BIM技術(shù)在巖土工程中應(yīng)用前景淺析

【摘要】

巖土工程作為土木工程的重要分支，如何將BIM技術(shù)應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域并與我國國情政策結(jié)合，是目前亟需研究的問題。對BIM技術(shù)的發(fā)展狀況、我國巖土行業(yè)特點與BIM應(yīng)用在巖土工程中的應(yīng)用潛力三方面進行闡述與分析，為推動BIM技術(shù)早日應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，并希望能形成完整的工作模式，從而進一步提升我國巖土工程行業(yè)建設(shè)質(zhì)量和管理水平。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù)；巖土工程；前景淺析；應(yīng)用研究

【中圖分類號】TP391.99【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-05-26

［作者簡介］徐永兵（1981—），男，本科，高級工程師，主要從事建筑工程、巖土工程工作;李家艷（1983—），女，拉祜族，本科，高級工程師，主要從事巖土工程工作。

0 引言

在新一輪科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革中，信息化與建筑業(yè)的融合發(fā)展已成為建筑業(yè)發(fā)展的方向，并將對建筑業(yè)發(fā)展帶來戰(zhàn)略性和全局性的影響［1］。BIM（Building Information Modeling）是一種采用三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成工程項目各種信息的工程數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)對建筑工程的有效管理［2］。BIM作為一種革命性的技術(shù)和生產(chǎn)方式，從其問世而來，已在歐美等發(fā)達國家建筑業(yè)引發(fā)了極大的變革和發(fā)展，迄今為止的多項成功案例，展示了BIM技術(shù)的優(yōu)勢。

美國著名的管理學(xué)者Chuck Eastman于1975年提出BIM概念［3］，2002年Autodesk公司提出了BIM技術(shù)的概念，并將其從一種抽象的理論概念轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N實用的數(shù)字化解決工具。2003年，隸屬于美國總務(wù)署的公共建設(shè)服務(wù)部門的首席設(shè)計所第一次從政府層面提出了一項3D-4D-BIM計劃［4］；其后眾多參與者運用BIM技術(shù)開展了更多的嘗試和探索，比如勞動力的成本估算、全生命周期成本需求、原材料的供應(yīng)鏈管理等都取得了顯著的成果［5-8］。2010年，韓國政府部門積極推動，制定了一套領(lǐng)先的標準指南《BIM 實施指南和路線圖》［9］。同年，新加坡發(fā)布了“新加坡BIM發(fā)展路線計劃”。2012年，日本建筑學(xué)會率先公布了BIM指南，為企業(yè)應(yīng)用BIM提供了必要的指導(dǎo)。2014年，法國使用BIM技術(shù)開發(fā)建設(shè)50萬套房屋，并且要求公共設(shè)施強制實施BIM。2016年，德國通過數(shù)字化運輸項目啟動BIM試點，預(yù)計2020年全面普及BIM應(yīng)用。世界上幾乎所有發(fā)達國家都在應(yīng)用并推廣BIM技術(shù)，且有不少國家都強制應(yīng)用于公共設(shè)施項目。

我國具有廣闊的BIM應(yīng)用市場，但相較于發(fā)達國家BIM的發(fā)展程度還有較大差距。目前我國建筑業(yè)生產(chǎn)模式落后，對于數(shù)字化目標和標準制定沒有統(tǒng)一規(guī)范，但隨著政府與行業(yè)巨頭逐漸認識到BIM的優(yōu)勢，BIM發(fā)展在國內(nèi)也逐漸明朗。在“十五”計劃和“十一五”計劃期間，BIM技術(shù)已成為國家科技支撐計劃重點項目。2011年，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒發(fā)《2011-2015建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》。2012年，我國BIM國標正式立項，以支持建筑業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的信息化發(fā)展。其中包括《建筑工程設(shè)計信息模型交付標準》《建筑工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標準》等。2016年，住建部印發(fā)了《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，強調(diào)：“十三五”時期，要推進建筑業(yè)信息化，著力增強BIM、大數(shù)據(jù)、智能化、移動通訊、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)集成應(yīng)用能力，建筑業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化取得突破性進展；2020年，住建部頒布了《城市信息模型CIM基礎(chǔ)平臺技術(shù)導(dǎo)則》，以指導(dǎo)BIM技術(shù)應(yīng)用，為城市建設(shè)發(fā)展提供重要的技術(shù)支持。雖然國內(nèi)BIM技術(shù)起步較晚，但是現(xiàn)已進入快速發(fā)展軌道。BIM技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域已在穩(wěn)步發(fā)展，但是作為土木工程重要分支的巖土工程領(lǐng)域雖有部分應(yīng)用，但鮮有對BIM技術(shù)在巖土領(lǐng)域的可行性、價值性與巖土行業(yè)的指導(dǎo)規(guī)范等方面進行系統(tǒng)性的探討和研究。

