礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程BIM技術(shù)的應(yīng)用探索

朱曉勇，胡國(guó)長(zhǎng)

（江蘇省山水資源開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司，江蘇南京 210001）

礦山地質(zhì)環(huán)境治理是貫徹“綠水青山就是金山銀山”理念、落實(shí)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措，是統(tǒng)籌推進(jìn)山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)的重要內(nèi)容。在礦山地質(zhì)環(huán)境治理各階段工作中，工程設(shè)計(jì)至關(guān)重要，提出治理目標(biāo)，采取治理措施，部署工程實(shí)施，直接決定了治理工作成效。利用工程測(cè)算軟件基于二維平面模型開(kāi)展工程設(shè)計(jì)，工作效率低、成果不夠全面，在一定程度上制約了礦山地質(zhì)環(huán)境治理工作的科學(xué)高效與規(guī)范性。建筑信息模型，簡(jiǎn)稱BIM 技術(shù)（Building Information model）在建筑行業(yè)的應(yīng)用充分證明其技術(shù)先進(jìn)和方法優(yōu)越[1]。然而，BIM技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程中鮮有應(yīng)用。應(yīng)用BIM 技術(shù)，以礦山邊坡削坡降坡工程設(shè)計(jì)為例，通過(guò)精細(xì)化建模，實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程設(shè)計(jì)的三維數(shù)字可視化、虛擬施工模擬、工程評(píng)價(jià)與分析等功能，推進(jìn)工程信息化和規(guī)范化，為礦山地質(zhì)環(huán)境治理過(guò)程的質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本等動(dòng)態(tài)管理提供技術(shù)支撐，更好地服務(wù)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工作。

1 BIM技術(shù)應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

BIM 技術(shù)是一種多維(三維空間、四維時(shí)間、五維成本、N維更多應(yīng)用)模型信息集成技術(shù)，在項(xiàng)目從概念產(chǎn)生到建成投產(chǎn)的整個(gè)生命周期內(nèi)，可以使項(xiàng)目建設(shè)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(yè)人員依靠符號(hào)文字形式圖紙進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理的工作方式[2-3]。BIM技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程中的應(yīng)用有以下優(yōu)點(diǎn)：能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境治理項(xiàng)目全生命周期的管理[4]；實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和施工動(dòng)態(tài)模擬；實(shí)現(xiàn)工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度、預(yù)算全面控制；容易實(shí)現(xiàn)深化設(shè)計(jì)，提升項(xiàng)目質(zhì)量；三維模型對(duì)比清晰、直觀，有利于施工指導(dǎo)；實(shí)現(xiàn)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(xiàn)平臺(tái)，方便主管單位、建設(shè)單位、設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)理、監(jiān)測(cè)等參建單位查詢項(xiàng)目實(shí)施信息和管理礦山地質(zhì)環(huán)境治理工作。

2 BIM技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程中的應(yīng)用思路

以Revit 建立的BIM 模型廣泛應(yīng)用在建筑工程領(lǐng)域，其BIM結(jié)構(gòu)和建筑建構(gòu)一一對(duì)應(yīng)，難以滿足礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程實(shí)際情況。雖然基于IFC的BIM擴(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)，但帶來(lái)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和信息不匹配因素給礦山地質(zhì)環(huán)境治理信息數(shù)據(jù)集成帶來(lái)極大的冗余。構(gòu)成建筑中BIM 軟件體系龐大，對(duì)于相對(duì)建構(gòu)簡(jiǎn)單的礦山地質(zhì)環(huán)境治理模型顯得頭重腳輕，帶來(lái)了巨大的成本浪費(fèi)和維護(hù)代價(jià)。

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(zhì)環(huán)境治理工程構(gòu)建三維模型及實(shí)現(xiàn)模型深化應(yīng)用。采用常用的三維軟件構(gòu)建礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程的模型數(shù)據(jù)，將模型和其對(duì)應(yīng)4D 信息建立關(guān)聯(lián)，當(dāng)需要完成BIM 功能時(shí)，指定特定的機(jī)制實(shí)現(xiàn)二者之間信息通信和融合，由此提供BIM 模型支撐服務(wù)。通常而言，使用GIS 平臺(tái)的使用即為BIM數(shù)據(jù)組織提供了便利，也提供了BIM技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程中不可或缺的分析能力。利用ARCGIS 平臺(tái)強(qiáng)大的三維展現(xiàn)和分析功能、空間數(shù)據(jù)組織功能，與常用的3DMAX模型構(gòu)建能力相結(jié)合，建立起滿足礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程的BIM 模型結(jié)構(gòu)，根據(jù)建立的BIM 模型體系，采用BIM 技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程中設(shè)計(jì)可視化、方案優(yōu)化、應(yīng)用模擬等功能。

