BIM技術在巖土工程大數據中的應用前景

陳豐

(天津市地質工程勘察院，天津 300191)

BIM技術在巖土工程大數據中的應用前景

陳豐

(天津市地質工程勘察院，天津 300191)

結合BIM技術在巖土工程領域應用中存在的問題，探討了具體的應對策略，并從巖土工程條件模型概化、助力地下空間開發(fā)、優(yōu)化施工管理等方面，闡述了BIM技術在巖土工程大數據中的應用前景，有利于實現工程建設的信息化施工。

巖土工程，BIM技術，地質模型，施工管理

BIM(Building Information Model)指建筑信息模型，它通過參數模型整合各種項目的相關信息，服務于項目設計施工管理。作為一項較新的技術手段，BIM在一些大型工程的設計、施工階段已得到應用，展現出其是整合工程建造相關大信息數據的一種有效集成工具，是一個能覆蓋建設工程全壽命周期的模型。

每項建設工程在建設伊始都會涉及巖土工程活動。隨著建設體量越來越大，相應的數據、信息也越來越多。而在巖土這種半經驗半理論的專業(yè)領域，對大數據有較強依賴，工程中每時每刻又在產生新的海量數據。利用計算機和互聯網技術整合并利用好這些大數據，以更好地為巖土工程建設活動服務，是一個重要發(fā)展方向。為此，筆者對BIM技術在巖土工程大數據中的應用前景進行分析探討。

1 存在的問題

雖然目前BIM技術發(fā)展較快，但在項目建設階段重要環(huán)節(jié)的巖土工程領域，尤其是巖土勘察等專業(yè)，BIM應用尚處于起步階段［1］，存在制約發(fā)展的問題。其原因主要有以下幾點。

1.1 BIM標準體系尚不完善

BIM技術的國家標準還未正式頒布，尋求一個適用性強、專業(yè)涵蓋齊全的標準化體系迫在眉睫。在巖土工程領域，項目周期一般較短，產值較小，企業(yè)往往缺乏動力去投入資金進行BIM模型的開發(fā);建設單位追求工期進度和成本控制，也不愿意在此階段投入過多。在技術上，往往認為巖土工程是半理論半經驗，各種模型與實際的吻合度及有效性難以得到廣泛認可。缺少項目推動，導致BIM在巖土工程領域缺乏標準。

1.2 綜合性技術人員缺乏

BIM平臺涉及的工程專業(yè)技術領域多，需要技術人員有很強的綜合技術能力，但國內在這方面有很大人才缺口，且地域發(fā)展不平衡。在東南沿海一、二線城市，工程建設管理水平相對較高，BIM技術有較好的基礎，但在中西部欠發(fā)達地區(qū)中小城市，工程技術人員對BIM卻知之甚少。導致BIM在建筑各階段的應用中受到限制、存在脫節(jié)，尤其在勘察階段應用少。再加上軟件各異，可能出現一個建筑有多個模型，且模型不兼容，甚至互不認可的情況。

1.3 巖土工程自身復雜性、多樣性的制約

BIM的關鍵是建立模型所需的各項參數與信息。對建筑上部結構而言，容易解決。而涉及地基巖土層指標參數的問題，則難以有比較通用的參數模型和解決辦法。這主要是受到巖土工程自身復雜性、多樣性的制約。

復雜性首先體現在地質環(huán)境條件的復雜多變。我國幅員遼闊，不同地域的地質條件有較大差異。即便同一區(qū)域，受地質構造、地層沉積環(huán)境、時代成因的影響，以及地形地貌的變化及人類活動影響等，從單個工程建設場地的體量來看，工程地質條件也是十分復雜的，導致巖土特性相關的數據是海量的，而且沒有明顯規(guī)律。在模型的建立中難以確切還原建筑場地的各種地質條件。

復雜性還體現在巖土體自身的材料特性。巖土材料不同于一般建筑材料，它是自然條件下由顆粒材料堆積或膠結形成的，具有固、液、氣三相特性，而且這種顆粒堆積膠結是不均勻的。從力學角度看，巖土材料是一種同時具有粘結力和摩擦力的雙強度材料，在受力過程中存在兩種強度發(fā)揮與衰減的先后問題［2］。其力學特性與鋼材、混凝土等傳統(tǒng)材料是不同的。尚無較好的模型參數來解決建筑物基礎與地基巖土層之間的受力和變形的協(xié)調及耦合問題。即便通過試驗取得一些參數，但試驗條件很難模擬真實的情況，實驗尺度一般較小，其結果應用到現場實際的巖土條件中，可靠性也是存疑的。

