作联盟发布的用于定义BIM模型的可扩展的统一数据格式，因此考虑利用IFC标准来进行BIM模型信息的交换与共享。钟宇等[17]、陈国良等[18]研究人员基于IFC标准实现了对部分岩土工程模型的扩展，方便了岩土工程信息模型的数据转换。

在这些研究基础上，分析BIM模型和计算模型的特点，采用C++语言及开源的IFC类库IFC++来进行IFC转换插件的开发，实现基于IFC标准的数据转换和信息共享，打通复杂岩土BIM模型向计算模型转换的关键环节。数据转换的流程如图1所示，主要的实现过程包括：①基于IFC开发数据接口实现了三维地质模型和结构BIM模型的集成，形成一体化的岩土BIM模型；②针对精细化BIM结构模型，采用等效刚度法对其进行概化，便于进行四面体网格划分和计算分析；③结合自主化研究的需求，引入开源TetGen程序，剖析TetGen四面体网格划分特点，进一步建立IFC模型与TetGen数据模型的映射关系，利用约束Delaunay四面体化算法，发展面向数值计算的BIM模型网格剖分技术；④基于IFC标准，实现四面体化后的模型向IFC模型的转换，便于向其他计算软件转换；⑤从单元信息、节点信息、分组信息3个方面，建立四面体网格模型与FLAC 3D模型的信息一一映射的关系，最终形成计算分析模型，实现岩土BIM模型与岩土工程通用数值分析软件之间的数据转换和信息交换。

图1 岩土工程BIM模型与计算模型转换过程Fig.1 Conversion process of BIM model and numerical model

2 计算驱动的BIM模型概化方法

基于BIM技术构建的结构体模型，真实重现了实际岩土工程中的结构体形态，能清晰直观地反映实际工程，给岩土工程信息化施工和管理带来了便利。但是鉴于基于BIM技术构建的结构体模型过于精细，给四面体网格划分和计算分析带来了不便，因此在进行岩土工程力学分析时需要对BIM模型进行概化。

针对基坑工程，在开挖前往往需要对基坑工程进行支护，常用的手段是浇筑钻孔灌注桩。当基坑工程规模较大时，钻孔灌注桩数量会达到上百根。利用BIM技术进行结构体建模时会按照真实情况精细化构建钻孔灌注桩模型，在研究面向岩土工程信息模型的仿真分析技术时，需要将钻孔灌注桩模型导入至计算软件中，鉴于钻孔灌注桩数量众多，会给四面体网格划分带来不便，也会造成计算单元数量过大，影响计算效率。因此，需要对基于BIM技术构建的钻孔灌注桩进行概化，鉴于钻孔灌注桩形成的排桩受力形式和地下连续墙类似，因此可以通过刚度等效的原则将钻孔灌注桩概化成地连墙。如图2所示，在基坑工程中，当打完钻孔灌注桩后，为了将钻孔灌注桩连接起来，同时为了做好防水工程，通常会在钻孔灌注桩之间构建旋喷桩，因考虑旋喷桩均为素混凝土构成，在进行等效分析时忽略旋喷桩。

图2 钻孔灌注桩和旋喷桩示意图Fig.2 Cast-in-place pile and jet grouting pile

针对钻孔灌注桩，采用等效刚度法，按照拉压刚度和弯曲刚度相等的原则，等效为一定厚度的地连墙，如图3所示为概化过程示意图。

图3 等效过程示意图Fig.3 The equivalent process

(1)

即

(2)

