BIM技术在岩土工程中应用前景浅析

【摘要】

岩土工程作为土木工程的重要分支，如何将BIM技术应用于岩土工程领域并与我国国情政策结合，是目前亟需研究的问题。对BIM技术的发展状况、我国岩土行业特点与BIM应用在岩土工程中的应用潜力三方面进行阐述与分析，为推动BIM技术早日应用于岩土工程领域，并希望能形成完整的工作模式，从而进一步提升我国岩土工程行业建设质量和管理水平。

【关键词】BIM技术；岩土工程；前景浅析；应用研究

【中图分类号】TP391.99【文献标志码】A

［定稿日期］2023-05-26

［作者简介］徐永兵（1981—），男，本科，高级工程师，主要从事建筑工程、岩土工程工作;李家艳（1983—），女，拉祜族，本科，高级工程师，主要从事岩土工程工作。

0 引言

在新一轮科技创新和产业变革中，信息化与建筑业的融合发展已成为建筑业发展的方向，并将对建筑业发展带来战略性和全局性的影响［1］。BIM（Building Information Modeling）是一种采用三维数字技术为基础，集成工程项目各种信息的工程数据模型，从而实现对建筑工程的有效管理［2］。BIM作为一种革命性的技术和生产方式，从其问世而来，已在欧美等发达国家建筑业引发了极大的变革和发展，迄今为止的多项成功案例，展示了BIM技术的优势。

美国著名的管理学者Chuck Eastman于1975年提出BIM概念［3］，2002年Autodesk公司提出了BIM技术的概念，并将其从一种抽象的理论概念转变为一种实用的数字化解决工具。2003年，隶属于美国总务署的公共建设服务部门的首席设计所第一次从政府层面提出了一项3D-4D-BIM计划［4］；其后众多参与者运用BIM技术开展了更多的尝试和探索，比如劳动力的成本估算、全生命周期成本需求、原材料的供应链管理等都取得了显著的成果［5-8］。2010年，韩国政府部门积极推动，制定了一套领先的标准指南《BIM 实施指南和路线图》［9］。同年，新加坡发布了“新加坡BIM发展路线计划”。2012年，日本建筑学会率先公布了BIM指南，为企业应用BIM提供了必要的指导。2014年，法国使用BIM技术开发建设50万套房屋，并且要求公共设施强制实施BIM。2016年，德国通过数字化运输项目启动BIM试点，预计2020年全面普及BIM应用。世界上几乎所有发达国家都在应用并推广BIM技术，且有不少国家都强制应用于公共设施项目。

我国具有广阔的BIM应用市场，但相较于发达国家BIM的发展程度还有较大差距。目前我国建筑业生产模式落后，对于数字化目标和标准制定没有统一规范，但随着政府与行业巨头逐渐认识到BIM的优势，BIM发展在国内也逐渐明朗。在“十五”计划和“十一五”计划期间，BIM技术已成为国家科技支撑计划重点项目。2011年，中华人民共和国住房和城乡建设部颁发《2011-2015建筑业信息化发展纲要》。2012年，我国BIM国标正式立项，以支持建筑业应用领域的信息化发展。其中包括《建筑工程设计信息模型交付标准》《建筑工程信息模型应用统一标准》等。2016年，住建部印发了《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》，强调：“十三五”时期，要推进建筑业信息化，着力增强BIM、大数据、智能化、移动通讯、云计算、物联网等信息技术集成应用能力，建筑业数字化、网络化、智能化取得突破性进展；2020年，住建部颁布了《城市信息模型CIM基础平台技术导则》，以指导BIM技术应用，为城市建设发展提供重要的技术支持。虽然国内BIM技术起步较晚，但是现已进入快速发展轨道。BIM技术在建筑工程领域已在稳步发展，但是作为土木工程重要分支的岩土工程领域虽有部分应用，但鲜有对BIM技术在岩土领域的可行性、价值性与岩土行业的指导规范等方面进行系统性的探讨和研究。

