建筑信息模型在凍結(jié)鑿井施工的關(guān)鍵應(yīng)用

和曉楠， 周曉敏， 季維偉

(北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

圖1 建筑信息模型與傳統(tǒng)工作流效果對(duì)比Fig.1 Comparison of the building information model and traditional workflow effect

現(xiàn)階段，以建筑信息模型(BIM)為代表的信息技術(shù)正深刻改變著傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理方式(如圖1)，其經(jīng)歷計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)(computer-aided architectural design，CAAD)、建筑描述系統(tǒng)(building description system，BDS)、互動(dòng)圖形設(shè)計(jì)語(yǔ)言(graphical language for interactive design，GLIDE)、建筑產(chǎn)品模型(building product model，BPM)、通用建筑模型(generic building model，GBM)等階段多次完善，包含“虛擬設(shè)計(jì)與施工”(virtual design and construction，VDC)和“一體化項(xiàng)目模型”(integrated project models，IPM)[1-6]。中國(guó)建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 198—2007《建筑對(duì)象數(shù)字化定義(building information model platform)》[7]定義BIM為：“建筑信息完整協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)組織，便于計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行訪問(wèn)、修改或添加。這些信息包括按照開放工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)的建筑設(shè)施的物理和功能特點(diǎn)以及其相關(guān)的項(xiàng)目或生命信息周期。”以信息為核心，BIM包括三部分：建筑信息建模(building information modeling)、建筑信息表達(dá)(building information model)和建筑信息管理(building information management)[8-9]。BIM信息模型的集成性和協(xié)調(diào)性使得大部分工程問(wèn)題在設(shè)計(jì)(或模擬施工)階段得以檢查和解決，改變了傳統(tǒng)施工問(wèn)題“先發(fā)現(xiàn)、再解決”的模式，且覆蓋到整個(gè)項(xiàng)目的生命周期[10-12]。

自BIM于1975年提出后，在歐美建筑行業(yè)逐步興起和發(fā)展，但在中國(guó)或其他行業(yè)中適用性不足，需要解決“本地化”“專業(yè)化”的問(wèn)題[13-15]。本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外BIM研究趨勢(shì)及發(fā)展現(xiàn)狀，明確國(guó)際技術(shù)水平和中國(guó)應(yīng)用特點(diǎn)，總結(jié)地下巖土工程BIM使用經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合立井凍結(jié)工程實(shí)際，提出了項(xiàng)目級(jí)行業(yè)特色BIM應(yīng)用流程及內(nèi)容，建立凍結(jié)模型族庫(kù)及3D整體模型，并進(jìn)一步地在凍結(jié)鉆孔、設(shè)備布置、進(jìn)度優(yōu)化等方面進(jìn)行了關(guān)鍵應(yīng)用，可視化效果好，工程實(shí)用性強(qiáng)。

1 BIM的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 研究趨勢(shì)分析

圖2 SCI-E逐年文獻(xiàn)數(shù)量及各國(guó)占比Fig.2 The number of SCI-E literatures and the proportion of countries year by year

圖3 SCI-E BIM文獻(xiàn)關(guān)鍵詞逐年占比Fig.3 The proportion of key words in SCI-E BIM literature

圖4 中國(guó)知網(wǎng) BIM文獻(xiàn)逐年數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistics of BIM literature in CNKI

理想的BIM通用模型及其互操作性還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到[16-17]，分析趨勢(shì)確認(rèn)方向是進(jìn)一步發(fā)展的前提。基于SCI-E(science citation index expanded)數(shù)據(jù)庫(kù)，以“BIM”為關(guān)鍵詞對(duì)近5年土木工程及施工技術(shù)領(lǐng)域(engineering civil，construction building technology)檢索，國(guó)際文獻(xiàn)數(shù)量逐年增長(zhǎng)，中國(guó)文獻(xiàn)占比逐年增加(圖2)；“施工(construction)”“設(shè)計(jì)(design)”“管理(management)”分列研究方向的前三位(圖3)?；贑NKI中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，以“BIM應(yīng)用”“BIM設(shè)計(jì)”“BIM施工”“BIM管理”為關(guān)鍵詞對(duì)近10年工程科技Ⅱ輯文獻(xiàn)(包括建筑科學(xué)與工程、水利水電技術(shù)、公路與水路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸?shù)?檢索，中國(guó)研究自2011年顯著增加，環(huán)比增長(zhǎng)速度穩(wěn)定在50%以上，與國(guó)際趨勢(shì)不同，設(shè)計(jì)與管理占比較大(圖4)。特別地，礦業(yè)工程近5 a BIM文獻(xiàn)數(shù)量不足20，開展礦建BIM應(yīng)用研究極為必要。BIM施工首當(dāng)其沖，應(yīng)滿足工程需求以調(diào)動(dòng)行業(yè)技術(shù)革新的積極性。

