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

BIM技術(shù)在巖土工程中應(yīng)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(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510060； 2.廣州大學(xué)，廣東廣州 510006；3.武漢聯(lián)動設(shè)計股份有限公司，湖北武漢 430070）

這幾年BIM技術(shù)飛速發(fā)展，給建筑業(yè)帶來的變革有目共睹，特別是在建筑、水電、設(shè)備和結(jié)構(gòu)專業(yè)中效果顯著，相比之下巖土工程專業(yè)上BIM應(yīng)用尚處于起步階段。現(xiàn)有BIM軟件針對巖土工程需要而開發(fā)的功能模塊有限，部分功能在BIM實現(xiàn)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(fā)，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(shù)完全可以運用在巖土工程的多個領(lǐng)域中，并且具有以往傳統(tǒng)方法所沒有的優(yōu)勢。

BIM；建筑信息模型；巖土工程；應(yīng)用

1 前 言

BIM是Building Information Modeling的簡稱，譯為建筑信息模型。可以簡單理解為將有關(guān)于建筑構(gòu)件的建筑信息分類儲存于數(shù)據(jù)庫中，建立參數(shù)化的三維模型，根據(jù)工程需要調(diào)取構(gòu)件中的建筑信息進行分析、計算與統(tǒng)計和圖形表達等功能。結(jié)合現(xiàn)有的計算機信息共享技術(shù)，可以實現(xiàn)多方協(xié)調(diào)工作，BIM可以運用在建筑的整個生命周期中。

目前BIM技術(shù)在我國工程建設(shè)的運用中發(fā)展迅速，其中建筑、水電、設(shè)備和結(jié)構(gòu)專業(yè)的應(yīng)用相對成熟。相比之下巖土工程BIM應(yīng)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(yè)技術(shù)特點而研發(fā)的功能模塊。所以僅僅根據(jù)現(xiàn)有軟件的功能和模塊，將BIM技術(shù)應(yīng)用到巖土工程的實際項目中還需要專門處理。

2 BIM技術(shù)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(zhì)模型

三維地質(zhì)模型的在實際工程的運用中具有十分重要的意義［1］。現(xiàn)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(jù)這些成果重構(gòu)整個地質(zhì)情況，不同人重構(gòu)模型具有一定的差異，從而可能會導(dǎo)致報告成果出現(xiàn)人為錯誤，從而降低成果質(zhì)量；建立三維地質(zhì)模型，可以將地層信息融合到地質(zhì)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(zhì)情況展示。

針對大范圍的研究區(qū)域、山區(qū)復(fù)雜巖層地區(qū)、地層破碎嚴重地區(qū)等地質(zhì)情況復(fù)雜地區(qū)的三維地質(zhì)建模尚有技術(shù)上的難題未攻克，需要針對研究對象進行二次開發(fā)才能真正實現(xiàn)模型的建立。但是一般工民建項目，具有建設(shè)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(zhì)模型的建立實現(xiàn)起來較簡單，現(xiàn)有軟件也能達到理想效果。故三維地質(zhì)模型的運用在一般工民建項目中具有良好的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有BIM平臺中實現(xiàn)三維地質(zhì)建模的方法有幾種，各有特色，可以根據(jù)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(dǎo)入生成三維的曲面數(shù)據(jù)，再由曲面之間的相互關(guān)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(dǎo)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(dǎo)入，如圖1所示。

圖1　通過曲面獲取三維地質(zhì)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(shù)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(gòu)建樓板的功能模擬地層的方法構(gòu)建三維地質(zhì)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(zhì)模型為體模型，同樣可以進行編輯、統(tǒng)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(dǎo)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(zhì)模型的運用

（1）對模型可以任意剖切，生成地質(zhì)剖面圖。開挖模擬后的地質(zhì)模型結(jié)合支護模型或者基礎(chǔ)模型，可以清晰地了解基坑支護結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)底面處相應(yīng)標高處的地質(zhì)情況。方便設(shè)計人員對方案進行下一步的設(shè)計優(yōu)化工作，如圖2所示。

圖2　三維地質(zhì)模型地層的拆分展示

（2）土石方開挖（填方）量的統(tǒng)計，BIM的一個最大的優(yōu)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(jù)原始的三維地質(zhì)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(yù)算計算更為精準。

2.2 在巖土工程設(shè)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(shè)計方案的合理性，減少設(shè)計錯誤帶來的成本浪費，同樣在巖土專業(yè)中也用得上這個功能。如樁基礎(chǔ)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(jù)碰撞結(jié)果再調(diào)整樁長保證在滿足設(shè)計要求的前提下，樁長按最經(jīng)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(shè)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(yè)主了解到方案最終建成后的效果和整體的設(shè)計意圖。將模型導(dǎo)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(zhì)，視覺效果直觀，如圖4所示。

圖4　某基坑支護結(jié)構(gòu)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(shù)人員計算出圖的時間有限。設(shè)計方案經(jīng)常修改，只要方案一變動，設(shè)計圖中的平面圖和剖面圖就必須聯(lián)動修改，設(shè)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(shè)計和調(diào)整方案，可以提高技術(shù)人員的工作效率。復(fù)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(lián)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(yè)聯(lián)合設(shè)計

