BIM技術在巖土工程中應用研究

黃佳銘，鄭先昌，侯劍，賀冰，劉陽（.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東廣州 50060； .廣州大學，廣東廣州 50006；.武漢聯動設計股份有限公司，湖北武漢 40070）

BIM技術在巖土工程中應用研究

黃佳銘1?，鄭先昌2，侯劍3，賀冰1，劉陽2
（1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東廣州 510060； 2.廣州大學，廣東廣州 510006；3.武漢聯動設計股份有限公司，湖北武漢 430070）

這幾年BIM技術飛速發展，給建筑業帶來的變革有目共睹，特別是在建筑、水電、設備和結構專業中效果顯著，相比之下巖土工程專業上BIM應用尚處于起步階段?，F有BIM軟件針對巖土工程需要而開發的功能模塊有限，部分功能在BIM實現起來尚有一定的難度；但這并不代表BIM不適用于巖土工程，通過二次開發，軟件升級等過程可以克服這些困難。本文通過對BIM在巖土工程中的運用進行的研究，證明BIM技術完全可以運用在巖土工程的多個領域中，并且具有以往傳統方法所沒有的優勢。

BIM；建筑信息模型；巖土工程；應用

1 前 言

BIM是Building Information Modeling的簡稱，譯為建筑信息模型?？梢院唵卫斫鉃閷⒂嘘P于建筑構件的建筑信息分類儲存于數據庫中，建立參數化的三維模型，根據工程需要調取構件中的建筑信息進行分析、計算與統計和圖形表達等功能。結合現有的計算機信息共享技術，可以實現多方協調工作，BIM可以運用在建筑的整個生命周期中。

目前BIM技術在我國工程建設的運用中發展迅速，其中建筑、水電、設備和結構專業的應用相對成熟。相比之下巖土工程BIM應用尚處于起步階段，目前的BIM軟件大多尚無專門針對巖土工程專業技術特點而研發的功能模塊。所以僅僅根據現有軟件的功能和模塊，將BIM技術應用到巖土工程的實際項目中還需要專門處理。

2 BIM技術在巖土工程中的運用

2.1 在巖土工程勘察上的運用

2.1.1 建立三維地質模型

三維地質模型的在實際工程的運用中具有十分重要的意義［1］?，F有勘察報告中普遍采用的柱狀圖、剖面圖與鉆孔平面信息作為成果，報告使用人再根據這些成果重構整個地質情況，不同人重構模型具有一定的差異，從而可能會導致報告成果出現人為錯誤，從而降低成果質量；建立三維地質模型，可以將地層信息融合到地質模型中，展示方式不再局限于點（鉆孔柱狀圖）和面（鉆孔剖面圖）的形式，表示方式更直觀，可以完整地將場地地質情況展示。

針對大范圍的研究區域、山區復雜巖層地區、地層破碎嚴重地區等地質情況復雜地區的三維地質建模尚有技術上的難題未攻克，需要針對研究對象進行二次開發才能真正實現模型的建立。但是一般工民建項目，具有建設場地范圍小、地層變化相對較小、地層信息相對簡單的特點，三維地質模型的建立實現起來較簡單，現有軟件也能達到理想效果。故三維地質模型的運用在一般工民建項目中具有良好的應用前景。

現有BIM平臺中實現三維地質建模的方法有幾種，各有特色，可以根據工程的需要選用其中一種，相對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簡單的建模方法。

（1）利用Civil 3D最新的曲面建模的方法，將每個地層的層頂標高和坐標導入生成三維的曲面數據，再由曲面之間的相互關系生成實體，即為每層土（巖）層實體。所生成的實體可以進行布爾運算，可以對基坑開挖進行模擬。該方法支持鉆孔信息的批量導入，使用方便，對于局部透鏡和剪滅土（巖）層，須事先計算限制邊界和標高后方可導入，如圖1所示。

