建筑信息模型在冻结凿井施工的关键应用

和晓楠， 周晓敏， 季维伟

(北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083)

图1 建筑信息模型与传统工作流效果对比Fig.1 Comparison of the building information model and traditional workflow effect

现阶段，以建筑信息模型(BIM)为代表的信息技术正深刻改变着传统的设计和管理方式(如图1)，其经历计算机辅助建筑设计(computer-aided architectural design，CAAD)、建筑描述系统(building description system，BDS)、互动图形设计语言(graphical language for interactive design，GLIDE)、建筑产品模型(building product model，BPM)、通用建筑模型(generic building model，GBM)等阶段多次完善，包含“虚拟设计与施工”(virtual design and construction，VDC)和“一体化项目模型”(integrated project models，IPM)[1-6]。中国建筑工业行业标准JG/T 198—2007《建筑对象数字化定义(building information model platform)》[7]定义BIM为：“建筑信息完整协调的数据组织，便于计算机应用程序进行访问、修改或添加。这些信息包括按照开放工业标准表达的建筑设施的物理和功能特点以及其相关的项目或生命信息周期。”以信息为核心，BIM包括三部分：建筑信息建模(building information modeling)、建筑信息表达(building information model)和建筑信息管理(building information management)[8-9]。BIM信息模型的集成性和协调性使得大部分工程问题在设计(或模拟施工)阶段得以检查和解决，改变了传统施工问题“先发现、再解决”的模式，且覆盖到整个项目的生命周期[10-12]。

自BIM于1975年提出后，在欧美建筑行业逐步兴起和发展，但在中国或其他行业中适用性不足，需要解决“本地化”“专业化”的问题[13-15]。本文通过分析国内外BIM研究趋势及发展现状，明确国际技术水平和中国应用特点，总结地下岩土工程BIM使用经验。结合立井冻结工程实际，提出了项目级行业特色BIM应用流程及内容，建立冻结模型族库及3D整体模型，并进一步地在冻结钻孔、设备布置、进度优化等方面进行了关键应用，可视化效果好，工程实用性强。

1 BIM的发展现状

1.1 研究趋势分析

图2 SCI-E逐年文献数量及各国占比Fig.2 The number of SCI-E literatures and the proportion of countries year by year

图3 SCI-E BIM文献关键词逐年占比Fig.3 The proportion of key words in SCI-E BIM literature

图4 中国知网 BIM文献逐年数量统计Fig.4 Statistics of BIM literature in CNKI

理想的BIM通用模型及其互操作性还远远没有达到[16-17]，分析趋势确认方向是进一步发展的前提。基于SCI-E(science citation index expanded)数据库，以“BIM”为关键词对近5年土木工程及施工技术领域(engineering civil，construction building technology)检索，国际文献数量逐年增长，中国文献占比逐年增加(图2)；“施工(construction)”“设计(design)”“管理(management)”分列研究方向的前三位(图3)。基于CNKI中国知网数据库，以“BIM应用”“BIM设计”“BIM施工”“BIM管理”为关键词对近10年工程科技Ⅱ辑文献(包括建筑科学与工程、水利水电技术、公路与水路运输、铁路运输等)检索，中国研究自2011年显著增加，环比增长速度稳定在50%以上，与国际趋势不同，设计与管理占比较大(图4)。特别地，矿业工程近5 a BIM文献数量不足20，开展矿建BIM应用研究极为必要。BIM施工首当其冲，应满足工程需求以调动行业技术革新的积极性。