通过式(1)和式(2)，即可得到概化后的地连墙的宽度和弹性模量，可以确定地连墙的尺寸和力学参数，将基于BIM技术构建的精细化钻孔灌注排桩概化成简单的地连墙模型。

针对盾构隧道工程，结合力学分析需求，对基于BIM技术构建的精细化盾构隧道结构模型需要进行有针对性的概化。在关注盾构隧道开挖对周围土体影响时，需要提取BIM模型中的轴线信息和隧道的内外径信息，对盾构隧道进行概化，如图4所示。在对管片间的螺栓进行受力分析时，对BIM模型要求相对较高，需要利用精细化的模型。矿山法隧道也是如此，对锚杆、管棚等超前支护，需要提取信息概化成结构单元进行计算；针对复杂的初支、二衬等结构信息，只要提取其轮廓信息，利用等效刚度法进行概化。

根据力学分析需求，有针对性地采取模型概化技术，即可将基于BIM技术构建的精细化结构体概化成方便计算分析的简单模型，有利于提高计算效率。

3 面向数值计算的网格剖分技术

3.1 网络剖分实现

为了将三维模型进行网格剖分，考虑自主可控的需求，基于开源四面体网格生成程序TetGen进行三维模型的四面体网格的自动生成。TetGen可以对一个有边界约束的区域进行四面体剖分，并且符合Delaunay规则。三维模型网格的质量将极大地影响力学分析时数值解的精度和收敛性，而Delaunay三角形/四面体网格具有严谨的数学理论基础和优秀的几何特性，当把三维模型中的点集连成Delaunay三角形/四面体时，可以使模型的网格尽量饱满[19]。

给定一个三维分段线性复合形(piecewise linear complexes，PLC)(图5)，记为P，其中P集顶点、边、面和多面体为一体，内部不允许任何单体非法相交。进行四面体划分时需要输入三维PLC，如图所示，三维PLC由点、线、面组成，其中面上可能有空洞、裂隙等，也可能有单独的节点、线段等。TetGen的实际输入是曲面三角形网格，即对P的边界进行三角化处理后形成的二维单纯形。不是每个三维PLC都能四面体剖分，有时四面体剖分必须增加顶点(称为Steiner点)。

图5 PLC示意Fig.5 An example of PLC

3.2 四面体剖分简要过程

假设X是一个三维PLC，其中X顶点的Delaunay四面体剖分不一定包含X的边和面，由约束Delaunay四面体剖分(constrained delaunay tetrahedralization,CDT)是Delaunay四面体剖分的扩展，CDT不仅继承了Delaunay的优良数学基础理论，同时又兼顾了X的边、面等边界信息，更适合应用于数值计算中[20]。

结合图6对约束Delaunay四面体剖分进行描述：三维PLCX的顶点包括a、b、c、d、m、n，填充区为三维PLCX的包含a、b、c、m顶点的面F，m于a、b、c都是可见的。约束面F使得X中的两个顶点d、n分别分布在面F的两侧，由于面F的存在导致d、n之间不可见。a、b、c、d组成了一个四面体单元T，T包含于X中。四面体T存在唯一的外接球R，X的顶点n位于外接球R内，X的顶点m不在外接球R内，那么说明由a、b、c、d组成的四面体T符合约束Delaunay四面体剖分。在三维PLC存在狭长三角形时，利用约束Delaunay四面体剖分可以对其进行较好的处理，容易形成饱满的四面体网格单元，能更好地满足后续力学分析中对质量的要求。

图6 约束Delaunay四面体剖分示意Fig.6 Constrained Delaunay tetrahedralization

如果三维PLC X中的顶点形成的四面体T的外接球R不包含X的点，且这些点对于四面体T内部的任意点都是可见的，那么判定四面体T顶点在X内是符合约束Delaunay的。如果对于X中的每一个四面体剖分以及T中的每个四面体都符合约束Delaunay，则说明T是X的约束Delaunay四面体剖分。

3.3 四面体网格质量控制

鉴于地质体模型复杂多变以及结构体模型种类繁多，生成的一体化模型相对比较复杂，在进行四面体剖分后需要对一体化模型的网格进行判定。目前针对四面体网格形状判定的标准众多，常用的判定方式有长宽比、半径-边缘比和最小二面角3种方式[21]，下面对这3种公认有效的判定方式进行简要介绍。

