BIM技術(shù)在巖土工程大數(shù)據(jù)中的應(yīng)用前景

陳豐

(天津市地質(zhì)工程勘察院，天津 300191)

BIM技術(shù)在巖土工程大數(shù)據(jù)中的應(yīng)用前景

陳豐

(天津市地質(zhì)工程勘察院，天津 300191)

結(jié)合BIM技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用中存在的問題，探討了具體的應(yīng)對(duì)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(shù)在巖土工程大數(shù)據(jù)中的應(yīng)用前景，有利于實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的信息化施工。

巖土工程，BIM技術(shù)，地質(zhì)模型，施工管理

BIM(Building Information Model)指建筑信息模型，它通過參數(shù)模型整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息，服務(wù)于項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工管理。作為一項(xiàng)較新的技術(shù)手段，BIM在一些大型工程的設(shè)計(jì)、施工階段已得到應(yīng)用，展現(xiàn)出其是整合工程建造相關(guān)大信息數(shù)據(jù)的一種有效集成工具，是一個(gè)能覆蓋建設(shè)工程全壽命周期的模型。

每項(xiàng)建設(shè)工程在建設(shè)伊始都會(huì)涉及巖土工程活動(dòng)。隨著建設(shè)體量越來越大，相應(yīng)的數(shù)據(jù)、信息也越來越多。而在巖土這種半經(jīng)驗(yàn)半理論的專業(yè)領(lǐng)域，對(duì)大數(shù)據(jù)有較強(qiáng)依賴，工程中每時(shí)每刻又在產(chǎn)生新的海量數(shù)據(jù)。利用計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合并利用好這些大數(shù)據(jù)，以更好地為巖土工程建設(shè)活動(dòng)服務(wù)，是一個(gè)重要發(fā)展方向。為此，筆者對(duì)BIM技術(shù)在巖土工程大數(shù)據(jù)中的應(yīng)用前景進(jìn)行分析探討。

1 存在的問題

雖然目前BIM技術(shù)發(fā)展較快，但在項(xiàng)目建設(shè)階段重要環(huán)節(jié)的巖土工程領(lǐng)域，尤其是巖土勘察等專業(yè)，BIM應(yīng)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(diǎn)。

1.1 BIM標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完善

BIM技術(shù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還未正式頒布，尋求一個(gè)適用性強(qiáng)、專業(yè)涵蓋齊全的標(biāo)準(zhǔn)化體系迫在眉睫。在巖土工程領(lǐng)域，項(xiàng)目周期一般較短，產(chǎn)值較小，企業(yè)往往缺乏動(dòng)力去投入資金進(jìn)行BIM模型的開發(fā);建設(shè)單位追求工期進(jìn)度和成本控制，也不愿意在此階段投入過多。在技術(shù)上，往往認(rèn)為巖土工程是半理論半經(jīng)驗(yàn)，各種模型與實(shí)際的吻合度及有效性難以得到廣泛認(rèn)可。缺少項(xiàng)目推動(dòng)，導(dǎo)致BIM在巖土工程領(lǐng)域缺乏標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 綜合性技術(shù)人員缺乏

BIM平臺(tái)涉及的工程專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域多，需要技術(shù)人員有很強(qiáng)的綜合技術(shù)能力，但國(guó)內(nèi)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(shè)管理水平相對(duì)較高，BIM技術(shù)有較好的基礎(chǔ)，但在中西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)中小城市，工程技術(shù)人員對(duì)BIM卻知之甚少。導(dǎo)致BIM在建筑各階段的應(yīng)用中受到限制、存在脫節(jié)，尤其在勘察階段應(yīng)用少。再加上軟件各異，可能出現(xiàn)一個(gè)建筑有多個(gè)模型，且模型不兼容，甚至互不認(rèn)可的情況。