1.2 技术标准及软件

鉴于BIM的优势和障碍，其技术标准的制定和软件工具的开发也在积极发展[18-23]。其中较为重要的是，国际工业协同联盟(industry alliance for interoperability，IAI)于1995年提出了面向对象的三维数据模型IFC标准(industry foundation classes)，经多年迭代成为了用于数据共享交换的开放性国际标准；美国于2007年颁布了基于IFC的《国家BIM标准》(national bim standard，NBIMS)，是最早颁布并应用统一BIM标准的国家，随后在2015年从标准、技术、资源三个方面进行了补充完善；英国于2009年颁布了《英国建筑业BIM标准》(AEC(UK)BIM Standard)，并后续制定了面向两大主流BIM软件平台的《AEC(UK)BIM Standard for Autodesk Revit》和《AEC(UK)BIM Standard for Bentley Product》，大幅提高了技术标准实用性。而中国的BIM起步较晚，借鉴已有BIM应用技术标准(表1)相继推出一系列相关标准并明确了BIM发展目标[24]，以达到“国际化接轨”和“本地化应用”的双重要求。

BIM应用涵盖多专业内容，软件工具需要满足不同专业方向、使用层次的功能要求[25-26]。Autodesk、Bentley和Dassault Styterms三大国际平台具有完整BIM解决方案；中国则以插件形式与主流国际软件实现对接，实现特色性功能[27-37]。现有软件工具(表2)大多服务于建筑行业，限制了其他工程领域BIM的发展。

表1 现阶段不同国家和地区BIM技术规范指导文件Table 1 Guidance documents for BIM indifferent countries

表2 现有主要BIM软件平台工具Table 2 Major BIM softwares and platforms

1.3 地下工程应用经验

目前，BIM最显著的特点，同时也是缺点，是行业发展不平衡。建筑行业经过一系列重点项目实践，如“中国尊”“上海国际金融中心”“望京SOHO”“武汉绿地中心”等[38-41]，在整体信息管理与应用上稳步提高；但地下工程的工程信息载体仍是面向元素设计的CAD图纸，其与BIM集中管理资源的形式区别很大[42]。特别的，冻结凿井工程机械化、信息化程度较高，在矿山建设和市政地铁行业潜力巨大[43-45]，工程信息仅仅依靠人员管理已经无法满足发展需求[46-48]。

BIM先进性已得到广泛认可，在地下工程也有所发展且潜力巨大[49-51]。限于篇幅仅举几例，济南西客站站前广场地下工程针对复杂管线的布置和安装引入BIM，按二维图纸搭建三维模型，提前发现并统计了设计图纸中存在的碰撞问题，针对性地进行了调整与优化，使得施工过程中出现管道设计变更的可能性大大降低[52]。西成客专清凉山隧道在三维建模、施工模拟、工程量统计、辅助出图等方面进行了探索与实践，认可BIM在隧道行业的先进性和可行性，指出在配套专业标准、开发软件工具方面还需更深层次的考虑和发展[53]。深圳地铁9号线工程规范了深化模型设计的工作流程，对管线及结构物进行了碰撞检查[54]。英国Cross隧道实现了贯穿于设计、施工、移交、操作和维护整个生命周期的BIM应用，表明BIM不仅仅用于协调交付阶段，也用于管理工程生命周期阶段[55]。

地下工程BIM应用内容和层次都有待提高，相应标准工具不够完备。具体地讲，现有规范主要解释基本概念和建议应用内容，涉及除建筑外其他行业的内容无从参考；且现有软件工具基本都立足于成熟应用的建筑行业[56]，无法在冻结凿井工程中完整使用。地下工程情况相对复杂，工程大多按专业分离式管理，整体协调性有限，在现有方针指导下盲目使用BIM完成工程设计施工工作是不可取的。依据目前技术水平和经验，根据行业特色内容制定工作流程，实现关键技术应用较为可行。

2 项目级BIM策划

2.1 整体策划内容

现有BIM标准和技术路线不能直接套用到其他工程行业[57-58]，结合冻结凿井工程特点和企业内部需求，提出了适用于冻结凿井工程施工阶段BIM模型的创建、使用和管理的BIM应用流程(图5)，主要包含三维模型绘制与仿真模拟施工。

