BIM在巖土工程中的應(yīng)用及教學(xué)改革研究探討

鄔忠虎

摘要：隨著BIM技術(shù)不斷深化與拓展，巖土工程領(lǐng)域可以利用BIM技術(shù)自身優(yōu)勢進(jìn)行應(yīng)用，探究怎樣將BIM技術(shù)引入巖土工程學(xué)科教學(xué)之中顯得愈發(fā)重要。BIM技術(shù)可以與巖土工程領(lǐng)域有限元軟件結(jié)合進(jìn)行三維地質(zhì)建模；將其運(yùn)用到巖土工程勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)同一平臺(tái)多專業(yè)協(xié)同。結(jié)合BIM技術(shù)對巖土工程領(lǐng)域?qū)W科進(jìn)行教學(xué)改革探究，調(diào)整課程教學(xué)、課程設(shè)計(jì)安排，充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，使其緊密聯(lián)系課程體系，符合巖土工程的發(fā)展趨勢，對巖土工程專業(yè)的教學(xué)改革提供可借鑒的新思路。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；巖土工程；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）22-0120-03

一、前言

BIM的英文名全稱是Building Information Modeling，中文名字是建筑信息模型。作為一種理念或思想，它以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息[1]。隨著BIM技術(shù)不斷深化與拓展，其在我國很多領(lǐng)域例如建筑、水利水電、能源應(yīng)用與結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域充分應(yīng)用?？梢詫⑵浞抡婊⒖梢暬?、信息化的優(yōu)勢運(yùn)用到巖土工程領(lǐng)域，對其研究作用越發(fā)重要，促進(jìn)巖土工程發(fā)展[2]。

在巖土工程領(lǐng)域?qū)W科教學(xué)中，教師應(yīng)該基于BIM技術(shù)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用BIM技臺(tái)設(shè)計(jì)工程方案，依據(jù)其他工程信息設(shè)計(jì)三維模型，并利用BIM技術(shù)的信息屬性，學(xué)會(huì)計(jì)算工程所需參數(shù)信息。

二、BIM技術(shù)在巖土工程中的運(yùn)用

（一）BIM技術(shù)在巖土工程勘察中的運(yùn)用

1.基于BIM技術(shù)三維地質(zhì)建模。BIM技術(shù)擁有強(qiáng)大的建模功能，主要應(yīng)用于建筑方面，其三維可視化可以應(yīng)用到巖土工程勘察領(lǐng)域，進(jìn)行三維地質(zhì)建模（圖1）。三維地質(zhì)模型對于巖土工程實(shí)際運(yùn)用具有重要作用與意義[3]。三維地質(zhì)模型可以將當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造形態(tài)直觀地呈現(xiàn)在巖土工程師與施工人員面前，并帶領(lǐng)工程人員進(jìn)行視覺漫游，可以進(jìn)行施工的動(dòng)態(tài)模擬，能準(zhǔn)確地把地質(zhì)構(gòu)造、施工過程模擬出來，并且能隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，不斷優(yōu)化施工方案，有效節(jié)約了巖土工程的成本。

BIM技術(shù)相對于巖土工程實(shí)現(xiàn)三維建模的規(guī)模相對較小，針對比較小型的項(xiàng)目，可以建立起完善的三維地質(zhì)模型，但對于較大范圍的研究區(qū)域，地質(zhì)巖層構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域、多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成地層破壞嚴(yán)重的區(qū)域，例如西南地區(qū)的云貴高原等復(fù)雜構(gòu)造區(qū)，基于BIM技術(shù)的三維地質(zhì)構(gòu)造建模技術(shù)尚處于起步階段，實(shí)現(xiàn)起來需要攻克難題。

2.BIM技術(shù)與有限元軟件結(jié)合。巖土工程領(lǐng)域需要用到的很多數(shù)值模擬軟件，例如Ansys、RFPA、Abaqus等有限元軟件，是否可以將BIM技術(shù)與巖土工程領(lǐng)域的有限元建模軟件結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)三維巖土工程勘察可視化、信息化、智能化（圖2）。

