BIM技术在岩土工程大数据中的应用前景

陈丰

(天津市地质工程勘察院，天津 300191)

BIM技术在岩土工程大数据中的应用前景

陈丰

(天津市地质工程勘察院，天津 300191)

结合BIM技术在岩土工程领域应用中存在的问题，探讨了具体的应对策略，并从岩土工程条件模型概化、助力地下空间开发、优化施工管理等方面，阐述了BIM技术在岩土工程大数据中的应用前景，有利于实现工程建设的信息化施工。

岩土工程，BIM技术，地质模型，施工管理

BIM(Building Information Model)指建筑信息模型，它通过参数模型整合各种项目的相关信息，服务于项目设计施工管理。作为一项较新的技术手段，BIM在一些大型工程的设计、施工阶段已得到应用，展现出其是整合工程建造相关大信息数据的一种有效集成工具，是一个能覆盖建设工程全寿命周期的模型。

每项建设工程在建设伊始都会涉及岩土工程活动。随着建设体量越来越大，相应的数据、信息也越来越多。而在岩土这种半经验半理论的专业领域，对大数据有较强依赖，工程中每时每刻又在产生新的海量数据。利用计算机和互联网技术整合并利用好这些大数据，以更好地为岩土工程建设活动服务，是一个重要发展方向。为此，笔者对BIM技术在岩土工程大数据中的应用前景进行分析探讨。

1 存在的问题

虽然目前BIM技术发展较快，但在项目建设阶段重要环节的岩土工程领域，尤其是岩土勘察等专业，BIM应用尚处于起步阶段［1］，存在制约发展的问题。其原因主要有以下几点。

1.1 BIM标准体系尚不完善

BIM技术的国家标准还未正式颁布，寻求一个适用性强、专业涵盖齐全的标准化体系迫在眉睫。在岩土工程领域，项目周期一般较短，产值较小，企业往往缺乏动力去投入资金进行BIM模型的开发;建设单位追求工期进度和成本控制，也不愿意在此阶段投入过多。在技术上，往往认为岩土工程是半理论半经验，各种模型与实际的吻合度及有效性难以得到广泛认可。缺少项目推动，导致BIM在岩土工程领域缺乏标准。

1.2 综合性技术人员缺乏

BIM平台涉及的工程专业技术领域多，需要技术人员有很强的综合技术能力，但国内在这方面有很大人才缺口，且地域发展不平衡。在东南沿海一、二线城市，工程建设管理水平相对较高，BIM技术有较好的基础，但在中西部欠发达地区中小城市，工程技术人员对BIM却知之甚少。导致BIM在建筑各阶段的应用中受到限制、存在脱节，尤其在勘察阶段应用少。再加上软件各异，可能出现一个建筑有多个模型，且模型不兼容，甚至互不认可的情况。

1.3 岩土工程自身复杂性、多样性的制约

BIM的关键是建立模型所需的各项参数与信息。对建筑上部结构而言，容易解决。而涉及地基岩土层指标参数的问题，则难以有比较通用的参数模型和解决办法。这主要是受到岩土工程自身复杂性、多样性的制约。

复杂性首先体现在地质环境条件的复杂多变。我国幅员辽阔，不同地域的地质条件有较大差异。即便同一区域，受地质构造、地层沉积环境、时代成因的影响，以及地形地貌的变化及人类活动影响等，从单个工程建设场地的体量来看，工程地质条件也是十分复杂的，导致岩土特性相关的数据是海量的，而且没有明显规律。在模型的建立中难以确切还原建筑场地的各种地质条件。

复杂性还体现在岩土体自身的材料特性。岩土材料不同于一般建筑材料，它是自然条件下由颗粒材料堆积或胶结形成的，具有固、液、气三相特性，而且这种颗粒堆积胶结是不均匀的。从力学角度看，岩土材料是一种同时具有粘结力和摩擦力的双强度材料，在受力过程中存在两种强度发挥与衰减的先后问题［2］。其力学特性与钢材、混凝土等传统材料是不同的。尚无较好的模型参数来解决建筑物基础与地基岩土层之间的受力和变形的协调及耦合问题。即便通过试验取得一些参数，但试验条件很难模拟真实的情况，实验尺度一般较小，其结果应用到现场实际的岩土条件中，可靠性也是存疑的。