如图7所示为a、b、c、d组成的一个四面体T，6条边分别为l0、l1、l2、l3、l4、l5，四条高分别为h0、h1、h2、h3，外接球半径为r。其中最长边为lmax=max(l0,l1,l2,l3,l4,l5)，最短边为lmin=min(l0,l1,l2,l3,l4,l5)，最小高度为hmin=min(h0,h1,h2,h3)。

(1) 长宽比。长宽比表示四面体T中最长边的长度lmax和最小高度hmin之间的比值，记为η(T)。

图7 约束Delaunay四面体剖分示意Fig.7 Constrained Delaunay tetrahedralization

(3)

(2) 半径-边缘比。半径-边缘比ρ(T)指四面体的外接球半径r与四面体最短的边lmin的比值，即

(4)

式(4)中：θmin为四面体T最小的面角。当四面体形状不太好时，会出现比较大的半径-边缘比或者存在一些薄片的情况，除此之外，半径-边缘比是一种行之有效的四面体形状判定方法。

(3) 最小二面角。四面体中的二面角指的是共用一条边的两个面之间的夹角。之前很多学者根据四面体的一些典型形状，经过分析计算，总结出了一些判定标准参考值。

TetGen在运行过程中，首选半径-边缘比作为四面体形状的判定标准，其次是使用最小二面角作为判定标准。

4 BIM数据与网格模型数据的共享方法研究

4.1 IFC模型向poly数据的转换

分析TetGen输入数据格式特点，所有的文件均为ASCII形式，当读.node、.poly、.smesh时，TetGen自动检测到相应的文件。本文将以.poly文件为主，将基于IFC标准的一体化模型转换成.poly格式的数据模型。

.poly文件格式包括了点列表、面列表、洞(体)点集列表和范围属性列表四部分，其中前三部分是必须的，而范围属性属于可选项。

第一部分为节点列表，节点列表表示的是三维点的坐标以及可能存在的属性和边界标识。表达内容主要包含第一行的节点个数、节点维度、属性个数和边界标识(0或者1)，第二行的节点编号、x、y、z、属性和边界标识。

第二部分为面列表，每个面可以是单点、线段，也可以是包含有洞的多边形。表现内容主要包括第一行的面的总数、边界标识(0或者1)，第二行的多边形、是否有洞(0或者1)和边界标识(0或者1)以及第三行的面的形状、组成面的节点编号。

第三部分为洞列表，通过标记一个洞内部点来指明洞的信息。表达内容主要包含第一行的洞的总数和第二行的洞编号、x、y、z。

第四部分为范围属性列表，属于可选项，用于分配四面体的属性值，利用最大四面体体积来进行约束，在TetGen使用了A或者a命令时会读取这一段数据。

基于上述分析，.poly文件主要内容是第一部分的节点列表和第二部分的面列表，节点列表是将所有的节点从1开始顺序排列，面列表是所有面包含上述节点的编号排列。

在此基础上，直接将基于BIM技术构建的IFC模型，按照如图8所示的层次自上而下逐级提取IFC模型中边界面(IfcFacetedBrep)、封闭壳(IfcClosedShell)、面(IfcFace)、边界环(IfcFaceOuterBound)、环(IfcPolyLoop)、点(IfcCartesianPoint)等不同层次的信息，最终提取IfcCartesianPoint中的坐标并按顺序依次排序；进一步提取IfcFace中包含节点，并提取相应的坐标编号，依次排列；最终输出后缀为.poly的文本文件。

图8 IFC模型向poly数据的转换Fig.8 Conversion of IFC model to Poly data

4.2 四面体化后的模型向IFC模型的转换

输入的模型经过TetGen四面体剖分处理后，程序自动输出.node、.edge、.face、.smesh以及.ele文件，分别代表节点信息、边界信息、面信息、网格信息以及四面体信息。利用tetview平台，读入四面体化后输出的.ele文件，能够显示模型四面体化后的模型。