BIM技術(shù)與巖土工程的有限元數(shù)值建模軟件結(jié)合起來可以實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型任意方向的剖切分析，可以在模擬工程地基開挖以后的基礎(chǔ)模型，BIM技術(shù)信息化的特點(diǎn)使得每個(gè)基質(zhì)單元都帶有體積信息，那么就可以根據(jù)工程需要計(jì)算出土方量，使得工程造價(jià)更為精準(zhǔn)。

（二）BIM技術(shù)在巖土工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用

1.碰撞檢測。BIM技術(shù)平臺(tái)中使用最廣泛的功能之一是碰撞檢測，設(shè)計(jì)方案的過程中可以減少設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，有效節(jié)約生產(chǎn)成本。巖土工程中也能運(yùn)用到這個(gè)技術(shù)，例如樁基礎(chǔ)與持力層的碰撞檢測，通過檢測，就能計(jì)算出樁端進(jìn)入持力層的深度，可以計(jì)算出樁的長度，并且進(jìn)行合適的調(diào)整，確保設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性，使巖土工程的造價(jià)得到有效控制，節(jié)約成本[4]。

2.三維可視化效果。BIM技術(shù)模型貫穿整個(gè)全壽命周期，其平臺(tái)本身具有強(qiáng)大的模擬效果的功能，建立的三維模型可以經(jīng)過一定的加工，形成立體的三維模型，與游戲引擎VR技術(shù)結(jié)合，可以在任何視覺、任何角度對建立的三維模型進(jìn)行視覺漫游，達(dá)到多角度觀察和分析的目的。同時(shí)BIM技術(shù)模型本身也是一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含了各專業(yè)的三維數(shù)據(jù)信息[5]。

3.與其他專業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)。通過工程的設(shè)計(jì)施工等傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，不同工種相互之間的溝通與協(xié)調(diào)過程復(fù)雜而煩瑣。不同工種、不同專業(yè)之間的設(shè)計(jì)人員可以基于同一個(gè)BIM平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在同一個(gè)BIM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同，管網(wǎng)綜合，空間利用凈空優(yōu)化。不同專業(yè)之間比如巖土、結(jié)構(gòu)、電氣、機(jī)械、給排水專業(yè)等一起結(jié)合，加快工程設(shè)計(jì)和施工進(jìn)度。BIM成果與內(nèi)裝、外裝的配合，提高準(zhǔn)確性；減少重復(fù)施工和投資，并指導(dǎo)工程精確計(jì)算，合理安排施工工期及物料組織[6]。

（三）BIM技術(shù)在巖土工程監(jiān)測中應(yīng)用

傳統(tǒng)的巖土工程監(jiān)測是通過數(shù)據(jù)、簡圖和報(bào)表的形式，沒有直觀地呈現(xiàn)出巖土工程概況。BIM技術(shù)平臺(tái)的運(yùn)用使三維模式的巖土工程監(jiān)測成為了現(xiàn)實(shí)，例如通過三維動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)呈現(xiàn)出基坑沉降過程，通過計(jì)算軟件可以監(jiān)測計(jì)算出相關(guān)數(shù)據(jù)，最后得出變形量，生成基坑的沉降云圖，并且可以進(jìn)行相關(guān)應(yīng)力分析。

三、BIM在巖土工程學(xué)科中的教學(xué)改革探索

步入新時(shí)代，我國高校都在積極探索BIM技術(shù)怎樣融入課程中，特別是在巖土工程領(lǐng)域?qū)W科，傳統(tǒng)的教學(xué)方式是書本結(jié)合現(xiàn)場實(shí)習(xí)，如果將BIM技術(shù)融入高校教學(xué)中，可以改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，利用BIM技術(shù)優(yōu)勢，將課程中對工程場景書面表達(dá)轉(zhuǎn)化為生動(dòng)的視覺漫游，與工程現(xiàn)場形成可交互式的三維立體的模擬現(xiàn)場，讓學(xué)生產(chǎn)生直接深刻的感性認(rèn)識(shí)。