1.4 巖土BIM軟件整合不充分

目前的BIM軟件大多尚無專門針對巖土工程專業(yè)技術特點而研發(fā)的功能模塊［1］，導致其在巖土領域的應用受限。主要體現在以下幾方面:1)不同企業(yè)不同專業(yè)使用的BIM軟件種類較多。2)各種軟件數據接口不盡相同，互相轉換對接的導入導出過程繁瑣并且很容易造成信息的丟失、缺漏。譬如，巖土勘察常用的理正勘察軟件，地質圖件處理常用的MapGIS，ArcGIS等軟件，以及一些巖土工程有限元、有限差分軟件，如何與BIM系統(tǒng)從模型到參數完美銜接融合，尚需工程技術以及計算機技術兩個層面共同解決。

2 應對之策

從業(yè)界的共識來說，BIM技術10%是軟件，90%是生產方式的轉變，BIM的實質是改變設計手段和設計思維模式。因此，在巖土工程行業(yè)，無論主管部門還是各從業(yè)單位，都需要轉變傳統(tǒng)的思維方式，盡快建立起較為完善的BIM技術標準化體系，通過新技術手段的應用來推動行業(yè)發(fā)展。針對BIM技術在巖土工程領域現存的問題和局限性，應對之策有三方面:

1)要向互聯網大數據的方向轉變思維。包括兩個層面:企業(yè)要重視基礎數據的收集匯總，每個企業(yè)建立起自身數據庫，完善內部數據整合，使數據源得到保障;行業(yè)協(xié)會和管理部門應盡快建立統(tǒng)一的技術標準，在更高的層面組織進行信息資源的整合與共享，包括BIM與區(qū)域或城市地質信息云平臺的交叉互動，以成果質量、技術進步、提高效率為目標，統(tǒng)一數據庫和模型體系，消除企業(yè)、地域間的技術壁壘。

2)加大資金和人力資源投入。從巖土企業(yè)來說，要增加BIM相關軟硬件的資金投入，加大對巖土技術人員的培訓，要掌握巖土BIM技術的應用，還要做好與設計施工的銜接。從建設單位的角度，要提高對巖土重要性的認識，提高在巖土勘察、基礎設計階段的投入。

3)加強巖土BIM技術的開發(fā)，并做好巖土BIM應用成果的二次研究利用，促進BIM模型的不斷完善與進步，并加強與現行行業(yè)技術規(guī)范的協(xié)同，使模型模擬與圖紙計算良性互動。除了單個項目，還要對同類項目進行充分整合和大數據挖掘。

3 應用前景

3.1 場地巖土工程條件的模型概化

在當前的工程活動中，規(guī)劃、設計人員往往需要通過對場地的分析來對建筑布置、景觀和環(huán)境的規(guī)劃、各種配套以及小區(qū)內交通流量及路網布設等影響因素進行分析評價［3］。傳統(tǒng)方法中，利用勘察成果資料和二維平面地質、標高等數據時，往往存在不夠直觀，場地定量分析不充分，無法處理大數據量的信息，且易受主觀因素影響。若采用基于BIM技術的應用手段，由工程勘察人員采集并建立場地三維數字地形圖，可以方便規(guī)劃、設計人員較直觀的確定建構筑物總體平面布置方案，同時便捷的計算土方平衡以確定場地的設計標高體系。其作用在一些山區(qū)、丘陵等地勢起伏相對較大的場地，以及鐵路、高速公路等線路工程中表現尤為突出。陳兵等［4］提出了在鐵路勘測中將勘察數據模型化的設想。

其次，建筑結構設計人員需要根據工程勘察專業(yè)提供的場地地形地貌特征、巖土工程條件、水文地質條件以及相應的設計參數等來對項目規(guī)劃方案、結構體系、地基基礎、邊坡與基坑支護、地基加固處理等進行方案技術與造價等的初步比選與優(yōu)化論證。因此，將勘察成果資料數據等各種場地基本巖土工程參數和信息概化整合進BIM模型中，將十分有利于設計人員進行相關量化分析，并大幅優(yōu)化勘察設計的銜接和工作效率。

另外，基于BIM系統(tǒng)，對大量工程實施結果的檢測監(jiān)測數據等進行反演推算，對巖土指標、參數進行復核，有助于提高巖土工程師對巖土性質的認識，進而推動巖土力學在理論發(fā)展和技術應用上不斷進步。這是對巖土工程大數據二次利用的重要方面。

3.2 強化三維地質模型，助力地下空間開發(fā)