2.2 三维建模及模型分类

三维模型是BIM应用基础，据不同阶段主要分有初步设计模型，深化设计模型，施工过程模型和竣工验收模型。初步设计模型据施工图保证基本尺寸；深化设计模型细化模型元素，形成必要的三维模型视图(图6)；施工过程模型据施工工艺对模型元素进行必要的拆分、合并，关联施工进度信息；竣工验收模型据工程项目竣工验收要求修改而成。

2.3 施工进度及成本管理

图5 冻结凿井BIM技术应用流程Fig.5 Application process of BIM in freezing shaft sinking

图6 深化设计的建模流程Fig.6 Deepen design modeling process

进度管理为施工实际进度和计划进度的跟踪对比分析、进度预警、进度偏差分析、进度计划调整等(图7)。成本管理与施工管理类似，通过信息模型与实际信息的关联与匹配，按进度、部位、分项、分包商等分类完成预算报表、成本核算和成本分析(图8)。

图7 进度管理应用流程Fig.7 Progress management application process

图8 成本管理应用流程Fig.8 Cost management application process

3 BIM关键应用

3.1 冻结设备族库及工程模型

目前软件预设族类局限于建筑行业[59]，矿建领域需建立具有专业特色的族库。建立冻结特色族库，组建完整3D模型，并可以生成传统图纸(图9)，可视化技术大幅提高施工技术交流效率。

图9 冻结站3D模型及其生成图纸Fig.9 3D models and drawing of freezing station

3.2 参数化钻孔定位及设备布置

图10 冻结孔设计参数化编程示意Fig.10 Parametric programming for freezing hole design

通过制定数据模板并链接设计参数(图10)，可视化编程程序[60-61]使得整个设计建模过程中冻结孔定位钻进及冻结站布置工作程序化、参数化，快速高效。

3.3 钻孔轨迹动态碰撞检查

冻结钻孔作业相比地勘专业，具有孔数多，精度高的特点，为解决偏率计算效率不高、平面偏斜图不直观的问题，使用BIM碰撞检查工具实现了钻孔轨迹管控(图11)，每孔每水平实时检测。

图11 碰撞检查流程Fig.11 Clash detective process

3.4 冻结施工仿真与进度管理

BIM 4D(3D模型+时间)施工进度模拟技术较为成熟[62-63]。将冻结三维模型导入、关联设计进度信息，进行可视化仿真施工寻找并解决工程问题(图12)；关联实际进度信息用于现场管理决策。

图12 进度关联与管理界面Fig.12 The progress management screen

4 结论与展望

BIM是物理功能信息的先进表达方式。本文分析国内外研究趋势后，以冻结凿井施工为对象，对BIM在企业项目级策划流程和关键应用进行了探索研究，取得以下经验：

(1)BIM应用需进行全面而详细的规划。借鉴规范经验，结合行业特色，落脚工程实际；本文提出并应用了冻结凿井项目级BIM应用规划，明确BIM应用内容和流程，提高传统技术人员的BIM认识水平，划分各部门职责与相应责任，为现场工程管理和技术交流提供了基础。

(2)BIM在其他行业中的发展需循序渐进。本文依据冻结凿井施工特点，建立了专用设备、材料模型族库，并编程实现了孔位、设备的参数化布置，极大提高了建模效率和可视化进程；细分冻结凿井施工工序、工期，在试点项目进行了施工进度模拟与管理，效果良好。另外，利用BIM技术对钻孔轨迹实现了动态监控以助防偏纠偏决策，将冻结工程关键技术问题纳入到冻结凿井BIM体系，下一步应积极开展BIM平台的建设。

(3)BIM的内涵是与时俱进的，机遇与挑战并存。本文结合冻结凿井特色进行的BIM调研与关键应用虽取得良好效果，但受制于技术标准、软件平台及行业现状的发展，岩土特色的BIM信息框架平台、与岩土数值分析数据传递是亟待解决的问题。