1 巖土工程行業(yè)特點與BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 巖土工程行業(yè)發(fā)展

在百科全書上，闡述了巖土工程的定義：作為一門全新的學(xué)科，以工程地質(zhì)學(xué)與地基基礎(chǔ)工程學(xué)為基礎(chǔ)，發(fā)揮土力學(xué)與巖石力學(xué)理論的導(dǎo)向作用。在建設(shè)的過程中，有效地解決巖體與土體方面的工程技術(shù)問題。1986年，國家計劃委員會在全國逐漸推廣普及巖土工程機制，發(fā)揮政府的導(dǎo)向作用，使得巖土工程業(yè)發(fā)生了巨大的變革，主要可分為幾個階段：

（1）拓展執(zhí)業(yè)范疇，制定行業(yè)技術(shù)體制。進一步完善巖土工程體制，規(guī)定其主要工作內(nèi)容包括：巖土工程勘察、巖土工程設(shè)計、巖土工程施工和巖土工程監(jiān)測（檢測、測試），其核心目的是充分發(fā)揮彼此的關(guān)聯(lián)性，使得工程勘察服務(wù)于工程建設(shè)全過程，達到巖土工程整體治理目的。

（2）完善巖土工程從業(yè)單位。我國推行巖土工程體制從勘察單位開始，勘察單位從自身基礎(chǔ)出發(fā)，對其觀念上、機制上和功能上等多方面進行整體改革。從單一的勘察工作，拓展集工程勘察與設(shè)計施工一體的勘察設(shè)計單位。

（3）發(fā)揮巖土工程師的核心作用。1998年，啟動注冊土木工程師（巖土）資格考試制度，2002年實施第一次注冊巖土工程師資格考試，2009年，正式實施注冊巖土工程師執(zhí)業(yè)，促進巖土工程機制的建立。

（4）制定行業(yè)規(guī)范與標準。1994年國家發(fā)布GB 50021-1994《巖土工程勘察規(guī)范》，隨后又出臺了許多行業(yè)規(guī)范。例如：GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》、JGJ 120-2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》等，又因巖土工程的特殊與地域性，各地也出臺許多相關(guān)的地方性標準，推動巖土工程業(yè)的體制改革，規(guī)范巖土工程從業(yè)人員操守，保證巖土工程項目質(zhì)量。

（5）注重技術(shù)研發(fā)與人才培養(yǎng)。技術(shù)創(chuàng)新是企業(yè)的生命，人才培養(yǎng)是行業(yè)發(fā)展的血液。我國工程勘察企業(yè)在勘察測試驗裝備方面獲得了積極的發(fā)展，面向復(fù)雜巖土工程問題的通過數(shù)值分析方法和基于GIS平臺、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的信息化建設(shè)也取得了長足進步。在20世紀90年代中期，計算機輔助巖土工程（CAGE）的理念就已被明確提出了。規(guī)定在高等院校的培養(yǎng)中，也要保證提供充足和高質(zhì)量的從業(yè)人員，保障行業(yè)發(fā)展。

