礦山地質環境治理工程BIM技術的應用探索

朱曉勇，胡國長

（江蘇省山水資源開發集團有限公司，江蘇南京 210001）

礦山地質環境治理是貫徹“綠水青山就是金山銀山”理念、落實國家生態文明建設的重要舉措，是統籌推進山水林田湖草生態保護修復的重要內容。在礦山地質環境治理各階段工作中，工程設計至關重要，提出治理目標，采取治理措施，部署工程實施，直接決定了治理工作成效。利用工程測算軟件基于二維平面模型開展工程設計，工作效率低、成果不夠全面，在一定程度上制約了礦山地質環境治理工作的科學高效與規范性。建筑信息模型，簡稱BIM 技術（Building Information model）在建筑行業的應用充分證明其技術先進和方法優越[1]。然而，BIM技術在礦山地質環境治理工程中鮮有應用。應用BIM 技術，以礦山邊坡削坡降坡工程設計為例，通過精細化建模，實現礦山地質環境治理工程設計的三維數字可視化、虛擬施工模擬、工程評價與分析等功能，推進工程信息化和規范化，為礦山地質環境治理過程的質量、安全、進度、成本等動態管理提供技術支撐，更好地服務礦山地質環境治理工作。

1 BIM技術應用優點

BIM 技術是一種多維(三維空間、四維時間、五維成本、N維更多應用)模型信息集成技術，在項目從概念產生到建成投產的整個生命周期內，可以使項目建設的所有參與方都能夠在模型中操作信息和在信息中操作模型，從而從根本上改變從業人員依靠符號文字形式圖紙進行項目建設和運營管理的工作方式[2-3]。BIM技術在礦山地質環境治理工程中的應用有以下優點：能夠實現對礦山地質環境治理項目全生命周期的管理[4]；實現設計和施工動態模擬；實現工程質量、安全、進度、預算全面控制；容易實現深化設計，提升項目質量；三維模型對比清晰、直觀，有利于施工指導；實現各種工程施工材料、器械、人員、文檔綜合管理；提供直觀的展現平臺，方便主管單位、建設單位、設計、施工及監理、監測等參建單位查詢項目實施信息和管理礦山地質環境治理工作。

2 BIM技術在礦山地質環境治理工程中的應用思路

以Revit 建立的BIM 模型廣泛應用在建筑工程領域，其BIM結構和建筑建構一一對應，難以滿足礦山地質環境治理工程實際情況。雖然基于IFC的BIM擴展可以實現，但帶來的數據結構復雜性和信息不匹配因素給礦山地質環境治理信息數據集成帶來極大的冗余。構成建筑中BIM 軟件體系龐大，對于相對建構簡單的礦山地質環境治理模型顯得頭重腳輕，帶來了巨大的成本浪費和維護代價。

鑒于此，參考BIM 廣度研究中建筑工程、交通工程、橋梁工程等[5-10]，為礦山地質環境治理工程構建三維模型及實現模型深化應用。采用常用的三維軟件構建礦山地質環境治理工程的模型數據，將模型和其對應4D 信息建立關聯，當需要完成BIM 功能時，指定特定的機制實現二者之間信息通信和融合，由此提供BIM 模型支撐服務。通常而言，使用GIS 平臺的使用即為BIM數據組織提供了便利，也提供了BIM技術在礦山地質環境治理工程中不可或缺的分析能力。利用ARCGIS 平臺強大的三維展現和分析功能、空間數據組織功能，與常用的3DMAX模型構建能力相結合，建立起滿足礦山地質環境治理工程的BIM 模型結構，根據建立的BIM 模型體系，采用BIM 技術方法，實現礦山地質環境治理工程中設計可視化、方案優化、應用模擬等功能。

3 基于BIM技術礦山邊坡削坡工程設計模型構建

3.1 BIM模型設計技術路線

礦山地質環境治理的BIM模型設計從礦山治理專業角度出發，充分考慮模型的空間結構和屬性信息，結合施工工序，形成以設計階段數據為基礎，以礦山地質環境治理過程中的質量控制、成本控制、進度控制和安全控制為目的的解決方案，從而為施工提供指導,達到施工管理和治理目標。施工模擬階段依據成果樣表、模型時間及BIM 模型數據，通過可視化方法模擬施工過程[11]。基礎數據是構建三維展示平臺的基礎，也是BIM 技術在礦山地質環境治理工程中應用的依據，主要包括交通道路數據、行政區劃數據、土地利用數據、水文數據、地形地貌、氣象數據、地層巖性分布、地質構造與區域穩定性、水文地質特征，滑坡概率、巖體崩塌概率等邊坡穩定性分析數據，邊坡朝向、邊坡高差、坡度大小、地貌狀況、出露基巖巖性、巖石風化狀況等。

結合礦山地質環境治理的實際情況，礦山地質環境治理BIM 模型設計技術路線如下：①依據設計建立礦山地質環境治理中的模型對象，采用軟件設計BIM模型，并保存為可支持存儲的格式數據，將BIM與質量信息、安全信息、進度信息、成本信息建立關聯[12]；②對建立的BIM模型進行性能分析，反復修改論證，直至符合要求；③依據BIM模型數據導出工程預算表、施工進度安排、工程填挖方量等資源信息表；④設計礦山地質環境治理工程應用系統，實現BIM 技術在礦山地質環境治理工程中的應用。