圖1　通過曲面獲取三維地質實體

? 收稿日期:2015—12—25

作者簡介:黃佳銘（1987—），男，碩士，主要從事巖土工程技術工作。

基金項目：廣州市科技計劃項目科技惠民專項（2014-K-0511）

（2）利用Revit平臺中構建樓板的功能模擬地層的方法構建三維地質模型，采用修改子圖元功能增加鉆孔點位，對每層土（巖）的分界面標高信息進行定義，該方法生成的三維地質模型為體模型，同樣可以進行編輯、統計、分析、剖切等操作。但是Revit平臺的剪切功能，剪切后須保留輔助圖元，但如果剪切過多時，會導致輔助圖元過多，容易混淆，并且在各個視圖中需隱藏輔助圖元，操作繁瑣。

2.1.2 對三維地質模型的運用

（1）對模型可以任意剖切，生成地質剖面圖。開挖模擬后的地質模型結合支護模型或者基礎模型，可以清晰地了解基坑支護結構和基礎底面處相應標高處的地質情況。方便設計人員對方案進行下一步的設計優化工作，如圖2所示。

圖2　三維地質模型地層的拆分展示

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

2.2 在巖土工程設計上的運用

2.2.1 碰撞檢測

碰撞檢測功能在BIM平臺中是運用得最為廣泛的功能之一，該模塊可以驗證我們設計方案的合理性，減少設計錯誤帶來的成本浪費，同樣在巖土專業中也用得上這個功能。如樁基礎與持力層模型進行碰撞檢測，可計算出樁群樁端進入持力層的深度，根據碰撞結果再調整樁長保證在滿足設計要求的前提下，樁長按最經濟的方案定，減少工程造價，如圖3所示。

圖3　基樁與持力層的碰撞檢測圖

2.2.2 三維可視化與快速出圖

利用BIM平臺強大的建模功能，對基坑支護平臺進行詳細的三維建模。在基坑設計方案的展示和評審中，三維模型的運用可以更好地讓專家和業主了解到方案最終建成后的效果和整體的設計意圖。將模型導入游戲引擎中進行渲染后，可以達到在模型中以第一人稱視覺進行漫游的效果，可以從任意視角觀察模型，并且模型附帶材質，視覺效果直觀，如圖4所示。

圖4　某基坑支護結構三維可視化

基坑前期出初步方案時，時間較為緊迫，留給技術人員計算出圖的時間有限。設計方案經常修改，只要方案一變動，設計圖中的平面圖和剖面圖就必須聯動修改，設計人員通常須花很多時間在畫圖工作上。而在BIM平臺上做設計和調整方案，可以提高技術人員的工作效率。復雜的基坑方案可以一次建模，多面出圖；修改方案時直接修改三維模型，平面圖和剖面圖聯動更新，避免以往剖面圖修改了平面圖上還沒更新的情況，減少圖紙的錯誤。

2.2.3 與其他專業聯合設計

BIM平臺的出現使得建筑的多專業之間的聯通與配合不再局限于平面圖紙上，各專業設計人員可以依據統一的設計原始資料在同一個BIM平臺上進行設計。如圖5所示，模型結合了地質、基坑支護、基礎和主體結構多個模型。通過多專業模型的整合和碰撞，消除不同專業之間的設計沖突，可最大限度地優化設計方案。當出現方案變更時，各專業人員可及時調整方案，實現多方協調工作的效果。

圖5　多專業模型整合

2.3 在巖土工程施工上的運用

2.3.1 施工動態模擬

BIM 5D技術已經逐步推廣，國內也有軟件能實現相應的功能，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現BIM 5D動態模擬，直觀、精確地反映整個施工過程，有助于施工方對整個工程的施工進度、資源調配和質量安全進行統一的管理和控制，也可以進一步對原有的施工方案進行優化和改善［2，3］。

一些復雜的施工步驟，如逆作法施工順序和內支撐拆除順序在制定施工方案之前，可以通過平臺上的模擬進行驗證，確保方案的合理性和安全性。

2.3.2 施工指導

復雜的鋼筋混凝土結構節點，在平面圖紙上表示并沒有三維模型直觀，BIM模型可以將復雜的鋼筋布置建模，多角度察看，對鋼筋綁扎施工有很好的指導作用。

結合三維激光掃描，點云逆向建模技術，將逆向建立的模型與設計BIM模型進行誤差對比，可以驗證施工是否準確，從而檢驗施工的質量。如圖6為某構件的設計模型與逆向建模模型的疊加對比，可分析現場施工與的差異情況。