1 岩土工程行业特点与BIM技术应用现状

1.1 岩土工程行业发展

在百科全书上，阐述了岩土工程的定义：作为一门全新的学科，以工程地质学与地基基础工程学为基础，发挥土力学与岩石力学理论的导向作用。在建设的过程中，有效地解决岩体与土体方面的工程技术问题。1986年，国家计划委员会在全国逐渐推广普及岩土工程机制，发挥政府的导向作用，使得岩土工程业发生了巨大的变革，主要可分为几个阶段：

（1）拓展执业范畴，制定行业技术体制。进一步完善岩土工程体制，规定其主要工作内容包括：岩土工程勘察、岩土工程设计、岩土工程施工和岩土工程监测（检测、测试），其核心目的是充分发挥彼此的关联性，使得工程勘察服务于工程建设全过程，达到岩土工程整体治理目的。

（2）完善岩土工程从业单位。我国推行岩土工程体制从勘察单位开始，勘察单位从自身基础出发，对其观念上、机制上和功能上等多方面进行整体改革。从单一的勘察工作，拓展集工程勘察与设计施工一体的勘察设计单位。

（3）发挥岩土工程师的核心作用。1998年，启动注册土木工程师（岩土）资格考试制度，2002年实施第一次注册岩土工程师资格考试，2009年，正式实施注册岩土工程师执业，促进岩土工程机制的建立。

（4）制定行业规范与标准。1994年国家发布GB 50021-1994《岩土工程勘察规范》，随后又出台了许多行业规范。例如：GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》、GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》、JGJ 120-2012《建筑基坑支护技术规程》等，又因岩土工程的特殊与地域性，各地也出台许多相关的地方性标准，推动岩土工程业的体制改革，规范岩土工程从业人员操守，保证岩土工程项目质量。

（5）注重技术研发与人才培养。技术创新是企业的生命，人才培养是行业发展的血液。我国工程勘察企业在勘察测试验装备方面获得了积极的发展，面向复杂岩土工程问题的通过数值分析方法和基于GIS平台、数据库技术的信息化建设也取得了长足进步。在20世纪90年代中期，计算机辅助岩土工程（CAGE）的理念就已被明确提出了。规定在高等院校的培养中，也要保证提供充足和高质量的从业人员，保障行业发展。

1.2 岩土工程行业主要低效原因

1.2.1 参建单位衔接协作不力

我国勘察机制承袭前苏联模式已久，现今我国在岩土工程行业国有或国有为主的企业占主导。虽然政府不断促进改革，但是部分企业还没有建立现代化企业制度，部分企业从业资质单一，往往多数项目需要多单位协同合作。岩土勘察、工程设计、项目施工、工程监理往往由不同的单位负责。在实际工作中，勘察单位提供勘察场地的工程地质条件和存在的地质问题，却少有设计解决问题的具体方案。并且在施工设计环节，现场所遇开挖地质情况，也不能及时与勘察单位协调，所以勘察单位往往与设计施工单位脱节；传统项目监测单位监测数据依靠纸质与电子文件汇报，未能达到实时动态数据交互，事故安全仅仅依靠监测单位人员的专业性与经验性，与设计施工单位协同性不足；传统设计单位输出二维平面图纸，不仅绘图工作量大并且容易出现差错，而施工单位只能依据海量的施工图纸施工，对施工指导性差，施工组织困难，所以传统的二维CAD设计方式正面临挑战，亟需提高设计单位与施工单位的协调性。

1.2.2 传统工作模式协同性差

传统的的岩土工程模式已经成为行业规则，但是其协同性差、效率低是越发需重视的问题。传统工作过程一般包括：①在勘察阶段，勘察资料提交给设计方；②设计方依据勘察报告对项目方案进行设计与计算，确定设计方案后提交给施工方；③施工方依据设计方案，开展施工作业；④监理方监督项目各方作业，在施工方施工过程中，如遇安全与质量问题，又将情况反馈给甲方与设计方；⑤突发情况后，设计方考虑是否变更设计，如遇地质问题又要考虑是否补助勘察作业；⑥设计方（勘察方）变更设计与资料重新提交给施工方。

