BIM技術(shù)在巖土工程中應(yīng)用研究

黃佳銘，鄭先昌，侯劍，賀冰，劉陽(yáng)（.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 50060； .廣州大學(xué)，廣東廣州 50006；.武漢聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)股份有限公司，湖北武漢 40070）

BIM技術(shù)在巖土工程中應(yīng)用研究

黃佳銘1?，鄭先昌2，侯劍3，賀冰1，劉陽(yáng)2
（1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510060； 2.廣州大學(xué)，廣東廣州 510006；3.武漢聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)股份有限公司，湖北武漢 430070）

這幾年BIM技術(shù)飛速發(fā)展，給建筑業(yè)帶來(lái)的變革有目共睹，特別是在建筑、水電、設(shè)備和結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)中效果顯著，相比之下巖土工程專(zhuān)業(yè)上BIM應(yīng)用尚處于起步階段。現(xiàn)有BIM軟件針對(duì)巖土工程需要而開(kāi)發(fā)的功能模塊有限，部分功能在BIM實(shí)現(xiàn)起來(lái)尚有一定的難度；但這并不代表BIM不適用于巖土工程，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，軟件升級(jí)等過(guò)程可以克服這些困難。本文通過(guò)對(duì)BIM在巖土工程中的運(yùn)用進(jìn)行的研究，證明BIM技術(shù)完全可以運(yùn)用在巖土工程的多個(gè)領(lǐng)域中，并且具有以往傳統(tǒng)方法所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。

BIM；建筑信息模型；巖土工程；應(yīng)用

1 前 言

BIM是Building Information Modeling的簡(jiǎn)稱(chēng)，譯為建筑信息模型。可以簡(jiǎn)單理解為將有關(guān)于建筑構(gòu)件的建筑信息分類(lèi)儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，建立參數(shù)化的三維模型，根據(jù)工程需要調(diào)取構(gòu)件中的建筑信息進(jìn)行分析、計(jì)算與統(tǒng)計(jì)和圖形表達(dá)等功能。結(jié)合現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)信息共享技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多方協(xié)調(diào)工作，BIM可以運(yùn)用在建筑的整個(gè)生命周期中。

目前BIM技術(shù)在我國(guó)工程建設(shè)的運(yùn)用中發(fā)展迅速，其中建筑、水電、設(shè)備和結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用相對(duì)成熟。相比之下巖土工程BIM應(yīng)用尚處于起步階段，目前的BIM軟件大多尚無(wú)專(zhuān)門(mén)針對(duì)巖土工程專(zhuān)業(yè)技術(shù)特點(diǎn)而研發(fā)的功能模塊。所以?xún)H僅根據(jù)現(xiàn)有軟件的功能和模塊，將BIM技術(shù)應(yīng)用到巖土工程的實(shí)際項(xiàng)目中還需要專(zhuān)門(mén)處理。

2 BIM技術(shù)在巖土工程中的運(yùn)用

2.1 在巖土工程勘察上的運(yùn)用

2.1.1 建立三維地質(zhì)模型

三維地質(zhì)模型的在實(shí)際工程的運(yùn)用中具有十分重要的意義［1］。現(xiàn)有勘察報(bào)告中普遍采用的柱狀圖、剖面圖與鉆孔平面信息作為成果，報(bào)告使用人再根據(jù)這些成果重構(gòu)整個(gè)地質(zhì)情況，不同人重構(gòu)模型具有一定的差異，從而可能會(huì)導(dǎo)致報(bào)告成果出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，從而降低成果質(zhì)量；建立三維地質(zhì)模型，可以將地層信息融合到地質(zhì)模型中，展示方式不再局限于點(diǎn)（鉆孔柱狀圖）和面（鉆孔剖面圖）的形式，表示方式更直觀，可以完整地將場(chǎng)地地質(zhì)情況展示。