1.3 巖土工程自身復(fù)雜性、多樣性的制約

BIM的關(guān)鍵是建立模型所需的各項(xiàng)參數(shù)與信息。對(duì)建筑上部結(jié)構(gòu)而言，容易解決。而涉及地基巖土層指標(biāo)參數(shù)的問題，則難以有比較通用的參數(shù)模型和解決辦法。這主要是受到巖土工程自身復(fù)雜性、多樣性的制約。

復(fù)雜性首先體現(xiàn)在地質(zhì)環(huán)境條件的復(fù)雜多變。我國(guó)幅員遼闊，不同地域的地質(zhì)條件有較大差異。即便同一區(qū)域，受地質(zhì)構(gòu)造、地層沉積環(huán)境、時(shí)代成因的影響，以及地形地貌的變化及人類活動(dòng)影響等，從單個(gè)工程建設(shè)場(chǎng)地的體量來看，工程地質(zhì)條件也是十分復(fù)雜的，導(dǎo)致巖土特性相關(guān)的數(shù)據(jù)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(chǎng)地的各種地質(zhì)條件。

復(fù)雜性還體現(xiàn)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(jié)形成的，具有固、液、氣三相特性，而且這種顆粒堆積膠結(jié)是不均勻的。從力學(xué)角度看，巖土材料是一種同時(shí)具有粘結(jié)力和摩擦力的雙強(qiáng)度材料，在受力過程中存在兩種強(qiáng)度發(fā)揮與衰減的先后問題［2］。其力學(xué)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(shù)來解決建筑物基礎(chǔ)與地基巖土層之間的受力和變形的協(xié)調(diào)及耦合問題。即便通過試驗(yàn)取得一些參數(shù)，但試驗(yàn)條件很難模擬真實(shí)的情況，實(shí)驗(yàn)尺度一般較小，其結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(duì)巖土工程專業(yè)技術(shù)特點(diǎn)而研發(fā)的功能模塊［1］，導(dǎo)致其在巖土領(lǐng)域的應(yīng)用受限。主要體現(xiàn)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(shù)據(jù)接口不盡相同，互相轉(zhuǎn)換對(duì)接的導(dǎo)入導(dǎo)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(zhì)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(shù)完美銜接融合，尚需工程技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)兩個(gè)層面共同解決。

2 應(yīng)對(duì)之策

從業(yè)界的共識(shí)來說，BIM技術(shù)10%是軟件，90%是生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，BIM的實(shí)質(zhì)是改變?cè)O(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)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(zhuǎn)變傳統(tǒng)的思維方式，盡快建立起較為完善的BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化體系，通過新技術(shù)手段的應(yīng)用來推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。針對(duì)BIM技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域現(xiàn)存的問題和局限性，應(yīng)對(duì)之策有三方面:

1)要向互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的方向轉(zhuǎn)變思維。包括兩個(gè)層面:企業(yè)要重視基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集匯總，每個(gè)企業(yè)建立起自身數(shù)據(jù)庫，完善內(nèi)部數(shù)據(jù)整合，使數(shù)據(jù)源得到保障;行業(yè)協(xié)會(huì)和管理部門應(yīng)盡快建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在更高的層面組織進(jìn)行信息資源的整合與共享，包括BIM與區(qū)域或城市地質(zhì)信息云平臺(tái)的交叉互動(dòng)，以成果質(zhì)量、技術(shù)進(jìn)步、提高效率為目標(biāo)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫和模型體系，消除企業(yè)、地域間的技術(shù)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(guān)軟硬件的資金投入，加大對(duì)巖土技術(shù)人員的培訓(xùn)，要掌握巖土BIM技術(shù)的應(yīng)用，還要做好與設(shè)計(jì)施工的銜接。從建設(shè)單位的角度，要提高對(duì)巖土重要性的認(rèn)識(shí)，提高在巖土勘察、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段的投入。