1.4 岩土BIM软件整合不充分

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［1］，导致其在岩土领域的应用受限。主要体现在以下几方面:1)不同企业不同专业使用的BIM软件种类较多。2)各种软件数据接口不尽相同，互相转换对接的导入导出过程繁琐并且很容易造成信息的丢失、缺漏。譬如，岩土勘察常用的理正勘察软件，地质图件处理常用的MapGIS，ArcGIS等软件，以及一些岩土工程有限元、有限差分软件，如何与BIM系统从模型到参数完美衔接融合，尚需工程技术以及计算机技术两个层面共同解决。

2 应对之策

从业界的共识来说，BIM技术10%是软件，90%是生产方式的转变，BIM的实质是改变设计手段和设计思维模式。因此，在岩土工程行业，无论主管部门还是各从业单位，都需要转变传统的思维方式，尽快建立起较为完善的BIM技术标准化体系，通过新技术手段的应用来推动行业发展。针对BIM技术在岩土工程领域现存的问题和局限性，应对之策有三方面:

1)要向互联网大数据的方向转变思维。包括两个层面:企业要重视基础数据的收集汇总，每个企业建立起自身数据库，完善内部数据整合，使数据源得到保障;行业协会和管理部门应尽快建立统一的技术标准，在更高的层面组织进行信息资源的整合与共享，包括BIM与区域或城市地质信息云平台的交叉互动，以成果质量、技术进步、提高效率为目标，统一数据库和模型体系，消除企业、地域间的技术壁垒。

2)加大资金和人力资源投入。从岩土企业来说，要增加BIM相关软硬件的资金投入，加大对岩土技术人员的培训，要掌握岩土BIM技术的应用，还要做好与设计施工的衔接。从建设单位的角度，要提高对岩土重要性的认识，提高在岩土勘察、基础设计阶段的投入。

3)加强岩土BIM技术的开发，并做好岩土BIM应用成果的二次研究利用，促进BIM模型的不断完善与进步，并加强与现行行业技术规范的协同，使模型模拟与图纸计算良性互动。除了单个项目，还要对同类项目进行充分整合和大数据挖掘。

3 应用前景

3.1 场地岩土工程条件的模型概化

在当前的工程活动中，规划、设计人员往往需要通过对场地的分析来对建筑布置、景观和环境的规划、各种配套以及小区内交通流量及路网布设等影响因素进行分析评价［3］。传统方法中，利用勘察成果资料和二维平面地质、标高等数据时，往往存在不够直观，场地定量分析不充分，无法处理大数据量的信息，且易受主观因素影响。若采用基于BIM技术的应用手段，由工程勘察人员采集并建立场地三维数字地形图，可以方便规划、设计人员较直观的确定建构筑物总体平面布置方案，同时便捷的计算土方平衡以确定场地的设计标高体系。其作用在一些山区、丘陵等地势起伏相对较大的场地，以及铁路、高速公路等线路工程中表现尤为突出。陈兵等［4］提出了在铁路勘测中将勘察数据模型化的设想。

其次，建筑结构设计人员需要根据工程勘察专业提供的场地地形地貌特征、岩土工程条件、水文地质条件以及相应的设计参数等来对项目规划方案、结构体系、地基基础、边坡与基坑支护、地基加固处理等进行方案技术与造价等的初步比选与优化论证。因此，将勘察成果资料数据等各种场地基本岩土工程参数和信息概化整合进BIM模型中，将十分有利于设计人员进行相关量化分析，并大幅优化勘察设计的衔接和工作效率。

另外，基于BIM系统，对大量工程实施结果的检测监测数据等进行反演推算，对岩土指标、参数进行复核，有助于提高岩土工程师对岩土性质的认识，进而推动岩土力学在理论发展和技术应用上不断进步。这是对岩土工程大数据二次利用的重要方面。