（一）結(jié)合BIM技術(shù)下的課堂教學(xué)改革

課堂教學(xué)中傳統(tǒng)的二維圖形結(jié)合文字與多媒體的教學(xué)方式應(yīng)該被摒棄，巖土工程學(xué)科的課程教學(xué)中應(yīng)用BIM的三維立體模型，再結(jié)合二維圖形進(jìn)行參考，能增加對圖形的理解，并在課堂上對BIM技術(shù)的原理與算法進(jìn)行分析介紹。讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)踐操作，基于BIM技術(shù)平臺(tái)下進(jìn)行簡單的三維設(shè)計(jì)，熟悉軟件基礎(chǔ)操作，提高學(xué)生的三維設(shè)計(jì)思維能力，將理論與實(shí)踐結(jié)合起來。

（二）結(jié)合BIM技術(shù)的課程設(shè)計(jì)改革

將BIM技術(shù)引入課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，課程設(shè)計(jì)所需繪圖軟件可以結(jié)合BIM技術(shù)進(jìn)行繪制，加深學(xué)生對BIM技術(shù)平臺(tái)的認(rèn)識(shí)，可以讓學(xué)生在繪圖軟件上結(jié)合BIM技術(shù)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)開始之前進(jìn)行完整的軟件基礎(chǔ)教程課程。

在開始課程設(shè)計(jì)之前，先讓學(xué)生按照畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行選題，然后根據(jù)所學(xué)的地質(zhì)學(xué)和巖土工程領(lǐng)域知識(shí)運(yùn)用到課程設(shè)計(jì)之中，先學(xué)會(huì)實(shí)用BIM建模軟件中的Revit、Gocad和Catia繪制基本方案，然后根據(jù)老師的指導(dǎo)進(jìn)行三維模型的建立，根據(jù)相關(guān)專業(yè)制圖規(guī)范進(jìn)行修改，然后再寫出設(shè)計(jì)說明書，上交作業(yè)。完成了基本制圖、BIM技術(shù)的Revit、Gocad和Catia軟件等基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)課程以后，課程設(shè)計(jì)安排在大四上學(xué)期，從第3周開始，設(shè)計(jì)過程采取上課集中指導(dǎo)、現(xiàn)場勘查與繪制圖的方式相結(jié)合，課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排如表1所示。

課程設(shè)計(jì)安排在第3周至第10周，第一和第二周進(jìn)行理工知識(shí)的講解，讓學(xué)生對基礎(chǔ)知識(shí)有個(gè)宏觀了解，以便于掌握后面的實(shí)際操作。

四、結(jié)語

BIM技術(shù)可以將其仿真化、可視化、信息化的優(yōu)勢運(yùn)用到巖土工程領(lǐng)域，其三維可視化可以應(yīng)用到巖土工程勘察領(lǐng)域，進(jìn)行三維地質(zhì)建模；將BIM技術(shù)與巖土工程領(lǐng)域的有限元建模軟件結(jié)合起來進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。隨著BIM技術(shù)不斷優(yōu)化，其在巖體工程領(lǐng)域越顯重要，積極探索BIM技術(shù)怎樣融入高校課程之中顯得愈發(fā)重要，在高校巖土領(lǐng)域科學(xué)課程之中引入BIM技術(shù)，使其與課程體系緊密聯(lián)系在一起，并將其引入到課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，提高學(xué)生的三維設(shè)計(jì)思維能力，將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，符合巖土工程領(lǐng)域?qū)I(yè)發(fā)展趨勢，對促進(jìn)巖土工程教學(xué)有著重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]林孝城.BIM在巖土工程勘察成果三維可視化中的應(yīng)用[J].福建建筑，2014，（06）：111-113.

[2]周鵬.BIM技術(shù)在巖土工程中應(yīng)用研究[J].建筑知識(shí)，2017，37（08）：78-79.

[3]黃佳銘，鄭先昌，侯劍，賀冰，劉陽.BIM技術(shù)在巖土工程中應(yīng)用研究[J].城市勘測，2016，（02）：157-160.

[4]郭岐山.BIM技術(shù)在巖土工程中應(yīng)用簡述[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2017，（12）：203-204.

[5]張國峰.BIM在建筑工程巖土勘察三維虛擬現(xiàn)實(shí)可視化中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，2017，48（3）：275-277.

[6]龍輝元.BIM技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討與案例[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2010，02（4）：89-93.