圖6　設計模型與逆向建立模型疊加對比

2.4 在巖土工程監測中的運用

不同于以往監測簡報數據表格與圖表的匯報方式，現有的軟件可以讓基坑變形以三維的形式展示。以基坑沉降變形監測項目為例，將現場所測的監測數據，通過監測數據分析軟件進行計算，得出變形量；結合監測點的空間位置信息，可在三維建模軟件中，利用插值法，計算輸出整個場地的沉降云圖。這種表現方法可以通過沉降云圖掌握所有監測點的變形情況，更清晰地了解場地的沉降變形情況，如圖7所示。

圖7　場地沉降變形云圖

三維可視化與現場的自動監測系統、監測數據自動處理系統結合，可實現監測變形實時三維化展示，這是BIM技術在巖土工程監測中的運用趨勢。

3 BIM在巖土工程中運用的要點

（1）巖土工程中BIM軟件的運用

BIM并不是一個軟件的事，嚴格地說BIM不是一類軟件的事，而且每一類軟件的選擇也不止是一個產品［4］。要充分發揮BIM價值為項目創造效益，涉及常用的BIM軟件數量就有十幾個到幾十個之多。這對技術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，通過不同的軟件組合實現理想的工程目的成為關鍵。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）參數化構件的制作與積累

參數化構件是BIM模型的基礎，在Revit中也叫族庫［5］。Revit族庫就是把大量Revit圖元賦予特性、參數等屬性，并分類歸檔以數據庫的形式保存。巖土工程不同于建筑和結構工程，有很多圖元須另外制作，隨著項目的開展和深入積累一套自己獨有的族庫對企業自身BIM的推廣和發展有很重要的作用。在以后的工作中，這些族庫數據可直接被調用，根據實際情況修改參數，便可以提高工作效率?？梢哉fRevit族庫是一種無形的知識生產力，族庫的質量，是巖土工程企業核心競爭力的一種體現。

（3）根據工程需要進行二次開發

市場上尚未有針對巖土工程所開發的BIM軟件，現有巖土工程的很多應用都無法實現，故根據項目需要對BIM做二次開放是十分必要的?；旧厦總€BIM軟件都提供了應用程序編程接口（API:Application Programming Interface），外部程序可通過API操縱和訪問軟件。通過編寫一段程序可以實現用點擊菜單命令的方式能達到設計的目的；設定一些參數條件篩選圖元進行分析計算；編寫平臺沒有的計算公式；根據現有出圖標準修改出圖方式等；通過二次開發非但可以提高工作效率，也可以實現原軟件達不到的效果，拓寬BIM在巖土工程中的應用。

圖8　巖土工程中運用的BIM軟件系列之一

4 結 論

（1）BIM技術的推廣須同時結合國家BIM相關技術標準制定，良好的市場需求，BIM軟件持續發展，企業積極配合?，F今國家相關標準已在計劃中，某些地方政府部門已制定相關政策，有針對性地強制使用BIM技術，甲方對BIM帶來的效益也越來越肯定，這都表明BIM技術的廣泛使用將成為趨勢，作為企業須做好應對準備。

（2）隨著軟件進步和技術人員的努力，證明了BIM技術完全可以運用在巖土工程的多個領域中，并且具有以往傳統方法所沒有的優勢。

（3）巖土工程中對BIM的應用大多基于三維地質模型，包括土方量計算，基坑支護建模，多專業模型結合等?，F有軟件建立三維地質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域推廣BIM須考慮的問題。

（4）盡管BIM在巖土工程專業中有大作為，但仍需廣大巖土工程技術人員不斷探索新的用途，結合實際項目才能讓BIM給企業帶來真正的效益。

［1］何建春.地質體三維空間形態隱式模擬的若干技術研究［D］.長沙：中南大學，2011.

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

［3］李衛華.BIM在電氣化鐵路接觸網設計和施工中的應用［J］.中國西部科技，2014（4）：55～62.

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

［5］張紅，宋萍萍，楊震卿.Revit在產業化住宅建筑中的應用研究［J］.建筑技術，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中圖分類號：P628+.4

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