3.2 强化三维地质模型，助力地下空间开发

一般的三维地质模型，是将勘察获取的一组点状的勘察孔地层资料处理成三维模型，体现地层结构空间展布情况，信息较为单薄。戴一鸣等［5］探讨了BIM在岩土工程勘察领域应用的可行性，提出了一些实现途径和分阶段的解决方案。笔者认为应充分发挥BIM信息涵盖面广、与设计施工等深度融合的特点，除基本的地层分布资料外，还应将勘察获取的特性指标、参数等信息整合进模型中，形成概化了完整岩土工程条件的基于BIM的三维地质模型，在参建单位间形成共享，便于设计人员直接与地下结构融合进行数值分析与计算。施工及监理人员也能直观理解建设场地岩土层和地下水的分布与性质以及与主体结构的相对关系，有利于施工中的决策判断。这对地下结构基坑支护、降水设计优化，保证施工安全顺利实施等有重要意义。

随着城市地下空间的不断开发利用，在建筑物的全寿命周期内，其与周边环境的相互关系极为紧密，在其周边新建地铁、地下综合管廊以及其他地下建构筑物的可能性非常大。从城市管理的层面，利用BIM技术，将各单项工程岩土勘察成果的海量数据，与工程设计和建造资料进行有效整合，形成真正基于岩土工程大数据的云端城市三维地质模型，是未来城市规划建设以及地下空间开发利用的必然要求。这个模型有别于现有的地质模型，除了一般的地层空间展布，更包含岩土特性指标、承载力、强度、变形及水文参数等对工程设计施工切实有用的重要信息。在此基础上进行深入开发与研究，可解决城市地下空间规划、建设中存在的岩土工程、地质环境方面的难题。

3.3 优化岩土工程施工管理

BIM技术可以辅助项目实施过程中的管理。如在深基坑岩土项目进场前，可通过BIM的精细建模进行场地布置，动态模拟所有机械设备的安排与施工布局，最大可能规避机械碰撞、工作区域受限、基坑边坡局部超载等问题。还可以应用BIM进行不同施工方案的模拟，通过调整施工工序，改进相关施工工艺，尽可能使多种工作面同时开展，以合理统筹安排整个施工过程，并根据不同方案的进度情况以及成本预算综合选择最优的施工方案。这种模拟预判可以为决策服务，从而大幅提高岩土工程实施的效率。

BIM技术还可以实现施工的动态监控，尤其在基坑、轨道交通等地下空间开发项目中，通过对采集的海量监测数据进行处理，利用BIM模型实时展示主要构件变形及受力等情况，可以为岩土设计人员校核安全系数、指导施工提供重要参考。

4 结语

BIM技术是工程行业发展与计算机网络信息科技进步互相融合的成果，也是工程行业向信息化发展的重要方向。BIM对勘察设计行业而言是重要机遇，为解决超高、超深、超大项目勘察设计协同的难题提供了可行的方向。岩土行业主管部门应统筹考虑，加快岩土BIM技术标准的完善;岩土工程企业应珍惜机遇，从思想观念的转变、人力资源和资金投入等方面着力，在项目中充分利用BIM的特点和优势，开展技术创新，一起开拓岩土工程大数据的广阔前景。

［1］ 黄佳铭，郑先昌，侯 剑，等.BIM技术在岩土工程中应用研究［J］.城市勘测，2016(2):157-160.

［2］ 郑颖人，高 红.岩土材料基本力学特性与屈服准则体系［J］.建筑科学与工程学报，2007，24(2):1-5.

［3］ 刘清菊，石晓娟，徐美林.谈BIM技术在绿色高尔夫公寓建筑设计中的应用［J］.山西建筑，2016，42(1):202-203.

［4］ 陈 兵，张 燕，张 莹.BIM技术在铁路地质勘察中的应用［J］.岩土工程技术，2015，6(1):77-80.

［5］ 戴一鸣，任 彧.第七届全国岩土工程实录交流会特邀报告——探讨BIM在工程勘察应用的可行性［J］.岩土工程技术，2016，30(1):6-11.

Discussion on application prospects of BIM in geotechnical engineering big data

Chen Feng
(Tianjin Geological Engineering Prospecting Institute，Tianjin 300191，China)

Combining with application problems of BIM technology in geological engineering field，the paper explores specific countermeasures.Starting from aspects of geotechnical engineering conditions model generalization，and underground space development and optimizing construction management，it describes the application prospect of BIM technology in geotechnical engineering data，which will be good for realizing engineering construction information construction.

geotechnical engineering，BIM technology，geological model，construction management

TU431

A

1009-6825(2016)35-0074-02

2016-10-09

陈 丰(1981-)，男，硕士，高级工程师，注册土木工程师(岩土)