一般的三維地質模型，是將勘察獲取的一組點狀的勘察孔地層資料處理成三維模型，體現地層結構空間展布情況，信息較為單薄。戴一鳴等［5］探討了BIM在巖土工程勘察領域應用的可行性，提出了一些實現途徑和分階段的解決方案。筆者認為應充分發(fā)揮BIM信息涵蓋面廣、與設計施工等深度融合的特點，除基本的地層分布資料外，還應將勘察獲取的特性指標、參數等信息整合進模型中，形成概化了完整巖土工程條件的基于BIM的三維地質模型，在參建單位間形成共享，便于設計人員直接與地下結構融合進行數值分析與計算。施工及監(jiān)理人員也能直觀理解建設場地巖土層和地下水的分布與性質以及與主體結構的相對關系，有利于施工中的決策判斷。這對地下結構基坑支護、降水設計優(yōu)化，保證施工安全順利實施等有重要意義。

隨著城市地下空間的不斷開發(fā)利用，在建筑物的全壽命周期內，其與周邊環(huán)境的相互關系極為緊密，在其周邊新建地鐵、地下綜合管廊以及其他地下建構筑物的可能性非常大。從城市管理的層面，利用BIM技術，將各單項工程巖土勘察成果的海量數據，與工程設計和建造資料進行有效整合，形成真正基于巖土工程大數據的云端城市三維地質模型，是未來城市規(guī)劃建設以及地下空間開發(fā)利用的必然要求。這個模型有別于現有的地質模型，除了一般的地層空間展布，更包含巖土特性指標、承載力、強度、變形及水文參數等對工程設計施工切實有用的重要信息。在此基礎上進行深入開發(fā)與研究，可解決城市地下空間規(guī)劃、建設中存在的巖土工程、地質環(huán)境方面的難題。

3.3 優(yōu)化巖土工程施工管理

BIM技術可以輔助項目實施過程中的管理。如在深基坑巖土項目進場前，可通過BIM的精細建模進行場地布置，動態(tài)模擬所有機械設備的安排與施工布局，最大可能規(guī)避機械碰撞、工作區(qū)域受限、基坑邊坡局部超載等問題。還可以應用BIM進行不同施工方案的模擬，通過調整施工工序，改進相關施工工藝，盡可能使多種工作面同時開展，以合理統(tǒng)籌安排整個施工過程，并根據不同方案的進度情況以及成本預算綜合選擇最優(yōu)的施工方案。這種模擬預判可以為決策服務，從而大幅提高巖土工程實施的效率。

BIM技術還可以實現施工的動態(tài)監(jiān)控，尤其在基坑、軌道交通等地下空間開發(fā)項目中，通過對采集的海量監(jiān)測數據進行處理，利用BIM模型實時展示主要構件變形及受力等情況，可以為巖土設計人員校核安全系數、指導施工提供重要參考。

4 結語

BIM技術是工程行業(yè)發(fā)展與計算機網絡信息科技進步互相融合的成果，也是工程行業(yè)向信息化發(fā)展的重要方向。BIM對勘察設計行業(yè)而言是重要機遇，為解決超高、超深、超大項目勘察設計協(xié)同的難題提供了可行的方向。巖土行業(yè)主管部門應統(tǒng)籌考慮，加快巖土BIM技術標準的完善;巖土工程企業(yè)應珍惜機遇，從思想觀念的轉變、人力資源和資金投入等方面著力，在項目中充分利用BIM的特點和優(yōu)勢，開展技術創(chuàng)新，一起開拓巖土工程大數據的廣闊前景。

［1］ 黃佳銘，鄭先昌，侯 劍，等.BIM技術在巖土工程中應用研究［J］.城市勘測，2016(2):157-160.

［2］ 鄭穎人，高 紅.巖土材料基本力學特性與屈服準則體系［J］.建筑科學與工程學報，2007，24(2):1-5.

［3］ 劉清菊，石曉娟，徐美林.談BIM技術在綠色高爾夫公寓建筑設計中的應用［J］.山西建筑，2016，42(1):202-203.

［4］ 陳 兵，張 燕，張 瑩.BIM技術在鐵路地質勘察中的應用［J］.巖土工程技術，2015，6(1):77-80.

［5］ 戴一鳴，任 彧.第七屆全國巖土工程實錄交流會特邀報告——探討B(tài)IM在工程勘察應用的可行性［J］.巖土工程技術，2016，30(1):6-11.

Discussion on application prospects of BIM in geotechnical engineering big data

Chen Feng
(Tianjin Geological Engineering Prospecting Institute，Tianjin 300191，China)

Combining with application problems of BIM technology in geological engineering field，the paper explores specific countermeasures.Starting from aspects of geotechnical engineering conditions model generalization，and underground space development and optimizing construction management，it describes the application prospect of BIM technology in geotechnical engineering data，which will be good for realizing engineering construction information construction.

geotechnical engineering，BIM technology，geological model，construction management

TU431

A

1009-6825(2016)35-0074-02

2016-10-09

陳 豐(1981-)，男，碩士，高級工程師，注冊土木工程師(巖土)