摘要:这几年BIM技术飞速发展,给建筑业带来的变革有目共睹,特别是在建筑、水电、设备和结构专业中效果显著,相比之下岩土工程专业上BIM应用尚处于起步阶段。现有BIM软件针对岩土工程需要而开发的功能模块有限,部分功能在BIM实现起来尚有一定的难度;但这并不代表BIM不适用于岩土工程,通过二次开发,软件升级等过程可以克服这些困难。本文通过对BIM在岩土工程中的运用进行的研究,证明BIM技术完全可以运用在岩土工程的多个领域中,并且具有以往传统方法所没有的优势。
 
1　前言
      BIM是Building Information Modeling的简称,译为建筑信息模型。可以简单理解为将有关于建筑构件的建筑信息分类储存于数据库中,建立参数化的三维模型,根据工程需要调取构件中的建筑信息进行分析、计算与统计和图形表达等功能。结合现有的计算机信息共享技术,可以实现多方协调工作,BIM可以运用在建筑的整个生命周期中。
      目前BIM技术在我国工程建设的运用中发展迅速,其中建筑、水电、设备和结构专业的应用相对成熟。相比之下岩土工程BIM应用尚处于起步阶段,目前的BIM软件大多尚无专门针对岩土工程专业技术特点而研发的功能模块。所以仅仅根据现有软件的功能和模块,将BIM技术应用到岩土工程的实际项目中还需要专门处理。
 
2　BIM技术在岩土工程中的运用
2.1　在岩土工程勘察上的运用
2.1.1　建立三维地质模型
      三维地质模型的在实际工程的运用中具有十分重要的意义[1]。现有勘察报告中普遍采用的柱状图、剖面图与钻孔平面信息作为成果,报告使用人再根据这些成果重构整个地质情况,不同人重构模型具有一定的差异,从而可能会导致报告成果出现人为错误,从而降低成果质量;建立三维地质模型,可以将地层信息融合到地质模型中,展示方式不再局限于点(钻孔柱状图)和面(钻孔剖面图)的形式,表示方式更直观,可以完整地将场地地质情况展示。
      针对大范围的研究区域、山区复杂岩层地区、地层破碎严重地区等地质情况复杂地区的三维地质建模尚有技术上的难题未攻克,需要针对研究对象进行二次开发才能真正实现模型的建立。但是一般工民建项目,具有建设场地范围小、地层变化相对较小、地层信息相对简单的特点,三维地质模型的建立实现起来较简单,现有软件也能达到理想效果。故三维地质模型的运用在一般工民建项目中具有良好的应用前景。
      现有BIM平台中实现三维地质建模的方法有几种,各有特色,可以根据工程的需要选用其中一种,相对于之前有同行采用体量的方法建立模型,笔者在此介绍两种相对简单的建模方法。
      (1)利用Civil3D最新的曲面建模的方法,将每个地层的层顶标高和坐标导入生成三维的曲面数据,再由曲面之间的相互关系生成实体,即为每层土(岩)层实体。所生成的实体可以进行布尔运算,可以对基坑开挖进行模拟。该方法支持钻孔信息的批量导入,使用方便,对于局部透镜和剪灭土(岩)层,须事先计算限制边界和标高后方可导入,如图1所示。

      (2)利用Revit平台中构建楼板的功能模拟地层的方法构建三维地质模型,采用修改子图元功能增加钻孔点位,对每层土(岩)的分界面标高信息进行定义,该方法生成的三维地质模型为体模型,同样可以进行编辑、统计、分析、剖切等操作。但是Revit平台的剪切功能,剪切后须保留辅助图元,但如果剪切过多时,会导致辅助图元过多,容易混淆,并且在各个视图中需隐藏辅助图元,操作繁琐。
2.1.2　对三维地质模型的运用
      (1)对模型可以任意剖切,生成地质剖面图。开挖模拟后的地质模型结合支护模型或者基础模型,可以清晰地了解基坑支护结构和基础底面处相应标高处的地质情况。方便设计人员对方案进行下一步的设计优化工作,如图2所示。

      (2)土石方开挖(填方)量的统计,BIM的一个最大的优势是模型的每个图元中都附带有详细的属性信息,其中当然也包括了体积信息。我们可以根据原始的三维地质模型建筑地坪的需要进行剪切,而所剪切出去的部分则为需开挖的土方量,而对于原始地形低于建筑地坪的范围可以进行整平。如此只需查看开挖部分或者回填部分体单元体积信息,即可获得开挖或回填的土石方量,甚至不同土(岩)层的开挖量,这使得土石方工程的造价预算计算更为精准。
2.2　在岩土工程设计上的运用
2.2.1　碰撞检测
      碰撞检测功能在BIM平台中是运用得最为广泛的功能之一,该模块可以验证我们设计方案的合理性,减少设计错误带来的成本浪费,同样在岩土专业中也用得上这个功能。如桩基础与持力层模型进行碰撞检测,可计算出桩群桩端进入持力层的深度,根据碰撞结果再调整桩长保证在满足设计要求的前提下,桩长按最经济的方案定,减少工程造价,如图3所示。

2.2.2　三维可视化与快速出图
      利用BIM平台强大的建模功能,对基坑支护平台进行详细的三维建模。在基坑设计方案的展示和评审中,三维模型的运用可以更好地让专家和业主了解到方案最终建成后的效果和整体的设计意图。将模型导入游戏引擎中进行渲染后,可以达到在模型中以第一人称视觉进行漫游的效果,可以从任意视角观察模型,并且模型附带材质,视觉效果直观,如图4所示。