BIM平臺的出現(xiàn)使得建筑的多專業(yè)之間的聯(lián)通與配合不再局限于平面圖紙上，各專業(yè)設(shè)計人員可以依據(jù)統(tǒng)一的設(shè)計原始資料在同一個BIM平臺上進行設(shè)計。如圖5所示，模型結(jié)合了地質(zhì)、基坑支護、基礎(chǔ)和主體結(jié)構(gòu)多個模型。通過多專業(yè)模型的整合和碰撞，消除不同專業(yè)之間的設(shè)計沖突，可最大限度地優(yōu)化設(shè)計方案。當出現(xiàn)方案變更時，各專業(yè)人員可及時調(diào)整方案，實現(xiàn)多方協(xié)調(diào)工作的效果。

圖5　多專業(yè)模型整合

2.3 在巖土工程施工上的運用

2.3.1 施工動態(tài)模擬

BIM 5D技術(shù)已經(jīng)逐步推廣，國內(nèi)也有軟件能實現(xiàn)相應(yīng)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(xiàn)BIM 5D動態(tài)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(diào)配和質(zhì)量安全進行統(tǒng)一的管理和控制，也可以進一步對原有的施工方案進行優(yōu)化和改善［2，3］。

一些復(fù)雜的施工步驟，如逆作法施工順序和內(nèi)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(dǎo)

復(fù)雜的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)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(fù)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(dǎo)作用。

結(jié)合三維激光掃描，點云逆向建模技術(shù)，將逆向建立的模型與設(shè)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(zhì)量。如圖6為某構(gòu)件的設(shè)計模型與逆向建模模型的疊加對比，可分析現(xiàn)場施工與的差異情況。

圖6　設(shè)計模型與逆向建立模型疊加對比

2.4 在巖土工程監(jiān)測中的運用

不同于以往監(jiān)測簡報數(shù)據(jù)表格與圖表的匯報方式，現(xiàn)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(jiān)測項目為例，將現(xiàn)場所測的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析軟件進行計算，得出變形量；結(jié)合監(jiān)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(xiàn)方法可以通過沉降云圖掌握所有監(jiān)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(xiàn)場的自動監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)結(jié)合，可實現(xiàn)監(jiān)測變形實時三維化展示，這是BIM技術(shù)在巖土工程監(jiān)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(chǎn)品［4］。要充分發(fā)揮BIM價值為項目創(chuàng)造效益，涉及常用的BIM軟件數(shù)量就有十幾個到幾十個之多。這對技術(shù)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(xiàn)理想的工程目的成為關(guān)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(shù)化構(gòu)件的制作與積累

參數(shù)化構(gòu)件是BIM模型的基礎(chǔ)，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(shù)等屬性，并分類歸檔以數(shù)據(jù)庫的形式保存。巖土工程不同于建筑和結(jié)構(gòu)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(yè)自身BIM的推廣和發(fā)展有很重要的作用。在以后的工作中，這些族庫數(shù)據(jù)可直接被調(diào)用，根據(jù)實際情況修改參數(shù)，便可以提高工作效率?？梢哉fRevit族庫是一種無形的知識生產(chǎn)力，族庫的質(zhì)量，是巖土工程企業(yè)核心競爭力的一種體現(xiàn)。

（3）根據(jù)工程需要進行二次開發(fā)

市場上尚未有針對巖土工程所開發(fā)的BIM軟件，現(xiàn)有巖土工程的很多應(yīng)用都無法實現(xiàn)，故根據(jù)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(yīng)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(xiàn)用點擊菜單命令的方式能達到設(shè)計的目的；設(shè)定一些參數(shù)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(jù)現(xiàn)有出圖標準修改出圖方式等；通過二次開發(fā)非但可以提高工作效率，也可以實現(xiàn)原軟件達不到的效果，拓寬BIM在巖土工程中的應(yīng)用。

圖8　巖土工程中運用的BIM軟件系列之一

4 結(jié) 論

（1）BIM技術(shù)的推廣須同時結(jié)合國家BIM相關(guān)技術(shù)標準制定，良好的市場需求，BIM軟件持續(xù)發(fā)展，企業(yè)積極配合。現(xiàn)今國家相關(guān)標準已在計劃中，某些地方政府部門已制定相關(guān)政策，有針對性地強制使用BIM技術(shù)，甲方對BIM帶來的效益也越來越肯定，這都表明BIM技術(shù)的廣泛使用將成為趨勢，作為企業(yè)須做好應(yīng)對準備。

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

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

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

［1］何建春.地質(zhì)體三維空間形態(tài)隱式模擬的若干技術(shù)研究［D］.長沙：中南大學(xué)，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(shè)理論研究·電子版，2013 （16）：215～211.

［3］李衛(wèi)華.BIM在電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)計和施工中的應(yīng)用［J］.中國西部科技，2014（4）：55～62.

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

［5］張紅，宋萍萍，楊震卿.Revit在產(chǎn)業(yè)化住宅建筑中的應(yīng)用研究［J］.建筑技術(shù)，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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