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及軟件

鑒于BIM的優(yōu)勢(shì)和障礙，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定和軟件工具的開發(fā)也在積極發(fā)展[18-23]。其中較為重要的是，國(guó)際工業(yè)協(xié)同聯(lián)盟(industry alliance for interoperability，IAI)于1995年提出了面向?qū)ο蟮娜S數(shù)據(jù)模型IFC標(biāo)準(zhǔn)(industry foundation classes)，經(jīng)多年迭代成為了用于數(shù)據(jù)共享交換的開放性國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；美國(guó)于2007年頒布了基于IFC的《國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)》(national bim standard，NBIMS)，是最早頒布并應(yīng)用統(tǒng)一BIM標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家，隨后在2015年從標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、資源三個(gè)方面進(jìn)行了補(bǔ)充完善；英國(guó)于2009年頒布了《英國(guó)建筑業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn)》(AEC(UK)BIM Standard)，并后續(xù)制定了面向兩大主流BIM軟件平臺(tái)的《AEC(UK)BIM Standard for Autodesk Revit》和《AEC(UK)BIM Standard for Bentley Product》，大幅提高了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用性。而中國(guó)的BIM起步較晚，借鑒已有BIM應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(表1)相繼推出一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并明確了BIM發(fā)展目標(biāo)[24]，以達(dá)到“國(guó)際化接軌”和“本地化應(yīng)用”的雙重要求。

BIM應(yīng)用涵蓋多專業(yè)內(nèi)容，軟件工具需要滿足不同專業(yè)方向、使用層次的功能要求[25-26]。Autodesk、Bentley和Dassault Styterms三大國(guó)際平臺(tái)具有完整BIM解決方案；中國(guó)則以插件形式與主流國(guó)際軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)特色性功能[27-37]?，F(xiàn)有軟件工具(表2)大多服務(wù)于建筑行業(yè)，限制了其他工程領(lǐng)域BIM的發(fā)展。

表1 現(xiàn)階段不同國(guó)家和地區(qū)BIM技術(shù)規(guī)范指導(dǎo)文件Table 1 Guidance documents for BIM indifferent countries

表2 現(xiàn)有主要BIM軟件平臺(tái)工具Table 2 Major BIM softwares and platforms

1.3 地下工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

目前，BIM最顯著的特點(diǎn)，同時(shí)也是缺點(diǎn)，是行業(yè)發(fā)展不平衡。建筑行業(yè)經(jīng)過(guò)一系列重點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)踐，如“中國(guó)尊”“上海國(guó)際金融中心”“望京SOHO”“武漢綠地中心”等[38-41]，在整體信息管理與應(yīng)用上穩(wěn)步提高；但地下工程的工程信息載體仍是面向元素設(shè)計(jì)的CAD圖紙，其與BIM集中管理資源的形式區(qū)別很大[42]。特別的，凍結(jié)鑿井工程機(jī)械化、信息化程度較高，在礦山建設(shè)和市政地鐵行業(yè)潛力巨大[43-45]，工程信息僅僅依靠人員管理已經(jīng)無(wú)法滿足發(fā)展需求[46-48]。