为了充分利用四面体剖分后的模型，将.ele文件转换成IFC模型，这样不仅可以让四面体化处理后的模型回归到BIM环境中，同时也更方便让四面体化处理后的模型读入到更多的数值计算软件进行力学分析。

.ele文件中存储的是四面体列表，每个四面体默认有4个角点，记录了对应于.node文件的顶点索引号，因此在转换过程中需要同时利用.ele和.node文件。

.ele文件中的内容比较简单，主要包含第一行的四面体个数、每个四面体角点数、区域属性(0或者1)，第二行的四面体编号、包含的四个角点编号等。其中，每一行显示一个四面体的编号及角点编号信息。

在TetGen程序中，numberoftetrahedra类用来表示四面体的个数，tetrahedronlist类用来表示四面体顶点数组，四面体的第一个顶点的索引位置为[0]，按顺序依次记录其他顶点；pointlist用来表示点坐标数组，第一个点的x坐标在索引位置[0]，y坐标在索引[1]，z坐标在索引[2]，接下来就是下一个顶点坐标，每个顶点的坐标占3个数组索引位置；regionlist用来表示四面体的区域属性信息，不同区域的四面体属性信息将储存在tetrahedronattributelist中。在对模型进行四面体剖分后，将四面体化后的模型直接转换为IFC模型。

转换过程如图9所示，读取numberoftetrahedra获取四面体个数，读取tetrahedronlist来存储四面体的顶点数组；进一步，提取tetrahedronlist中对应的pointlist中的顶点坐标；下一步，将读取pointlist中的x、y、z直接赋予给IFC模型中的IfcCartesianPoint，同样借鉴前文中IFC中实体的拓扑关系，自下而上逐级建立线环、边界环、面、封闭壳和封闭边界曲面，最终形成IFC模型。

图9 四面体化后模型向IFC模型的转换Fig.9 Conversion of tetrahedral model to IFC model

通过调用相关参数来控制四面体网格质量，从而生成适合计算分析的四面体模型，形成的四面体模型如图10所示。基于C++和IFC++类库，最终将四面体化后的模型转换成IFC模型。四面体化后的模型一方面可以回到BIM软件，另一方面也可以通过转换进入到其他计算软件中。

图10 岩土BIM模型四面体剖分过程Fig.10 The process of tetrahedralization for geotechnical BIM model

5 BIM模型数据的数值计算功能实现方法

FLAC 3D中可以采用.f3grid的数据格式来读入模型文件，这种数据格式包含的是网格文件，主要由节点编号及其坐标、单元类型及其节点编号以及分组属性三部分组成[22]，主要部分介绍如下。

3.工会劳动保护人员的业务能力不足。目前企业工会劳动保护工作人员还存在一些不足。如工会劳动保护人员专业水平良莠不齐，且工作岗位人员不固定以及定员不足，甚至各企业大力压缩工会编制，导致其工作人员普遍身兼数职，劳动保护专责岗位只能兼职，穷于应付，投入工会劳动保护工作的精力受到影响，严重影响劳动保护职能作用的有效发挥；高学历、高素质工会劳动保护工作人员少，影响企业工会劳动保护工作的长远发展和劳动保护监督作用的有效发挥。

第一部分主要包含节点G(gridpoints)，节点编号(依次排序)、x坐标、y坐标、z坐标；第二部分主要包含单元Z(zones)，单元类型、组成单元节点1、节点2、节点3等；第三部分主要包含分组ZG(zone groups)，分组属性、单元1、单元2、单元3等。