針對(duì)大范圍的研究區(qū)域、山區(qū)復(fù)雜巖層地區(qū)、地層破碎嚴(yán)重地區(qū)等地質(zhì)情況復(fù)雜地區(qū)的三維地質(zhì)建模尚有技術(shù)上的難題未攻克，需要針對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)才能真正實(shí)現(xiàn)模型的建立。但是一般工民建項(xiàng)目，具有建設(shè)場(chǎng)地范圍小、地層變化相對(duì)較小、地層信息相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，三維地質(zhì)模型的建立實(shí)現(xiàn)起來(lái)較簡(jiǎn)單，現(xiàn)有軟件也能達(dá)到理想效果。故三維地質(zhì)模型的運(yùn)用在一般工民建項(xiàng)目中具有良好的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有BIM平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)建模的方法有幾種，各有特色，可以根據(jù)工程的需要選用其中一種，相對(duì)于之前有同行采用體量的方法建立模型，筆者在此介紹兩種相對(duì)簡(jiǎn)單的建模方法。

（1）利用Civil 3D最新的曲面建模的方法，將每個(gè)地層的層頂標(biāo)高和坐標(biāo)導(dǎo)入生成三維的曲面數(shù)據(jù)，再由曲面之間的相互關(guān)系生成實(shí)體，即為每層土（巖）層實(shí)體。所生成的實(shí)體可以進(jìn)行布爾運(yùn)算，可以對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行模擬。該方法支持鉆孔信息的批量導(dǎo)入，使用方便，對(duì)于局部透鏡和剪滅土（巖）層，須事先計(jì)算限制邊界和標(biāo)高后方可導(dǎo)入，如圖1所示。

圖1　通過(guò)曲面獲取三維地質(zhì)實(shí)體

? 收稿日期:2015—12—25

作者簡(jiǎn)介:黃佳銘（1987—），男，碩士，主要從事巖土工程技術(shù)工作。

基金項(xiàng)目：廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目科技惠民專(zhuān)項(xiàng)（2014-K-0511）

（2）利用Revit平臺(tái)中構(gòu)建樓板的功能模擬地層的方法構(gòu)建三維地質(zhì)模型，采用修改子圖元功能增加鉆孔點(diǎn)位，對(duì)每層土（巖）的分界面標(biāo)高信息進(jìn)行定義，該方法生成的三維地質(zhì)模型為體模型，同樣可以進(jìn)行編輯、統(tǒng)計(jì)、分析、剖切等操作。但是Revit平臺(tái)的剪切功能，剪切后須保留輔助圖元，但如果剪切過(guò)多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輔助圖元過(guò)多，容易混淆，并且在各個(gè)視圖中需隱藏輔助圖元，操作繁瑣。

2.1.2 對(duì)三維地質(zhì)模型的運(yùn)用

（1）對(duì)模型可以任意剖切，生成地質(zhì)剖面圖。開(kāi)挖模擬后的地質(zhì)模型結(jié)合支護(hù)模型或者基礎(chǔ)模型，可以清晰地了解基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)底面處相應(yīng)標(biāo)高處的地質(zhì)情況。方便設(shè)計(jì)人員對(duì)方案進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，如圖2所示。

圖2　三維地質(zhì)模型地層的拆分展示

（2）土石方開(kāi)挖（填方）量的統(tǒng)計(jì)，BIM的一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)是模型的每個(gè)圖元中都附帶有詳細(xì)的屬性信息，其中當(dāng)然也包括了體積信息。我們可以根據(jù)原始的三維地質(zhì)模型建筑地坪的需要進(jìn)行剪切，而所剪切出去的部分則為需開(kāi)挖的土方量，而對(duì)于原始地形低于建筑地坪的范圍可以進(jìn)行整平。如此只需查看開(kāi)挖部分或者回填部分體單元體積信息，即可獲得開(kāi)挖或回填的土石方量，甚至不同土（巖）層的開(kāi)挖量，這使得土石方工程的造價(jià)預(yù)算計(jì)算更為精準(zhǔn)。