项目实施中，如遇特殊情况，项目方案需变更，设计人员便需花大量时间修改二维图纸，再与其他单位协调，修改一张图纸，便会牵涉到其他图纸。如此反复修改，不仅加大人工工作量，而且造成大量纸质材料浪费；并且传统方案图纸实施性差，对项目结构信息表达繁杂，对施工人员专业性要求高；项目方案修改期间，对项目工程进度也会造成延误，对施工单位造成经济损失；方案修改不免影响到材料的采购与使用，对于工程造价人员，不确定性的方案变更，对其统计成本造价也提出巨大的挑战。这些都证明了传统工程模式不足以满足日益复杂的岩土工程安全、质量、进度、效益等方面的实际要求。

1.2.3 项目信息查询与管理方法效率不高

在岩土工程设计过程中，需要以各种信息数据为基础与支持。对于勘察单位，野外记录表、岩土测试数据、钻孔编录表等信息文件；对于设计单位，设计方案、设计计算文件等相关报告；对于施工单位，施工日志、施工组织计划等相关信息；对于监理单位，监理日志、监理报告等相关报告。项目全过程中有许多文件，但目前项目资料都以纸质版管理，无法快速查询与检索其中信息；另外岩土各专业间也未实现协同工作，还未实现基于数据的成果转移方式，不仅影响数据的管理，也不利于项目效率的提升，同时也增加了沟通成本；现阶段对于数据资产未形成知识沉淀，对于管理人员的依赖性强，如果人员流动，对于项目数据的提取增添困难，甚至数据丢失。不仅影响项目数据的保存与后期复核，同时也无法对后面类似项目提供有效的帮助。

1.3 BIM技术在岩土工程行业应用现状

目前，国内BIM技术在岩土工程中的应用研究主要集中在具体技术、开发以及项目解决方案的研究。如黄佳铭等［10］对BIM技术在岩土工程勘察、设计、施工、监测等具体方面的技术问题进行了研究；戴一鸣等［11］探讨了BIM在岩土工程勘察领域应用的可行性；杨继波与郭一家等［12-15］都将BIM技术应用于实际项目中，证明其有利于推进工程建设及城市轨道交通建设的快速发展。易三美与黄迪［16-17］结合BIM技术，开展地质勘探数据三维建模尝试。目前我国BIM在岩土工程领域的应用正在慢慢起步，但是由于软件功能模块有限，使得BIM科技在岩土工程中的运用仍然存在一定的局限性，对于BIM技术在岩土工程中的应用可行性和应用价值鲜有研究系统的成果。

2 BIM在岩土工程中应用潜力

2.1 岩土工程勘察

对于国家政策的响应，与克服传统工作模式的弊端。急需推动在岩土工程勘察的信息化发展，岩土勘察过程中使用BIM技术，能够充分了解项目的地质模型、钻孔位置、项目周边情况及地下水流场等详细信息，进而全方位、多角度、立体化地展示岩土勘察过程中的各个环节，有效提高工程勘察质量。

勘察单位可利用钻孔的原始数据与地形图，通过将钻孔信息输入BIM软件系统，并结合各个钻孔的坐标、高程信息与地形图信息绘制出地质三维模型（图1）。采用BIM技术建立地质模型，除了常规建立出地质体模型的几何信息之外，还可以增加钻孔、剖面、地震信息、物探数据、土层参数、水文地质数据等等大量的工程信息数据，方便各参建单位查询与调阅。有效提高勘察单位与其他参建单位的沟通，增强多方的协同性。