3)加強(qiáng)巖土BIM技術(shù)的開發(fā)，并做好巖土BIM應(yīng)用成果的二次研究利用，促進(jìn)BIM模型的不斷完善與進(jìn)步，并加強(qiáng)與現(xiàn)行行業(yè)技術(shù)規(guī)范的協(xié)同，使模型模擬與圖紙計(jì)算良性互動(dòng)。除了單個(gè)項(xiàng)目，還要對(duì)同類項(xiàng)目進(jìn)行充分整合和大數(shù)據(jù)挖掘。

3 應(yīng)用前景

3.1 場(chǎng)地巖土工程條件的模型概化

在當(dāng)前的工程活動(dòng)中，規(guī)劃、設(shè)計(jì)人員往往需要通過對(duì)場(chǎng)地的分析來對(duì)建筑布置、景觀和環(huán)境的規(guī)劃、各種配套以及小區(qū)內(nèi)交通流量及路網(wǎng)布設(shè)等影響因素進(jìn)行分析評(píng)價(jià)［3］。傳統(tǒng)方法中，利用勘察成果資料和二維平面地質(zhì)、標(biāo)高等數(shù)據(jù)時(shí)，往往存在不夠直觀，場(chǎng)地定量分析不充分，無法處理大數(shù)據(jù)量的信息，且易受主觀因素影響。若采用基于BIM技術(shù)的應(yīng)用手段，由工程勘察人員采集并建立場(chǎng)地三維數(shù)字地形圖，可以方便規(guī)劃、設(shè)計(jì)人員較直觀的確定建構(gòu)筑物總體平面布置方案，同時(shí)便捷的計(jì)算土方平衡以確定場(chǎng)地的設(shè)計(jì)標(biāo)高體系。其作用在一些山區(qū)、丘陵等地勢(shì)起伏相對(duì)較大的場(chǎng)地，以及鐵路、高速公路等線路工程中表現(xiàn)尤為突出。陳兵等［4］提出了在鐵路勘測(cè)中將勘察數(shù)據(jù)模型化的設(shè)想。

其次，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)工程勘察專業(yè)提供的場(chǎng)地地形地貌特征、巖土工程條件、水文地質(zhì)條件以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)等來對(duì)項(xiàng)目規(guī)劃方案、結(jié)構(gòu)體系、地基基礎(chǔ)、邊坡與基坑支護(hù)、地基加固處理等進(jìn)行方案技術(shù)與造價(jià)等的初步比選與優(yōu)化論證。因此，將勘察成果資料數(shù)據(jù)等各種場(chǎng)地基本巖土工程參數(shù)和信息概化整合進(jìn)BIM模型中，將十分有利于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行相關(guān)量化分析，并大幅優(yōu)化勘察設(shè)計(jì)的銜接和工作效率。

另外，基于BIM系統(tǒng)，對(duì)大量工程實(shí)施結(jié)果的檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行反演推算，對(duì)巖土指標(biāo)、參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，有助于提高巖土工程師對(duì)巖土性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而推動(dòng)巖土力學(xué)在理論發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用上不斷進(jìn)步。這是對(duì)巖土工程大數(shù)據(jù)二次利用的重要方面。

3.2 強(qiáng)化三維地質(zhì)模型，助力地下空間開發(fā)