经过前述介绍的四面体剖分过程后，在TetGen程序中，用来表示点坐标数组的pointlist正好对应.f3grid第一部分内容中的节点信息，用来表示四面体顶点数组tetrahedronlist对应.f3grid第二部分内容中的单元信息，四面体剖分过程中的属性数组tetrahedronattributelist对应.f3grid第三部分内容中的分组信息。在此基础上，按照如图11所示方式，进行对应信息的转换，读取TetGen程序中的pointlist、tetrahedronlist、tetrahedronattributelist，并分别转换成GRIDPOINTS、ZONES、ZONE GROUPS，最终形成.f3grid文本文件。在FLAC 3D中，只需利用Import功能读入.f3grid即可生成相应的计算模型。

图11 四面体网格模型与FLAC 3D模型的信息转换Fig.11 Information conversion between tetrahedral mesh model and FLAC 3D model

基于上述研究，针对岩土BIM模型，在四面体剖分完成后，通过数据转换，建立起四面体网格模型与FLAC 3D模型的信息一一映射的关系，以3.2节中的地质-结构岩土BIM模型为例，图12展示了经过四面体剖分后的一体化模型向FLAC 3D软件平台的计算模型之间的数据转换。

图12 四面体网格模型与FLAC 3D模型的转换实例Fig.12 An example of conversion between tetrahedral mesh model and FLAC 3D model

6 工程实例

前文介绍了BIM模型的概化建立，网格划分、模型转换以及数值计算功能的实现，下面以两个工程实例为背景，介绍了所提数值计算功能实现方法的实现过程，可行性以及准确性。

6.1 案例一：某地铁车站基坑工程

6.1.1 工程概况

某市地下二层岛式地铁车站，采用双柱三跨闭合框架结构。基坑总长约182 m，车站基坑围护结构埋深16.5～18.8 m，宽度20.9～25.6 m。地铁基坑围护结构采用钻孔桩加内支撑围护形式，第一道横撑采用钢筋混凝土支撑，第二及第三道横撑采用钢管撑，端头井设置混凝土斜撑和钢管斜撑。基坑所在位置地形复杂，主要包含素填土、残积砾质黏性土、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩、碎裂状强风化花岗岩、全风化辉绿岩、强风化辉绿岩等7种地层，地层及支护结构计算参数如表1所示。

表1 基坑工程岩土参数表Table 1 Geotechnical parameter table of foundation pit engineering

6.1.2 岩土BIM一体化模型构建

图13 一体化BIM模型Fig.13 Integrated BIM model

图14 四面体网格模型Fig.14 Tetrahedral mesh model

图15 计算分析模型Fig.15 Numerical analysis model

6.1.3 力学分析

为分析基坑开挖对周围土体的扰动的影响，现用Flac 3D软件对基坑内土体进行分层开挖模拟，分析基坑周围土体的变形规律。如图16为基坑周围土体竖直方向位移云图，从结果中可以看出，基坑长边围护墙外侧出现较大的地表沉降，究其原因，一方面，墙体边缘处的土体受与围护墙之间摩擦作用的影响，使得该处的土体竖向位移较小。另一方面，较远处的土体因为距离基坑开挖区域较远，其应力释放较小，受开挖影响不大，因而地表沉降较小。总体来看，基坑周围土体变形是沿长边呈对称性分布的，但开挖区域两侧的土体沉降规律有微小的差异，这主要是受该地区地层分布复杂、地层厚度不一、部分地方存在地层缺失情况等因素的影响。

图16 基坑周围土体竖直位移整体图Fig.16 Vertical displacement of soil around the foundation

6.2 案例二：框架式承台

本案例模拟将一个框架式的承台通过桩基础嵌入到土体中，依托Revit构建三维结构模型，利用自主平台构建三维地质模型，基于IFC标准实现地质体和结构体模型的集成，在此基础上对两类模型进行自洽整合实现模型的一体化集成。通过TetGen对一体化模型进行四面体网格划分，进一步通过数据转换，将模型导入至Flac 3D中。施加静力荷载，对模型进行桩土作用的力学分析。