      基坑前期出初步方案时,时间较为紧迫,留给技术人员计算出图的时间有限。设计方案经常修改,只要方案一变动,设计图中的平面图和剖面图就必须联动修改,设计人员通常须花很多时间在画图工作上。而在BIM平台上做设计和调整方案,可以提高技术人员的工作效率。复杂的基坑方案可以一次建模,多面出图;修改方案时直接修改三维模型,平面图和剖面图联动更新,避免以往剖面图修改了平面图上还没更新的情况,减少图纸的错误。
2.2.3　与其他专业联合设计
      BIM平台的出现使得建筑的多专业之间的联通与配合不再局限于平面图纸上,各专业设计人员可以依据统一的设计原始资料在同一个BIM平台上进行设计。如图5所示,模型结合了地质、基坑支护、基础和主体结构多个模型。通过多专业模型的整合和碰撞,消除不同专业之间的设计冲突,可最大限度地优化设计方案。当出现方案变更时,各专业人员可及时调整方案,实现多方协调工作的效果。

2.3　在岩土工程施工上的运用
2.3.1　施工动态模拟
      BIM5D技术已经逐步推广,国内也有软件能实现相应的功能,这在岩土工程中同样适用。三维的BIM模型加上施工工期和成本变化可以实现BIM5D动态模拟,直观、精确地反映整个施工过程,有助于施工方对整个工程的施工进度、资源调配和质量安全进行统一的管理和控制,也可以进一步对原有的施工方案进行优化和改善。
      一些复杂的施工步骤,如逆作法施工顺序和内支撑拆除顺序在制定施工方案之前,可以通过平台上的模拟进行验证,确保方案的合理性和安全性。
2.3.2　施工指导
      复杂的钢筋混凝土结构节点,在平面图纸上表示并没有三维模型直观,BIM模型可以将复杂的钢筋布置建模,多角度察看,对钢筋绑扎施工有很好的指导作用。
      结合三维激光扫描,点云逆向建模技术,将逆向建立的模型与设计BIM模型进行误差对比,可以验证施工是否准确,从而检验施工的质量。如图6为某构件的设计模型与逆向建模模型的叠加对比,可分析现场施工与的差异情况。

2.4　在岩土工程监测中的运用
      不同于以往监测简报数据表格与图表的汇报方式,现有的软件可以让基坑变形以三维的形式展示。以基坑沉降变形监测项目为例,将现场所测的监测数据,通过监测数据分析软件进行计算,得出变形量;结合监测点的空间位置信息,可在三维建模软件中,利用插值法,计算输出整个场地的沉降云图。这种表现方法可以通过沉降云图掌握所有监测点的变形情况,更清晰地了解场地的沉降变形情况,如图7所示。

      三维可视化与现场的自动监测系统、监测数据自动处理系统结合,可实现监测变形实时三维化展示,这是BIM技术在岩土工程监测中的运用趋势。
 
3　BIM在岩土工程中运用的要点
      (1)岩土工程中BIM软件的运用
      BIM并不是一个软件的事,严格地说BIM不是一类软件的事,而且每一类软件的选择也不止是一个产品。要充分发挥BIM价值为项目创造效益,涉及常用的BIM软件数量就有十几个到几十个之多。这对技术人员的软件熟悉程度和操作能力有着较高的要求,合理选择BIM软件,通过不同的软件组合实现理想的工程目的成为关键。以下为岩土工程中各阶段所用到的BIM软件系列之一,如图8所示。

      (2)参数化构件的制作与积累
参数化构件是BIM模型的基础,在Revit中也叫族库。Revit族库就是把大量Revit图元赋予特性、参数等属性,并分类归档以数据库的形式保存。岩土工程不同于建筑和结构工程,有很多图元须另外制作,随着项目的开展和深入积累一套自己独有的族库对企业自身BIM的推广和发展有很重要的作用。在以后的工作中,这些族库数据可直接被调用,根据实际情况修改参数,便可以提高工作效率。可以说Revit族库是一种无形的知识生产力,族库的质量,是岩土工程企业核心竞争力的一种体现。
      (3)根据工程需要进行二次开发
市场上尚未有针对岩土工程所开发的BIM软件,现有岩土工程的很多应用都无法实现,故根据项目需要对BIM做二次开放是十分必要的。基本上每个BIM软件都提供了应用程序编程接口(API:Application Programming Interface),外部程序可通过API操纵和访问软件。通过编写一段程序可以实现用点击菜单命令的方式能达到设计的目的;设定一些参数条件筛选图元进行分析计算;编写平台没有的计算公式;根据现有出图标准修改出图方式等;通过二次开发非但可以提高工作效率,也可以实现原软件达不到的效果,拓宽BIM在岩土工程中的应用。
 
4　结论
      (1)BIM技术的推广须同时结合国家BIM相关技术标准制定,良好的市场需求,BIM软件持续发展,企业积极配合。现今国家相关标准已在计划中,某些地方政府部门已制定相关政策,有针对性地强制使用BIM技术,甲方对BIM带来的效益也越来越肯定,这都表明BIM技术的广泛使用将成为趋势,作为企业须做好应对准备。
      (2)随着软件进步和技术人员的努力,证明了BIM技术完全可以运用在岩土工程的多个领域中,并且具有以往传统方法所没有的优势。
      (3)岩土工程中对BIM的应用大多基于三维地质模型,包括土方量计算,基坑支护建模,多专业模型结合等。现有软件建立三维地质模型功能尚不是很完善,寻找更精确、方便的建模方法也是目前岩土工程领域推广BIM须考虑的问题。
      (4)尽管BIM在岩土工程专业中有大作为,但仍需广大岩土工程技术人员不断探索新的用途,结合实际项目才能让BIM给企业带来真正的效益。