3.2 BIM模型構建方法

BIM技術支持礦山地質環境治理工程全生命周期的信息管理，使信息能夠得到有效的組織和追蹤，保證信息從一階段傳遞到另一階段不會發生信息流失，減少信息歧義和不一致。要實現這一目標，需要建立一個面向全生命周期的BIM 信息集成平臺及其BIM 數據的保存、跟蹤和擴充機制，對項目各階段相關的工程信息進行有機的集成。結合礦山地質環境治理工程的實際情況，礦山地質環境治理工程設計BIM 模型構建方法如下：①依據礦山地質環境治理工程設計建立礦山邊坡削坡降坡工程的模型對象，采用模型軟件設計BIM 模型，并保存為可支持存儲的格式數據。分層檢查、整理AutoCAD 圖件中專題信息與地形要素、圖例信息等放置在同一層的情況。對圖件中施工布置圖專題范圍與標段范圍不吻合、偏差較大的情況，需要人工進行修正。通過3DMAX 將修正和篩選的CAD 設計數據進行翻模，構建三維模型、模型貼圖；②將三維模型倒入GeoDatabase 數據庫中，形成MultiPatch 數據，為模型指定空間參考系。原AutoCAD 圖件2000 國家大地坐標系、中央經線120°、黃海/85高程，BIM數據庫2000 國家大地坐標系；③將BIM 與質量信息、安全信息、進度信息、成本信息建立關聯；④對BIM 模型進行性能分析、修改論證，達到精準使用要求。BIM模型構建過程如圖1所示。

圖1 BIM模型構建過程

3.3 邊坡削坡降坡工程設計應用系統

3.3.1 系統建設目標

礦山地質環境治理工程中邊坡削坡降坡工程設計應用系統可以實現礦山邊坡削坡降坡工程設計方法動態轉換為BIM 三維模型，通過對模型的預覽、修改、細化、分析、統計、模擬功能，動態展現礦山地質環境治理中邊坡削坡降坡工程設計和施工過程動態模擬，實現礦山邊坡削坡降坡工程設計和施工階段數據等資料備案、合同管理、資料動態存儲、統計報表、分析檢索等功能。

3.3.2 系統功能模塊

基于BIM技術的礦山邊坡削坡降坡工程設計應用系統包括6個功能模塊：系統管理、調查建檔、信息建模與信息管理、施工過程模擬、信息輸出與共享、三維場景展示。每個模塊下面包含一系列的子模塊，如圖2所示。

圖2 系統功能結構圖

3.3.3 系統數據庫

根據礦山地質環境治理工程需要的數據，建立基于BIM技術的礦山邊坡削坡降坡工程設計應用系統數據庫，數據庫框架如圖3所示。

圖3 數據庫框架圖

3.4 礦山邊坡削坡工程設計BIM模型

將CAD 二維平面設計圖，使用3DMAX 軟件翻模，生成3ds 三維模型。模型依據實際情況貼圖渲染，導入到GeoDataBase數據庫中。動態輸入BIM模型數據，構建礦山邊坡削坡降坡工程設計三維模型，如圖4所示。該模型三維圖形掛接SQLserver 中的工程施工單價、機械施工、施工材料、人工施工、工序模型、分區信息、項目信息等，實現了BIM 模型的4D 信息存儲在數據庫中。

圖4 礦山邊坡削坡降坡工程設計BIM模型圖

4 結論

（1）通過對礦山地質環境治理工程中涉及的各種數據、工序、信息在空間上抽象、歸納、總結、信息化，運用BIM 技術構建了符合礦山地質環境治理工程BIM模型結構，該模型結構涵蓋了三維模型構件和構件屬性信息，形成五位一體（三維結構、質量、安全、成本、進度）的BIM結構化模型，為礦山地質環境治理工程設計應用系統的建立提供三維BIM 數據結構基礎。

（2）針對BIM 技術在礦山地質環境治理工程設計中的應用，著力解決礦山地質環境治理工程設計中的數據化、標準化、模型化等關鍵技術難題，推廣應用適宜于不同項目圖形特征設計信息化、模塊化、自動化及三維可視化數字技術，及時準確地為礦山地質環境治理工程實施提供數據資料、BIM 模型管理、模擬計算、4D數據輸出及使用等，滿足礦山地質環境治理工程設計及施工的數字化要求，為江蘇省礦山地質環境治理工程數字信息化管理提供科學依據和技術方法。

（3）BIM技術應用于礦山邊坡削坡降坡工程設計，通過精細化三維建模，建設設計應用系統，進行工藝技術參數驗算及數據提取，具有可視化、模擬、協調、優化、出圖的功能，可以實現礦山地質環境治理工程全壽命周期內的信息數據共享和協同設計，減少了設計和施工專業人員的工作量和失誤的概率，大幅提升工作效率，值得在全省甚至在全國大力推廣。

5 展望

除了邊坡削坡降坡工程之外，礦山地質環境治理工程中涉及的滑坡、崩塌等地質災害治理、客土噴播和圍堰穴植等生態復綠、擋土墻、截排水溝等分項工程及工序也很有必要實行BIM 技術數字信息化管理，結合礦山地質環境治理BIM 技術應用系統建設，逐步實現礦山地質環境治理整體工藝方法的BIM 技術管理，促進礦山地質環境治理工作全面信息化和現代化，并為各級自然資源主管部門提供決策依據，具有廣泛的應用價值和前景。