3 基于BIM技術(shù)礦山邊坡削坡工程設(shè)計(jì)模型構(gòu)建

3.1 BIM模型設(shè)計(jì)技術(shù)路線

礦山地質(zhì)環(huán)境治理的BIM模型設(shè)計(jì)從礦山治理專業(yè)角度出發(fā)，充分考慮模型的空間結(jié)構(gòu)和屬性信息，結(jié)合施工工序，形成以設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以礦山地質(zhì)環(huán)境治理過(guò)程中的質(zhì)量控制、成本控制、進(jìn)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(dǎo),達(dá)到施工管理和治理目標(biāo)。施工模擬階段依據(jù)成果樣表、模型時(shí)間及BIM 模型數(shù)據(jù)，通過(guò)可視化方法模擬施工過(guò)程[11]?；A(chǔ)數(shù)據(jù)是構(gòu)建三維展示平臺(tái)的基礎(chǔ)，也是BIM 技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程中應(yīng)用的依據(jù)，主要包括交通道路數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、地形地貌、氣象數(shù)據(jù)、地層巖性分布、地質(zhì)構(gòu)造與區(qū)域穩(wěn)定性、水文地質(zhì)特征，滑坡概率、巖體崩塌概率等邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)，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(fēng)化狀況等。

結(jié)合礦山地質(zhì)環(huán)境治理的實(shí)際情況，礦山地質(zhì)環(huán)境治理BIM 模型設(shè)計(jì)技術(shù)路線如下：①依據(jù)設(shè)計(jì)建立礦山地質(zhì)環(huán)境治理中的模型對(duì)象，采用軟件設(shè)計(jì)BIM模型，并保存為可支持存儲(chǔ)的格式數(shù)據(jù)，將BIM與質(zhì)量信息、安全信息、進(jìn)度信息、成本信息建立關(guān)聯(lián)[12]；②對(duì)建立的BIM模型進(jìn)行性能分析，反復(fù)修改論證，直至符合要求；③依據(jù)BIM模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出工程預(yù)算表、施工進(jìn)度安排、工程填挖方量等資源信息表；④設(shè)計(jì)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)BIM 技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程中的應(yīng)用。

3.2 BIM模型構(gòu)建方法

BIM技術(shù)支持礦山地質(zhì)環(huán)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(huì)發(fā)生信息流失，減少信息歧義和不一致。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要建立一個(gè)面向全生命周期的BIM 信息集成平臺(tái)及其BIM 數(shù)據(jù)的保存、跟蹤和擴(kuò)充機(jī)制，對(duì)項(xiàng)目各階段相關(guān)的工程信息進(jìn)行有機(jī)的集成。結(jié)合礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程的實(shí)際情況，礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程設(shè)計(jì)BIM 模型構(gòu)建方法如下：①依據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程設(shè)計(jì)建立礦山邊坡削坡降坡工程的模型對(duì)象，采用模型軟件設(shè)計(jì)BIM 模型，并保存為可支持存儲(chǔ)的格式數(shù)據(jù)。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(duì)圖件中施工布置圖專題范圍與標(biāo)段范圍不吻合、偏差較大的情況，需要人工進(jìn)行修正。通過(guò)3DMAX 將修正和篩選的CAD 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行翻模，構(gòu)建三維模型、模型貼圖；②將三維模型倒入GeoDatabase 數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成MultiPatch 數(shù)據(jù)，為模型指定空間參考系。原AutoCAD 圖件2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系、中央經(jīng)線120°、黃海/85高程，BIM數(shù)據(jù)庫(kù)2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系；③將BIM 與質(zhì)量信息、安全信息、進(jìn)度信息、成本信息建立關(guān)聯(lián)；④對(duì)BIM 模型進(jìn)行性能分析、修改論證，達(dá)到精準(zhǔn)使用要求。BIM模型構(gòu)建過(guò)程如圖1所示。