2.2 在巖土工程設(shè)計(jì)上的運(yùn)用

2.2.1 碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)功能在BIM平臺(tái)中是運(yùn)用得最為廣泛的功能之一，該模塊可以驗(yàn)證我們?cè)O(shè)計(jì)方案的合理性，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤帶來(lái)的成本浪費(fèi)，同樣在巖土專(zhuān)業(yè)中也用得上這個(gè)功能。如樁基礎(chǔ)與持力層模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)，可計(jì)算出樁群樁端進(jìn)入持力層的深度，根據(jù)碰撞結(jié)果再調(diào)整樁長(zhǎng)保證在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下，樁長(zhǎng)按最經(jīng)濟(jì)的方案定，減少工程造價(jià)，如圖3所示。

圖3　基樁與持力層的碰撞檢測(cè)圖

2.2.2 三維可視化與快速出圖

利用BIM平臺(tái)強(qiáng)大的建模功能，對(duì)基坑支護(hù)平臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)的三維建模。在基坑設(shè)計(jì)方案的展示和評(píng)審中，三維模型的運(yùn)用可以更好地讓專(zhuān)家和業(yè)主了解到方案最終建成后的效果和整體的設(shè)計(jì)意圖。將模型導(dǎo)入游戲引擎中進(jìn)行渲染后，可以達(dá)到在模型中以第一人稱(chēng)視覺(jué)進(jìn)行漫游的效果，可以從任意視角觀察模型，并且模型附帶材質(zhì)，視覺(jué)效果直觀，如圖4所示。

圖4　某基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)三維可視化

基坑前期出初步方案時(shí)，時(shí)間較為緊迫，留給技術(shù)人員計(jì)算出圖的時(shí)間有限。設(shè)計(jì)方案經(jīng)常修改，只要方案一變動(dòng)，設(shè)計(jì)圖中的平面圖和剖面圖就必須聯(lián)動(dòng)修改，設(shè)計(jì)人員通常須花很多時(shí)間在畫(huà)圖工作上。而在BIM平臺(tái)上做設(shè)計(jì)和調(diào)整方案，可以提高技術(shù)人員的工作效率。復(fù)雜的基坑方案可以一次建模，多面出圖；修改方案時(shí)直接修改三維模型，平面圖和剖面圖聯(lián)動(dòng)更新，避免以往剖面圖修改了平面圖上還沒(méi)更新的情況，減少圖紙的錯(cuò)誤。

2.2.3 與其他專(zhuān)業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)

BIM平臺(tái)的出現(xiàn)使得建筑的多專(zhuān)業(yè)之間的聯(lián)通與配合不再局限于平面圖紙上，各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員可以依據(jù)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)原始資料在同一個(gè)BIM平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖5所示，模型結(jié)合了地質(zhì)、基坑支護(hù)、基礎(chǔ)和主體結(jié)構(gòu)多個(gè)模型。通過(guò)多專(zhuān)業(yè)模型的整合和碰撞，消除不同專(zhuān)業(yè)之間的設(shè)計(jì)沖突，可最大限度地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。當(dāng)出現(xiàn)方案變更時(shí)，各專(zhuān)業(yè)人員可及時(shí)調(diào)整方案，實(shí)現(xiàn)多方協(xié)調(diào)工作的效果。

圖5　多專(zhuān)業(yè)模型整合

2.3 在巖土工程施工上的運(yùn)用

2.3.1 施工動(dòng)態(tài)模擬

BIM 5D技術(shù)已經(jīng)逐步推廣，國(guó)內(nèi)也有軟件能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，這在巖土工程中同樣適用。三維的BIM模型加上施工工期和成本變化可以實(shí)現(xiàn)BIM 5D動(dòng)態(tài)模擬，直觀、精確地反映整個(gè)施工過(guò)程，有助于施工方對(duì)整個(gè)工程的施工進(jìn)度、資源調(diào)配和質(zhì)量安全進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制，也可以進(jìn)一步對(duì)原有的施工方案進(jìn)行優(yōu)化和改善［2，3］。

一些復(fù)雜的施工步驟，如逆作法施工順序和內(nèi)支撐拆除順序在制定施工方案之前，可以通過(guò)平臺(tái)上的模擬進(jìn)行驗(yàn)證，確保方案的合理性和安全性。

2.3.2 施工指導(dǎo)

