BIM技術(shù)案例分享：BIM技術(shù)在巖土工程中應(yīng)用研究

1　前言

BIM是Building Information Modeling的簡(jiǎn)稱,譯為建筑信息模型?？梢院?jiǎn)單理解為將有關(guān)于建筑構(gòu)件的建筑信息分類儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)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(jìn)行分析、計(jì)算與統(tǒng)計(jì)和圖形表達(dá)等功能。結(jié)合現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)信息共享技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)多方協(xié)調(diào)工作,BIM可以運(yùn)用在建筑的整個(gè)生命周期中。

目前BIM技術(shù)在我國(guó)工程建設(shè)的運(yùn)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(duì)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(duì)巖土工程專業(yè)技術(shù)特點(diǎn)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(shí)際項(xiàng)目中還需要專門處理。

2　BIM技術(shù)在巖土工程中的運(yùn)用

2.1　在巖土工程勘察上的運(yùn)用

2.1.1　建立三維地質(zhì)模型

三維地質(zhì)模型的在實(shí)際工程的運(yùn)用中具有十分重要的意義[1]?，F(xiàn)有勘察報(bào)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(bào)告使用人再根據(jù)這些成果重構(gòu)整個(gè)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(huì)導(dǎo)致報(bào)告成果出現(xiàn)人為錯(cuò)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(diǎn)(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(chǎng)地地質(zhì)情況展示。

針對(duì)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(yán)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(duì)研究對(duì)象進(jìn)行二次開發(fā)才能真正實(shí)現(xiàn)模型的建立。但是一般工民建項(xiàng)目,具有建設(shè)場(chǎng)地范圍小、地層變化相對(duì)較小、地層信息相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn),三維地質(zhì)模型的建立實(shí)現(xiàn)起來較簡(jiǎn)單,現(xiàn)有軟件也能達(dá)到理想效果。故三維地質(zhì)模型的運(yùn)用在一般工民建項(xiàng)目中具有良好的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有BIM平臺(tái)中實(shí)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(duì)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(duì)簡(jiǎn)單的建模方法。

(1)利用Civil3D最新的曲面建模的方法,將每個(gè)地層的層頂標(biāo)高和坐標(biāo)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(shí)體,即為每層土(巖)層實(shí)體。所生成的實(shí)體可以進(jìn)行布爾運(yùn)算,可以對(duì)基坑開挖進(jìn)行模擬。該方法支持鉆孔信息的批量導(dǎo)入,使用方便,對(duì)于局部透鏡和剪滅土(巖)層,須事先計(jì)算限制邊界和標(biāo)高后方可導(dǎo)入。

(2)利用Revit平臺(tái)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(diǎn)位,對(duì)每層土(巖)的分界面標(biāo)高信息進(jìn)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(jìn)行編輯、統(tǒng)計(jì)、分析、剖切等操作。但是Revit平臺(tái)的剪切功能,剪切后須保留輔助圖元,但如果剪切過多時(shí),會(huì)導(dǎo)致輔助圖元過多,容易混淆,并且在各個(gè)視圖中需隱藏輔助圖元,操作繁瑣。

2.1.2　對(duì)三維地質(zhì)模型的運(yùn)用

(1)對(duì)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(hù)模型或者基礎(chǔ)模型,可以清晰地了解基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)底面處相應(yīng)標(biāo)高處的地質(zhì)情況。方便設(shè)計(jì)人員對(duì)方案進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。

(2)土石方開挖(填方)量的統(tǒng)計(jì),BIM的一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)是模型的每個(gè)圖元中都附帶有詳細(xì)的屬性信息,其中當(dāng)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(jìn)行剪切,而所剪切出去的部分則為需開挖的土方量,而對(duì)于原始地形低于建筑地坪的范圍可以進(jìn)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(jià)預(yù)算計(jì)算更為精準(zhǔn)。

2.2　在巖土工程設(shè)計(jì)上的運(yùn)用

2.2.1　碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)功能在BIM平臺(tái)中是運(yùn)用得最為廣泛的功能之一,該模塊可以驗(yàn)證我們?cè)O(shè)計(jì)方案的合理性,減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤帶來的成本浪費(fèi),同樣在巖土專業(yè)中也用得上這個(gè)功能。如樁基礎(chǔ)與持力層模型進(jìn)行碰撞檢測(cè),可計(jì)算出樁群樁端進(jìn)入持力層的深度,根據(jù)碰撞結(jié)果再調(diào)整樁長(zhǎng)保證在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下,樁長(zhǎng)按最經(jīng)濟(jì)的方案定,減少工程造價(jià)。

2.2.2　三維可視化與快速出圖

利用BIM平臺(tái)強(qiáng)大的建模功能,對(duì)基坑支護(hù)平臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)的三維建模。在基坑設(shè)計(jì)方案的展示和評(píng)審中,三維模型的運(yùn)用可以更好地讓老師和業(yè)主了解到方案最終建成后的效果和整體的設(shè)計(jì)意圖。將模型導(dǎo)入游戲引擎中進(jìn)行渲染后,可以達(dá)到在模型中以第一人稱視覺進(jìn)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。

基坑前期出初步方案時(shí),時(shí)間較為緊迫,留給技術(shù)人員計(jì)算出圖的時(shí)間有限。設(shè)計(jì)方案經(jīng)常修改,只要方案一變動(dòng),設(shè)計(jì)圖中的平面圖和剖面圖就必須聯(lián)動(dòng)修改,設(shè)計(jì)人員通常須花很多時(shí)間在畫圖工作上。而在BIM平臺(tái)上做設(shè)計(jì)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(shí)直接修改三維模型,平面圖和剖面圖聯(lián)動(dòng)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(cuò)誤。