2.2 岩土工程设计

在勘察单位提供的地质模型基础上提取地质信息，其三维地质模型具有可视化的特征，且创造了信息查询便捷的工作环境，可直接实现开挖方量的精细化计算。在传统的岩土工程设计中，许多工作需要试验并计算才能发现方案的问题与优化调整，但采用BIM技术的模型功能，便能很好实现检测方案设计的合理性。基于碰撞检测功能，不仅能使得设计方案更加合理与准确，并且提高了设计的效率与降低了成本支出。

BIM技术虽缺少岩土计算板块的功能，但随着有限元软件的发展，出现了有限元软件与BIM软件衔接的数据端口，可实现BIM模型导入有限元软件计算，不仅避免了在有限元软件中建模的重复工作，还实现了设计方案准确的稳定性计算。规避了传统二维剖面计算的误差与安全浪费，提升了项目整体的安全性与经济性。

另外在设计成果的展示方面，BIM技术本身可视化功能便可将相关设计模型全面详细并且立体地展现出来，有助于评审人员更为清晰地了解设计方案的意图与建设预期效果（图2）。并且不免会遇到修正方案的情况，采用BIM技术建立项目信息模型，能使得设计人员的效率大大提高。例如针对复杂的基坑设计方案，针对修正方案，可以直接修改三维模型，更改后的模型可直接实现施工出图的目标，规避了修改方案，而不修正施工图纸的现象。

2.3 岩土工程施工

2010年，美国伊利诺伊大学Golparvar-Fard、密歇根大学Silvio Savarese和哥伦比亚大学Feniosky Pefa-Mora等人共同合作，使用BIM技术和摄像技术相结合，重建施工场景，在3D模型可视化应用的基础上添加时间维度，通过合理安排进度计划实现对施工过程进度跟踪和控制［18］。在顺序渐进的发展中，BIM模型演变成集成了进度、预算、资源、施工组织等关键信息，对施工过程进行模拟，及时为施工过程中的技术、生产、商务等环节提供准确的形象进度、物资消耗、过程计量、成本核算等核心数据，提升沟通和决策效率，帮助客户对施工过程进行数字化管理，从而达到节约时间和成本，提升项目管理质量的目的（图3）。

并且利用BIM技术自身的可视化，有效的指导了施工，特别在于复杂的结构处，三维的模型比二维的图纸更易理解，提高了施工的效率与质量。并且由4D的施工实际进度生成5D工程量统计，辅助工程造价管理，在施工的全过程中，能严格把控混凝土、木材、钢板、钢筋等主要材料的损耗量，可实现实时的工程量统计。

2.4 岩土工程监测

传统的监测简报多数采取数据、表格与图表等汇报模式，当采用BIM模型与实际工程项目的监测信息结合时，可运用监测数据的分析软件，并参照现场测量的监测数据，通过计算得出变形量；在三维模型通过有限元计算后，针对应力与变形较大处，重点监测与维护；在监测过程中，做到定时定位监测，及时将监测数据反馈与导入信息模型中，实时而动态的三维演示监测变形。在发现问题时，能及时采取相应的措施，把事故隐患消除于萌芽阶段。

3 总结与展望

伴随着国家城镇化的不断推进，建筑业规模也在迅速扩大。随着新常态经济环境的到来，传统粗放式的建设管理模式已不再适用于如今信息化时代。BIM技术作为建设领域最主要的信息技术，已经担负着工程建设实现改革发展的主要职责。岩土工程专业作为土木工程重要分支，在信息技术方面相对于其他建设领域处于落后状态。需要工程从业人员与建设单位不断加强对BIM技术的研究与实践探索，也需要研究人员对BIM技术的各项新功能进行研发。目前将BIM技术广泛应用于岩土工程行业还存在一定的困难，但是未来基于BIM技术的工作模式必然会取代传统的工作方法，BIM技术的应用将进一步提升我国岩土工程建设质量和管理水平。

参考文献

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