復(fù)雜的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，在平面圖紙上表示并沒(méi)有三維模型直觀，BIM模型可以將復(fù)雜的鋼筋布置建模，多角度察看，對(duì)鋼筋綁扎施工有很好的指導(dǎo)作用。

結(jié)合三維激光掃描，點(diǎn)云逆向建模技術(shù)，將逆向建立的模型與設(shè)計(jì)BIM模型進(jìn)行誤差對(duì)比，可以驗(yàn)證施工是否準(zhǔn)確，從而檢驗(yàn)施工的質(zhì)量。如圖6為某構(gòu)件的設(shè)計(jì)模型與逆向建模模型的疊加對(duì)比，可分析現(xiàn)場(chǎng)施工與的差異情況。

圖6　設(shè)計(jì)模型與逆向建立模型疊加對(duì)比

2.4 在巖土工程監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

不同于以往監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)數(shù)據(jù)表格與圖表的匯報(bào)方式，現(xiàn)有的軟件可以讓基坑變形以三維的形式展示。以基坑沉降變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，將現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行計(jì)算，得出變形量；結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間位置信息，可在三維建模軟件中，利用插值法，計(jì)算輸出整個(gè)場(chǎng)地的沉降云圖。這種表現(xiàn)方法可以通過(guò)沉降云圖掌握所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形情況，更清晰地了解場(chǎng)地的沉降變形情況，如圖7所示。

圖7　場(chǎng)地沉降變形云圖

三維可視化與現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)變形實(shí)時(shí)三維化展示，這是BIM技術(shù)在巖土工程監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用趨勢(shì)。

3 BIM在巖土工程中運(yùn)用的要點(diǎn)

（1）巖土工程中BIM軟件的運(yùn)用

BIM并不是一個(gè)軟件的事，嚴(yán)格地說(shuō)BIM不是一類(lèi)軟件的事，而且每一類(lèi)軟件的選擇也不止是一個(gè)產(chǎn)品［4］。要充分發(fā)揮BIM價(jià)值為項(xiàng)目創(chuàng)造效益，涉及常用的BIM軟件數(shù)量就有十幾個(gè)到幾十個(gè)之多。這對(duì)技術(shù)人員的軟件熟悉程度和操作能力有著較高的要求，合理選擇BIM軟件，通過(guò)不同的軟件組合實(shí)現(xiàn)理想的工程目的成為關(guān)鍵。以下為巖土工程中各階段所用到的BIM軟件系列之一，如圖8所示。

（2）參數(shù)化構(gòu)件的制作與積累

參數(shù)化構(gòu)件是BIM模型的基礎(chǔ)，在Revit中也叫族庫(kù)［5］。Revit族庫(kù)就是把大量Revit圖元賦予特性、參數(shù)等屬性，并分類(lèi)歸檔以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式保存。巖土工程不同于建筑和結(jié)構(gòu)工程，有很多圖元須另外制作，隨著項(xiàng)目的開(kāi)展和深入積累一套自己獨(dú)有的族庫(kù)對(duì)企業(yè)自身BIM的推廣和發(fā)展有很重要的作用。在以后的工作中，這些族庫(kù)數(shù)據(jù)可直接被調(diào)用，根據(jù)實(shí)際情況修改參數(shù)，便可以提高工作效率。可以說(shuō)Revit族庫(kù)是一種無(wú)形的知識(shí)生產(chǎn)力，族庫(kù)的質(zhì)量，是巖土工程企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的一種體現(xiàn)。

（3）根據(jù)工程需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)

市場(chǎng)上尚未有針對(duì)巖土工程所開(kāi)發(fā)的BIM軟件，現(xiàn)有巖土工程的很多應(yīng)用都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，故根據(jù)項(xiàng)目需要對(duì)BIM做二次開(kāi)放是十分必要的。基本上每個(gè)BIM軟件都提供了應(yīng)用程序編程接口（API:Application Programming Interface），外部程序可通過(guò)API操縱和訪(fǎng)問(wèn)軟件。通過(guò)編寫(xiě)一段程序可以實(shí)現(xiàn)用點(diǎn)擊菜單命令的方式能達(dá)到設(shè)計(jì)的目的；設(shè)定一些參數(shù)條件篩選圖元進(jìn)行分析計(jì)算；編寫(xiě)平臺(tái)沒(méi)有的計(jì)算公式；根據(jù)現(xiàn)有出圖標(biāo)準(zhǔn)修改出圖方式等；通過(guò)二次開(kāi)發(fā)非但可以提高工作效率，也可以實(shí)現(xiàn)原軟件達(dá)不到的效果，拓寬BIM在巖土工程中的應(yīng)用。