圖1 BIM模型構(gòu)建過(guò)程

3.3 邊坡削坡降坡工程設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)

3.3.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程中邊坡削坡降坡工程設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)礦山邊坡削坡降坡工程設(shè)計(jì)方法動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換為BIM 三維模型，通過(guò)對(duì)模型的預(yù)覽、修改、細(xì)化、分析、統(tǒng)計(jì)、模擬功能，動(dòng)態(tài)展現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境治理中邊坡削坡降坡工程設(shè)計(jì)和施工過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)礦山邊坡削坡降坡工程設(shè)計(jì)和施工階段數(shù)據(jù)等資料備案、合同管理、資料動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、分析檢索等功能。

3.3.2 系統(tǒng)功能模塊

基于BIM技術(shù)的礦山邊坡削坡降坡工程設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)包括6個(gè)功能模塊：系統(tǒng)管理、調(diào)查建檔、信息建模與信息管理、施工過(guò)程模擬、信息輸出與共享、三維場(chǎng)景展示。每個(gè)模塊下面包含一系列的子模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程需要的數(shù)據(jù)，建立基于BIM技術(shù)的礦山邊坡削坡降坡工程設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)框架如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)框架圖

3.4 礦山邊坡削坡工程設(shè)計(jì)BIM模型

將CAD 二維平面設(shè)計(jì)圖，使用3DMAX 軟件翻模，生成3ds 三維模型。模型依據(jù)實(shí)際情況貼圖渲染，導(dǎo)入到GeoDataBase數(shù)據(jù)庫(kù)中。動(dòng)態(tài)輸入BIM模型數(shù)據(jù)，構(gòu)建礦山邊坡削坡降坡工程設(shè)計(jì)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(jià)、機(jī)械施工、施工材料、人工施工、工序模型、分區(qū)信息、項(xiàng)目信息等，實(shí)現(xiàn)了BIM 模型的4D 信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖4 礦山邊坡削坡降坡工程設(shè)計(jì)BIM模型圖

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程中涉及的各種數(shù)據(jù)、工序、信息在空間上抽象、歸納、總結(jié)、信息化，運(yùn)用BIM 技術(shù)構(gòu)建了符合礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程BIM模型結(jié)構(gòu)，該模型結(jié)構(gòu)涵蓋了三維模型構(gòu)件和構(gòu)件屬性信息，形成五位一體（三維結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、安全、成本、進(jìn)度）的BIM結(jié)構(gòu)化模型，為礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)的建立提供三維BIM 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

（2）針對(duì)BIM 技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，著力解決礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、模型化等關(guān)鍵技術(shù)難題，推廣應(yīng)用適宜于不同項(xiàng)目圖形特征設(shè)計(jì)信息化、模塊化、自動(dòng)化及三維可視化數(shù)字技術(shù)，及時(shí)準(zhǔn)確地為礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程實(shí)施提供數(shù)據(jù)資料、BIM 模型管理、模擬計(jì)算、4D數(shù)據(jù)輸出及使用等，滿足礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程設(shè)計(jì)及施工的數(shù)字化要求，為江蘇省礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程數(shù)字信息化管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)方法。

（3）BIM技術(shù)應(yīng)用于礦山邊坡削坡降坡工程設(shè)計(jì)，通過(guò)精細(xì)化三維建模，建設(shè)設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行工藝技術(shù)參數(shù)驗(yàn)算及數(shù)據(jù)提取，具有可視化、模擬、協(xié)調(diào)、優(yōu)化、出圖的功能，可以實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程全壽命周期內(nèi)的信息數(shù)據(jù)共享和協(xié)同設(shè)計(jì)，減少了設(shè)計(jì)和施工專業(yè)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(guó)大力推廣。

5 展望

除了邊坡削坡降坡工程之外，礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程中涉及的滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害治理、客土噴播和圍堰穴植等生態(tài)復(fù)綠、擋土墻、截排水溝等分項(xiàng)工程及工序也很有必要實(shí)行BIM 技術(shù)數(shù)字信息化管理，結(jié)合礦山地質(zhì)環(huán)境治理BIM 技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，逐步實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境治理整體工藝方法的BIM 技術(shù)管理，促進(jìn)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工作全面信息化和現(xiàn)代化，并為各級(jí)自然資源主管部門(mén)提供決策依據(jù)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和前景。