一般的三維地質(zhì)模型，是將勘察獲取的一組點(diǎn)狀的勘察孔地層資料處理成三維模型，體現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)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(lǐng)域應(yīng)用的可行性，提出了一些實(shí)現(xiàn)途徑和分階段的解決方案。筆者認(rèn)為應(yīng)充分發(fā)揮BIM信息涵蓋面廣、與設(shè)計(jì)施工等深度融合的特點(diǎn)，除基本的地層分布資料外，還應(yīng)將勘察獲取的特性指標(biāo)、參數(shù)等信息整合進(jìn)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(zhì)模型，在參建單位間形成共享，便于設(shè)計(jì)人員直接與地下結(jié)構(gòu)融合進(jìn)行數(shù)值分析與計(jì)算。施工及監(jiān)理人員也能直觀理解建設(shè)場(chǎng)地巖土層和地下水的分布與性質(zhì)以及與主體結(jié)構(gòu)的相對(duì)關(guān)系，有利于施工中的決策判斷。這對(duì)地下結(jié)構(gòu)基坑支護(hù)、降水設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證施工安全順利實(shí)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(nèi)，其與周邊環(huán)境的相互關(guān)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(gòu)筑物的可能性非常大。從城市管理的層面，利用BIM技術(shù)，將各單項(xiàng)工程巖土勘察成果的海量數(shù)據(jù)，與工程設(shè)計(jì)和建造資料進(jìn)行有效整合，形成真正基于巖土工程大數(shù)據(jù)的云端城市三維地質(zhì)模型，是未來城市規(guī)劃建設(shè)以及地下空間開發(fā)利用的必然要求。這個(gè)模型有別于現(xiàn)有的地質(zhì)模型，除了一般的地層空間展布，更包含巖土特性指標(biāo)、承載力、強(qiáng)度、變形及水文參數(shù)等對(duì)工程設(shè)計(jì)施工切實(shí)有用的重要信息。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深入開發(fā)與研究，可解決城市地下空間規(guī)劃、建設(shè)中存在的巖土工程、地質(zhì)環(huán)境方面的難題。

3.3 優(yōu)化巖土工程施工管理

BIM技術(shù)可以輔助項(xiàng)目實(shí)施過程中的管理。如在深基坑巖土項(xiàng)目進(jìn)場(chǎng)前，可通過BIM的精細(xì)建模進(jìn)行場(chǎng)地布置，動(dòng)態(tài)模擬所有機(jī)械設(shè)備的安排與施工布局，最大可能規(guī)避機(jī)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(yīng)用BIM進(jìn)行不同施工方案的模擬，通過調(diào)整施工工序，改進(jìn)相關(guān)施工工藝，盡可能使多種工作面同時(shí)開展，以合理統(tǒng)籌安排整個(gè)施工過程，并根據(jù)不同方案的進(jìn)度情況以及成本預(yù)算綜合選擇最優(yōu)的施工方案。這種模擬預(yù)判可以為決策服務(wù)，從而大幅提高巖土工程實(shí)施的效率。

BIM技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)施工的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，尤其在基坑、軌道交通等地下空間開發(fā)項(xiàng)目中，通過對(duì)采集的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用BIM模型實(shí)時(shí)展示主要構(gòu)件變形及受力等情況，可以為巖土設(shè)計(jì)人員校核安全系數(shù)、指導(dǎo)施工提供重要參考。

4 結(jié)語

BIM技術(shù)是工程行業(yè)發(fā)展與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息科技進(jìn)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(duì)勘察設(shè)計(jì)行業(yè)而言是重要機(jī)遇，為解決超高、超深、超大項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)協(xié)同的難題提供了可行的方向。巖土行業(yè)主管部門應(yīng)統(tǒng)籌考慮，加快巖土BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的完善;巖土工程企業(yè)應(yīng)珍惜機(jī)遇，從思想觀念的轉(zhuǎn)變、人力資源和資金投入等方面著力，在項(xiàng)目中充分利用BIM的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，開展技術(shù)創(chuàng)新，一起開拓巖土工程大數(shù)據(jù)的廣闊前景。

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

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

［3］ 劉清菊，石曉娟，徐美林.談BIM技術(shù)在綠色高爾夫公寓建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2016，42(1):202-203.

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

［5］ 戴一鳴，任 彧.第七屆全國(guó)巖土工程實(shí)錄交流會(huì)特邀報(bào)告——探討B(tài)IM在工程勘察應(yīng)用的可行性［J］.巖土工程技術(shù)，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(jí)工程師，注冊(cè)土木工程師(巖土)