1.2 巖土工程行業(yè)主要低效原因

1.2.1 參建單位銜接協(xié)作不力

我國勘察機制承襲前蘇聯(lián)模式已久，現(xiàn)今我國在巖土工程行業(yè)國有或國有為主的企業(yè)占主導(dǎo)。雖然政府不斷促進改革，但是部分企業(yè)還沒有建立現(xiàn)代化企業(yè)制度，部分企業(yè)從業(yè)資質(zhì)單一，往往多數(shù)項目需要多單位協(xié)同合作。巖土勘察、工程設(shè)計、項目施工、工程監(jiān)理往往由不同的單位負責。在實際工作中，勘察單位提供勘察場地的工程地質(zhì)條件和存在的地質(zhì)問題，卻少有設(shè)計解決問題的具體方案。并且在施工設(shè)計環(huán)節(jié)，現(xiàn)場所遇開挖地質(zhì)情況，也不能及時與勘察單位協(xié)調(diào)，所以勘察單位往往與設(shè)計施工單位脫節(jié)；傳統(tǒng)項目監(jiān)測單位監(jiān)測數(shù)據(jù)依靠紙質(zhì)與電子文件匯報，未能達到實時動態(tài)數(shù)據(jù)交互，事故安全僅僅依靠監(jiān)測單位人員的專業(yè)性與經(jīng)驗性，與設(shè)計施工單位協(xié)同性不足；傳統(tǒng)設(shè)計單位輸出二維平面圖紙，不僅繪圖工作量大并且容易出現(xiàn)差錯，而施工單位只能依據(jù)海量的施工圖紙施工，對施工指導(dǎo)性差，施工組織困難，所以傳統(tǒng)的二維CAD設(shè)計方式正面臨挑戰(zhàn)，亟需提高設(shè)計單位與施工單位的協(xié)調(diào)性。

1.2.2 傳統(tǒng)工作模式協(xié)同性差

傳統(tǒng)的的巖土工程模式已經(jīng)成為行業(yè)規(guī)則，但是其協(xié)同性差、效率低是越發(fā)需重視的問題。傳統(tǒng)工作過程一般包括：①在勘察階段，勘察資料提交給設(shè)計方；②設(shè)計方依據(jù)勘察報告對項目方案進行設(shè)計與計算，確定設(shè)計方案后提交給施工方；③施工方依據(jù)設(shè)計方案，開展施工作業(yè)；④監(jiān)理方監(jiān)督項目各方作業(yè)，在施工方施工過程中，如遇安全與質(zhì)量問題，又將情況反饋給甲方與設(shè)計方；⑤突發(fā)情況后，設(shè)計方考慮是否變更設(shè)計，如遇地質(zhì)問題又要考慮是否補助勘察作業(yè)；⑥設(shè)計方（勘察方）變更設(shè)計與資料重新提交給施工方。

項目實施中，如遇特殊情況，項目方案需變更，設(shè)計人員便需花大量時間修改二維圖紙，再與其他單位協(xié)調(diào)，修改一張圖紙，便會牽涉到其他圖紙。如此反復(fù)修改，不僅加大人工工作量，而且造成大量紙質(zhì)材料浪費；并且傳統(tǒng)方案圖紙實施性差，對項目結(jié)構(gòu)信息表達繁雜，對施工人員專業(yè)性要求高；項目方案修改期間，對項目工程進度也會造成延誤，對施工單位造成經(jīng)濟損失；方案修改不免影響到材料的采購與使用，對于工程造價人員，不確定性的方案變更，對其統(tǒng)計成本造價也提出巨大的挑戰(zhàn)。這些都證明了傳統(tǒng)工程模式不足以滿足日益復(fù)雜的巖土工程安全、質(zhì)量、進度、效益等方面的實際要求。

1.2.3 項目信息查詢與管理方法效率不高

在巖土工程設(shè)計過程中，需要以各種信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)與支持。對于勘察單位，野外記錄表、巖土測試數(shù)據(jù)、鉆孔編錄表等信息文件；對于設(shè)計單位，設(shè)計方案、設(shè)計計算文件等相關(guān)報告；對于施工單位，施工日志、施工組織計劃等相關(guān)信息；對于監(jiān)理單位，監(jiān)理日志、監(jiān)理報告等相關(guān)報告。項目全過程中有許多文件，但目前項目資料都以紙質(zhì)版管理，無法快速查詢與檢索其中信息；另外巖土各專業(yè)間也未實現(xiàn)協(xié)同工作，還未實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的成果轉(zhuǎn)移方式，不僅影響數(shù)據(jù)的管理，也不利于項目效率的提升，同時也增加了溝通成本；現(xiàn)階段對于數(shù)據(jù)資產(chǎn)未形成知識沉淀，對于管理人員的依賴性強，如果人員流動，對于項目數(shù)據(jù)的提取增添困難，甚至數(shù)據(jù)丟失。不僅影響項目數(shù)據(jù)的保存與后期復(fù)核，同時也無法對后面類似項目提供有效的幫助。