BIM先進(jìn)性已得到廣泛認(rèn)可，在地下工程也有所發(fā)展且潛力巨大[49-51]。限于篇幅僅舉幾例，濟(jì)南西客站站前廣場(chǎng)地下工程針對(duì)復(fù)雜管線的布置和安裝引入BIM，按二維圖紙搭建三維模型，提前發(fā)現(xiàn)并統(tǒng)計(jì)了設(shè)計(jì)圖紙中存在的碰撞問(wèn)題，針對(duì)性地進(jìn)行了調(diào)整與優(yōu)化，使得施工過(guò)程中出現(xiàn)管道設(shè)計(jì)變更的可能性大大降低[52]。西成客專清涼山隧道在三維建模、施工模擬、工程量統(tǒng)計(jì)、輔助出圖等方面進(jìn)行了探索與實(shí)踐，認(rèn)可BIM在隧道行業(yè)的先進(jìn)性和可行性，指出在配套專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、開發(fā)軟件工具方面還需更深層次的考慮和發(fā)展[53]。深圳地鐵9號(hào)線工程規(guī)范了深化模型設(shè)計(jì)的工作流程，對(duì)管線及結(jié)構(gòu)物進(jìn)行了碰撞檢查[54]。英國(guó)Cross隧道實(shí)現(xiàn)了貫穿于設(shè)計(jì)、施工、移交、操作和維護(hù)整個(gè)生命周期的BIM應(yīng)用，表明BIM不僅僅用于協(xié)調(diào)交付階段，也用于管理工程生命周期階段[55]。

地下工程BIM應(yīng)用內(nèi)容和層次都有待提高，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)工具不夠完備。具體地講，現(xiàn)有規(guī)范主要解釋基本概念和建議應(yīng)用內(nèi)容，涉及除建筑外其他行業(yè)的內(nèi)容無(wú)從參考；且現(xiàn)有軟件工具基本都立足于成熟應(yīng)用的建筑行業(yè)[56]，無(wú)法在凍結(jié)鑿井工程中完整使用。地下工程情況相對(duì)復(fù)雜，工程大多按專業(yè)分離式管理，整體協(xié)調(diào)性有限，在現(xiàn)有方針指導(dǎo)下盲目使用BIM完成工程設(shè)計(jì)施工工作是不可取的。依據(jù)目前技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)行業(yè)特色內(nèi)容制定工作流程，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用較為可行。

2 項(xiàng)目級(jí)BIM策劃

2.1 整體策劃內(nèi)容

現(xiàn)有BIM標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)路線不能直接套用到其他工程行業(yè)[57-58]，結(jié)合凍結(jié)鑿井工程特點(diǎn)和企業(yè)內(nèi)部需求，提出了適用于凍結(jié)鑿井工程施工階段BIM模型的創(chuàng)建、使用和管理的BIM應(yīng)用流程(圖5)，主要包含三維模型繪制與仿真模擬施工。

2.2 三維建模及模型分類

三維模型是BIM應(yīng)用基礎(chǔ)，據(jù)不同階段主要分有初步設(shè)計(jì)模型，深化設(shè)計(jì)模型，施工過(guò)程模型和竣工驗(yàn)收模型。初步設(shè)計(jì)模型據(jù)施工圖保證基本尺寸；深化設(shè)計(jì)模型細(xì)化模型元素，形成必要的三維模型視圖(圖6)；施工過(guò)程模型據(jù)施工工藝對(duì)模型元素進(jìn)行必要的拆分、合并，關(guān)聯(lián)施工進(jìn)度信息；竣工驗(yàn)收模型據(jù)工程項(xiàng)目竣工驗(yàn)收要求修改而成。

2.3 施工進(jìn)度及成本管理

圖5 凍結(jié)鑿井BIM技術(shù)應(yīng)用流程Fig.5 Application process of BIM in freezing shaft sinking

圖6 深化設(shè)計(jì)的建模流程Fig.6 Deepen design modeling process

進(jìn)度管理為施工實(shí)際進(jìn)度和計(jì)劃進(jìn)度的跟蹤對(duì)比分析、進(jìn)度預(yù)警、進(jìn)度偏差分析、進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整等(圖7)。成本管理與施工管理類似，通過(guò)信息模型與實(shí)際信息的關(guān)聯(lián)與匹配，按進(jìn)度、部位、分項(xiàng)、分包商等分類完成預(yù)算報(bào)表、成本核算和成本分析(圖8)。

圖7 進(jìn)度管理應(yīng)用流程Fig.7 Progress management application process

圖8 成本管理應(yīng)用流程Fig.8 Cost management application process

3 BIM關(guān)鍵應(yīng)用

3.1 凍結(jié)設(shè)備族庫(kù)及工程模型

目前軟件預(yù)設(shè)族類局限于建筑行業(yè)[59]，礦建領(lǐng)域需建立具有專業(yè)特色的族庫(kù)。建立凍結(jié)特色族庫(kù)，組建完整3D模型，并可以生成傳統(tǒng)圖紙(圖9)，可視化技術(shù)大幅提高施工技術(shù)交流效率。