圖8　巖土工程中運(yùn)用的BIM軟件系列之一

4 結(jié) 論

（1）BIM技術(shù)的推廣須同時(shí)結(jié)合國(guó)家BIM相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定，良好的市場(chǎng)需求，BIM軟件持續(xù)發(fā)展，企業(yè)積極配合。現(xiàn)今國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已在計(jì)劃中，某些地方政府部門(mén)已制定相關(guān)政策，有針對(duì)性地強(qiáng)制使用BIM技術(shù)，甲方對(duì)BIM帶來(lái)的效益也越來(lái)越肯定，這都表明BIM技術(shù)的廣泛使用將成為趨勢(shì)，作為企業(yè)須做好應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備。

（2）隨著軟件進(jìn)步和技術(shù)人員的努力，證明了BIM技術(shù)完全可以運(yùn)用在巖土工程的多個(gè)領(lǐng)域中，并且具有以往傳統(tǒng)方法所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。

（3）巖土工程中對(duì)BIM的應(yīng)用大多基于三維地質(zhì)模型，包括土方量計(jì)算，基坑支護(hù)建模，多專(zhuān)業(yè)模型結(jié)合等。現(xiàn)有軟件建立三維地質(zhì)模型功能尚不是很完善，尋找更精確、方便的建模方法也是目前巖土工程領(lǐng)域推廣BIM須考慮的問(wèn)題。

（4）盡管BIM在巖土工程專(zhuān)業(yè)中有大作為，但仍需廣大巖土工程技術(shù)人員不斷探索新的用途，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目才能讓BIM給企業(yè)帶來(lái)真正的效益。

［1］何建春.地質(zhì)體三維空間形態(tài)隱式模擬的若干技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2011.

［2］胡二潘，周慶英.基于建筑信息模型（BIM）的費(fèi)用控制與進(jìn)度控制［J］.城市建設(shè)理論研究·電子版，2013 （16）：215～211.

［3］李衛(wèi)華.BIM在電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)和施工中的應(yīng)用［J］.中國(guó)西部科技，2014（4）：55～62.

［4］何關(guān)培.BIM和BIM相關(guān)軟件［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2010（4）：110～117.

［5］張紅，宋萍萍，楊震卿.Revit在產(chǎn)業(yè)化住宅建筑中的應(yīng)用研究［J］.建筑技術(shù)，2015（3）：232～234.

Study on the Application of Bim Technology in Geotechnical Engineering

Huang Jiaming1，Zheng Xianchang2，Hou Jian3，He Bin1，Liu Yang2
（1.Guangzhou Urban Planning Design Survey Reaserch Insitude，Guangzhou 510060，China；2.Guangzhou University，Guangzhou 510006，China； 3.Wuhan Linkdo Engineering Design Co.，Ltd，Wuhan 430070，China）

In recent years，the rapid development of BIM technology，has brought obvious revolution to construction industry，especially in architecture，hydroelectricity，construct equipment and stucure.But comparing with geotechnical，the bim application is still in the intial stage.Some BIM software has developed limited functional module for geotechnical engineering demand，which is to achieve a certain difficulty；but it does not mean that BIM isn′t suitable for geotechnical for we can overcome these difficulty through the redevelopment，software upgrades and other process.In this paper，it′s proved that BIM technology can be used in many fields of geotechnical through the use of BIM in geotechnical engineering research，which means BIM has great advantages over traditional methods.

BIM；buiding information modeling；geotechnical engineering；application

1672-8262（2016）02-157-04中圖分類(lèi)號(hào)：P628+.4

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