1.3 BIM技術(shù)在巖土工程行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)BIM技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用研究主要集中在具體技術(shù)、開發(fā)以及項目解決方案的研究。如黃佳銘等［10］對BIM技術(shù)在巖土工程勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)測等具體方面的技術(shù)問題進行了研究；戴一鳴等［11］探討了BIM在巖土工程勘察領(lǐng)域應(yīng)用的可行性；楊繼波與郭一家等［12-15］都將BIM技術(shù)應(yīng)用于實際項目中，證明其有利于推進工程建設(shè)及城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展。易三美與黃迪［16-17］結(jié)合BIM技術(shù)，開展地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)三維建模嘗試。目前我國BIM在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用正在慢慢起步，但是由于軟件功能模塊有限，使得BIM科技在巖土工程中的運用仍然存在一定的局限性，對于BIM技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用可行性和應(yīng)用價值鮮有研究系統(tǒng)的成果。

2 BIM在巖土工程中應(yīng)用潛力

2.1 巖土工程勘察

對于國家政策的響應(yīng)，與克服傳統(tǒng)工作模式的弊端。急需推動在巖土工程勘察的信息化發(fā)展，巖土勘察過程中使用BIM技術(shù)，能夠充分了解項目的地質(zhì)模型、鉆孔位置、項目周邊情況及地下水流場等詳細信息，進而全方位、多角度、立體化地展示巖土勘察過程中的各個環(huán)節(jié)，有效提高工程勘察質(zhì)量。

勘察單位可利用鉆孔的原始數(shù)據(jù)與地形圖，通過將鉆孔信息輸入BIM軟件系統(tǒng)，并結(jié)合各個鉆孔的坐標、高程信息與地形圖信息繪制出地質(zhì)三維模型（圖1）。采用BIM技術(shù)建立地質(zhì)模型，除了常規(guī)建立出地質(zhì)體模型的幾何信息之外，還可以增加鉆孔、剖面、地震信息、物探數(shù)據(jù)、土層參數(shù)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)等等大量的工程信息數(shù)據(jù)，方便各參建單位查詢與調(diào)閱。有效提高勘察單位與其他參建單位的溝通，增強多方的協(xié)同性。

2.2 巖土工程設(shè)計

在勘察單位提供的地質(zhì)模型基礎(chǔ)上提取地質(zhì)信息，其三維地質(zhì)模型具有可視化的特征，且創(chuàng)造了信息查詢便捷的工作環(huán)境，可直接實現(xiàn)開挖方量的精細化計算。在傳統(tǒng)的巖土工程設(shè)計中，許多工作需要試驗并計算才能發(fā)現(xiàn)方案的問題與優(yōu)化調(diào)整，但采用BIM技術(shù)的模型功能，便能很好實現(xiàn)檢測方案設(shè)計的合理性?；谂鲎矙z測功能，不僅能使得設(shè)計方案更加合理與準確，并且提高了設(shè)計的效率與降低了成本支出。

BIM技術(shù)雖缺少巖土計算板塊的功能，但隨著有限元軟件的發(fā)展，出現(xiàn)了有限元軟件與BIM軟件銜接的數(shù)據(jù)端口，可實現(xiàn)BIM模型導(dǎo)入有限元軟件計算，不僅避免了在有限元軟件中建模的重復(fù)工作，還實現(xiàn)了設(shè)計方案準確的穩(wěn)定性計算。規(guī)避了傳統(tǒng)二維剖面計算的誤差與安全浪費，提升了項目整體的安全性與經(jīng)濟性。