圖9 凍結(jié)站3D模型及其生成圖紙F(tuán)ig.9 3D models and drawing of freezing station

3.2 參數(shù)化鉆孔定位及設(shè)備布置

圖10 凍結(jié)孔設(shè)計(jì)參數(shù)化編程示意Fig.10 Parametric programming for freezing hole design

通過(guò)制定數(shù)據(jù)模板并鏈接設(shè)計(jì)參數(shù)(圖10)，可視化編程程序[60-61]使得整個(gè)設(shè)計(jì)建模過(guò)程中凍結(jié)孔定位鉆進(jìn)及凍結(jié)站布置工作程序化、參數(shù)化，快速高效。

3.3 鉆孔軌跡動(dòng)態(tài)碰撞檢查

凍結(jié)鉆孔作業(yè)相比地勘專業(yè)，具有孔數(shù)多，精度高的特點(diǎn)，為解決偏率計(jì)算效率不高、平面偏斜圖不直觀的問(wèn)題，使用BIM碰撞檢查工具實(shí)現(xiàn)了鉆孔軌跡管控(圖11)，每孔每水平實(shí)時(shí)檢測(cè)。

圖11 碰撞檢查流程Fig.11 Clash detective process

3.4 凍結(jié)施工仿真與進(jìn)度管理

BIM 4D(3D模型+時(shí)間)施工進(jìn)度模擬技術(shù)較為成熟[62-63]。將凍結(jié)三維模型導(dǎo)入、關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)進(jìn)度信息，進(jìn)行可視化仿真施工尋找并解決工程問(wèn)題(圖12)；關(guān)聯(lián)實(shí)際進(jìn)度信息用于現(xiàn)場(chǎng)管理決策。

圖12 進(jìn)度關(guān)聯(lián)與管理界面Fig.12 The progress management screen

4 結(jié)論與展望

BIM是物理功能信息的先進(jìn)表達(dá)方式。本文分析國(guó)內(nèi)外研究趨勢(shì)后，以凍結(jié)鑿井施工為對(duì)象，對(duì)BIM在企業(yè)項(xiàng)目級(jí)策劃流程和關(guān)鍵應(yīng)用進(jìn)行了探索研究，取得以下經(jīng)驗(yàn)：

(1)BIM應(yīng)用需進(jìn)行全面而詳細(xì)的規(guī)劃。借鑒規(guī)范經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合行業(yè)特色，落腳工程實(shí)際；本文提出并應(yīng)用了凍結(jié)鑿井項(xiàng)目級(jí)BIM應(yīng)用規(guī)劃，明確BIM應(yīng)用內(nèi)容和流程，提高傳統(tǒng)技術(shù)人員的BIM認(rèn)識(shí)水平，劃分各部門職責(zé)與相應(yīng)責(zé)任，為現(xiàn)場(chǎng)工程管理和技術(shù)交流提供了基礎(chǔ)。

(2)BIM在其他行業(yè)中的發(fā)展需循序漸進(jìn)。本文依據(jù)凍結(jié)鑿井施工特點(diǎn)，建立了專用設(shè)備、材料模型族庫(kù)，并編程實(shí)現(xiàn)了孔位、設(shè)備的參數(shù)化布置，極大提高了建模效率和可視化進(jìn)程；細(xì)分凍結(jié)鑿井施工工序、工期，在試點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行了施工進(jìn)度模擬與管理，效果良好。另外，利用BIM技術(shù)對(duì)鉆孔軌跡實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)監(jiān)控以助防偏糾偏決策，將凍結(jié)工程關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題納入到凍結(jié)鑿井BIM體系，下一步應(yīng)積極開展BIM平臺(tái)的建設(shè)。

(3)BIM的內(nèi)涵是與時(shí)俱進(jìn)的，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。本文結(jié)合凍結(jié)鑿井特色進(jìn)行的BIM調(diào)研與關(guān)鍵應(yīng)用雖取得良好效果，但受制于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、軟件平臺(tái)及行業(yè)現(xiàn)狀的發(fā)展，巖土特色的BIM信息框架平臺(tái)、與巖土數(shù)值分析數(shù)據(jù)傳遞是亟待解決的問(wèn)題。