2.2.3　與其他專業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)

BIM平臺(tái)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(jì)人員可以依據(jù)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)原始資料在同一個(gè)BIM平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖5所示,模型結(jié)合了地質(zhì)、基坑支護(hù)、基礎(chǔ)和主體結(jié)構(gòu)多個(gè)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(jì)沖突,可最大限度地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。當(dāng)出現(xiàn)方案變更時(shí),各專業(yè)人員可及時(shí)調(diào)整方案,實(shí)現(xiàn)多方協(xié)調(diào)工作的效果。

2.3　在巖土工程施工上的運(yùn)用

2.3.1　施工動(dòng)態(tài)模擬

BIM5D技術(shù)已經(jīng)逐步推廣,國(guó)內(nèi)也有軟件能實(shí)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(shí)現(xiàn)BIM5D動(dòng)態(tài)模擬,直觀、精確地反映整個(gè)施工過程,有助于施工方對(duì)整個(gè)工程的施工進(jìn)度、資源調(diào)配和質(zhì)量安全進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制,也可以進(jìn)一步對(duì)原有的施工方案進(jìn)行優(yōu)化和改善。

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(tái)上的模擬進(jìn)行驗(yàn)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(diǎn),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(duì)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(diǎn)云逆向建模技術(shù),將逆向建立的模型與設(shè)計(jì)BIM模型進(jìn)行誤差對(duì)比,可以驗(yàn)證施工是否準(zhǔn)確,從而檢驗(yàn)施工的質(zhì)量。如圖6為某構(gòu)件的設(shè)計(jì)模型與逆向建模模型的疊加對(duì)比,可分析現(xiàn)場(chǎng)施工與的差異情況。

2.4　在巖土工程監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

不同于以往監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)數(shù)據(jù)表格與圖表的匯報(bào)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(cè)項(xiàng)目為例,將現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行計(jì)算,得出變形量;結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間位置信息,可在三維建模軟件中,利用插值法,計(jì)算輸出整個(gè)場(chǎng)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(cè)點(diǎn)的變形情況,更清晰地了解場(chǎng)地的沉降變形情況。

三維可視化與現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)變形實(shí)時(shí)三維化展示,這是BIM技術(shù)在巖土工程監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用趨勢(shì)。

3　BIM在巖土工程中運(yùn)用的要點(diǎn)

(1)巖土工程中BIM軟件的運(yùn)用

BIM并不是一個(gè)軟件的事,嚴(yán)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(gè)產(chǎn)品。要充分發(fā)揮BIM價(jià)值為項(xiàng)目創(chuàng)造效益,涉及常用的BIM軟件數(shù)量就有十幾個(gè)到幾十個(gè)之多。這對(duì)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(shí)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。

(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(kù)。Revit族庫(kù)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(kù)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(xiàng)目的開展和深入積累一套自己獨(dú)有的族庫(kù)對(duì)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(kù)數(shù)據(jù)可直接被調(diào)用,根據(jù)實(shí)際情況修改參數(shù),便可以提高工作效率?？梢哉fRevit族庫(kù)是一種無形的知識(shí)生產(chǎn)力,族庫(kù)的質(zhì)量,是巖土工程企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的一種體現(xiàn)。

(3)根據(jù)工程需要進(jìn)行二次開發(fā)

市場(chǎng)上尚未有針對(duì)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(shí)現(xiàn),故根據(jù)項(xiàng)目需要對(duì)BIM做二次開放是十分必要的。基本上每個(gè)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(shí)現(xiàn)用點(diǎn)擊菜單命令的方式能達(dá)到設(shè)計(jì)的目的;設(shè)定一些參數(shù)條件篩選圖元進(jìn)行分析計(jì)算;編寫平臺(tái)沒有的計(jì)算公式;根據(jù)現(xiàn)有出圖標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)原軟件達(dá)不到的效果,拓寬BIM在巖土工程中的應(yīng)用。

4　結(jié)論

(1)BIM技術(shù)的推廣須同時(shí)結(jié)合國(guó)家BIM相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定,良好的市場(chǎng)需求,BIM軟件持續(xù)發(fā)展,企業(yè)積極配合?，F(xiàn)今國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已在計(jì)劃中,某些地方政府部門已制定相關(guān)政策,有針對(duì)性地強(qiáng)制使用BIM技術(shù),甲方對(duì)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(shì),作為企業(yè)須做好應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備。

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

(3)巖土工程中對(duì)BIM的應(yīng)用大多基于三維地質(zhì)模型,包括土方量計(jì)算,基坑支護(hù)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(shí)際項(xiàng)目才能讓BIM給企業(yè)帶來真正的效益。

BIM模型在施工過程中的應(yīng)用可全面提升工程造價(jià)行業(yè)效率與信息化管理水平，優(yōu)化管理流程，高效率、高精準(zhǔn)度的完成工程量計(jì)算工作。以上內(nèi)容就是“BIM技術(shù)案例分享：BIM技術(shù)在巖土工程中應(yīng)用研究”，更多BIM熱點(diǎn)資訊/教程分享歡迎關(guān)注微信公眾號(hào)“BIM實(shí)訓(xùn)”，也可點(diǎn)擊下方免費(fèi)下載領(lǐng)取精品學(xué)習(xí)資料。