另外在設(shè)計成果的展示方面，BIM技術(shù)本身可視化功能便可將相關(guān)設(shè)計模型全面詳細并且立體地展現(xiàn)出來，有助于評審人員更為清晰地了解設(shè)計方案的意圖與建設(shè)預(yù)期效果（圖2）。并且不免會遇到修正方案的情況，采用BIM技術(shù)建立項目信息模型，能使得設(shè)計人員的效率大大提高。例如針對復(fù)雜的基坑設(shè)計方案，針對修正方案，可以直接修改三維模型，更改后的模型可直接實現(xiàn)施工出圖的目標，規(guī)避了修改方案，而不修正施工圖紙的現(xiàn)象。

2.3 巖土工程施工

2010年，美國伊利諾伊大學(xué)Golparvar-Fard、密歇根大學(xué)Silvio Savarese和哥倫比亞大學(xué)Feniosky Pefa-Mora等人共同合作，使用BIM技術(shù)和攝像技術(shù)相結(jié)合，重建施工場景，在3D模型可視化應(yīng)用的基礎(chǔ)上添加時間維度，通過合理安排進度計劃實現(xiàn)對施工過程進度跟蹤和控制［18］。在順序漸進的發(fā)展中，BIM模型演變成集成了進度、預(yù)算、資源、施工組織等關(guān)鍵信息，對施工過程進行模擬，及時為施工過程中的技術(shù)、生產(chǎn)、商務(wù)等環(huán)節(jié)提供準確的形象進度、物資消耗、過程計量、成本核算等核心數(shù)據(jù)，提升溝通和決策效率，幫助客戶對施工過程進行數(shù)字化管理，從而達到節(jié)約時間和成本，提升項目管理質(zhì)量的目的（圖3）。

并且利用BIM技術(shù)自身的可視化，有效的指導(dǎo)了施工，特別在于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)處，三維的模型比二維的圖紙更易理解，提高了施工的效率與質(zhì)量。并且由4D的施工實際進度生成5D工程量統(tǒng)計，輔助工程造價管理，在施工的全過程中，能嚴格把控混凝土、木材、鋼板、鋼筋等主要材料的損耗量，可實現(xiàn)實時的工程量統(tǒng)計。

2.4 巖土工程監(jiān)測

傳統(tǒng)的監(jiān)測簡報多數(shù)采取數(shù)據(jù)、表格與圖表等匯報模式，當采用BIM模型與實際工程項目的監(jiān)測信息結(jié)合時，可運用監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析軟件，并參照現(xiàn)場測量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過計算得出變形量；在三維模型通過有限元計算后，針對應(yīng)力與變形較大處，重點監(jiān)測與維護；在監(jiān)測過程中，做到定時定位監(jiān)測，及時將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋與導(dǎo)入信息模型中，實時而動態(tài)的三維演示監(jiān)測變形。在發(fā)現(xiàn)問題時，能及時采取相應(yīng)的措施，把事故隱患消除于萌芽階段。

3 總結(jié)與展望

伴隨著國家城鎮(zhèn)化的不斷推進，建筑業(yè)規(guī)模也在迅速擴大。隨著新常態(tài)經(jīng)濟環(huán)境的到來，傳統(tǒng)粗放式的建設(shè)管理模式已不再適用于如今信息化時代。BIM技術(shù)作為建設(shè)領(lǐng)域最主要的信息技術(shù)，已經(jīng)擔負著工程建設(shè)實現(xiàn)改革發(fā)展的主要職責。巖土工程專業(yè)作為土木工程重要分支，在信息技術(shù)方面相對于其他建設(shè)領(lǐng)域處于落后狀態(tài)。需要工程從業(yè)人員與建設(shè)單位不斷加強對BIM技術(shù)的研究與實踐探索，也需要研究人員對BIM技術(shù)的各項新功能進行研發(fā)。目前將BIM技術(shù)廣泛應(yīng)用于巖土工程行業(yè)還存在一定的困難，但是未來基于BIM技術(shù)的工作模式必然會取代傳統(tǒng)的工作方法，BIM技術(shù)的應(yīng)用將進一步提升我國巖土工程建設(shè)質(zhì)量和管理水平。

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