6.2.1 工程概况

某框架式承台基座采用墙式基座，其基础采用灌注桩筏板基础。承台布置有8根1.4 m×1.4 m的承重柱。筏板基础的平面尺寸为22 m×9 m×2.5 m，筏板厚度为2.5 m。筏板基础下布置有8跟边长为1 m、桩长21 m的方桩，桩端地层为中风化泥岩。利用Revit构建承台模型如图17所示，其中主要尺寸如图中标注。该工程所在地区的地层主要有强风化泥岩、中风化泥岩，主要工程参数如表2所示。

表2 岩土工程参数表Table 2 Geotechnical parameter table

图17 承台模型示意图Fig.17 Schematic of the platform model

6.2.2 岩土BIM一体化模型构建

通过钻孔数据构建三维地质模型，通过IFC标准实现三维地质模型和BIM结构模型的集成，集成模型如图18所示。在此基础上，对集成模型进行自洽整合，形成如图所示的一体化模型，如图18(a)所示。图18(b)中桩基础黄色部分，在项目桩基础施工前为土体，在进行开挖后，将变成桩基础和一部分筏板基础。经过四面体化后生成四面体网格模型，如图19(a)所示。经过数据转换，在FLAC 3D中的计算分析模型如图19(b)所示。

图18 岩土BIM集成模型Fig.18 Integrated model of geotechnical BIM

图19 计算分析模型转换过程Fig.19 Conversion process of numerical analysis model

6.2.3 力学分析

在力学分析过程中，土体采用Mohr-Coulomb模型，承台结构采用线弹性模型。在承台机座受力墩上施加静力荷载8.5×106kN，图20为静力工况基本组合内力作用下桩基础沿垂直方向的Z向应力，由图20可知，在静力荷载作用下，桩身最大压应力出现在桩底，最大压应力为1.63×106Pa，进而推算得到的单桩最大竖向压力为0.261×106kN。

图20 静力工况下承台及桩基垂直应力分布Fig.20 Vertical stress distribution of pile cap and pile foundation under static condition

图21桩周接触面剪应力分布可以得出：最大剪应力出现在承台与承台周边土体之间。另外，对于静力荷载工况，单桩桩端提供的端承力为48～80 kN，总端承力仅为640 kN，仅此静力荷载主要由桩周摩阻力承担。

7 结论

针对岩土工程信息模型长期以来尚未完全发挥其作用的难题，基于已构建的工程地质体和结构体一体化模型，研究了岩土BIM模型的概化方法，发展了面向数值计算的网格剖分技术，形成了数值计算功能实现方法，推进了岩土BIM模型在数值计算分析方面的应用研究，建立了面向复杂岩土BIM模型的仿真分析技术。主要研究工作和研究结论如下。

(1)基于BIM技术构建的精细化模型，采用等效刚度法，按照拉压刚度和弯曲刚度相等的原则，研发了计算驱动的复杂BIM模型概化技术，将基于BIM技术构建的精细化结构模型概化成方便计算分析的简单模型。

(2)基于IFC标准开发了数据接口，实现了IFC模型与TetGen数据模型的转换。聚焦计算网格剖分环节，基于开源TetGen程序，发展了面向数值计算的BIM模型网格剖分技术。

(3)从单元信息、节点信息、分组信息3个方面进行数据转换，建立了四面体网格模型与FLAC 3D模型的信息一一映射的关系，实现了BIM软件与岩土工程通用数值分析软件之间的数据转换和信息交换，打通了复杂岩土BIM模型向计算模型转换的关键环节。

将本文所提出的岩土工程模型数值计算功能实现方法，应用于实际工程中，验证了本文提出方法的可行性和有效性。利用该方法，突破了长期以来岩土工程信息模型尚未完全发挥其作用的缺憾，让岩土工程信息模型既中看又实用，助力岩土工程数字化建造和信息化管理。在后续工作中，将研究如何实现力学分析云图返回至岩土工程信息模型中，从而能更加清晰、直观地反映岩土工程建设过程中的力学性质变化过程。