【摘要】

巖土工程作為土木工程的重要分支，如何將BIM技術應用于巖土工程領域并與我國國情政策結合，是目前亟需研究的問題。對BIM技術的發(fā)展狀況、我國巖土行業(yè)特點與BIM應用在巖土工程中的應用潛力三方面進行闡述與分析，為推動BIM技術早日應用于巖土工程領域，并希望能形成完整的工作模式，從而進一步提升我國巖土工程行業(yè)建設質量和管理水平。

【關鍵詞】BIM技術；巖土工程；前景淺析；應用研究

【中圖分類號】TP391.99【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-05-26

［作者簡介］徐永兵（1981—），男，本科，高級工程師，主要從事建筑工程、巖土工程工作;李家艷（1983—），女，拉祜族，本科，高級工程師，主要從事巖土工程工作。

0 引言

在新一輪科技創(chuàng)新和產業(yè)變革中，信息化與建筑業(yè)的融合發(fā)展已成為建筑業(yè)發(fā)展的方向，并將對建筑業(yè)發(fā)展帶來戰(zhàn)略性和全局性的影響［1］。BIM（Building Information Modeling）是一種采用三維數(shù)字技術為基礎，集成工程項目各種信息的工程數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)對建筑工程的有效管理［2］。BIM作為一種革命性的技術和生產方式，從其問世而來，已在歐美等發(fā)達國家建筑業(yè)引發(fā)了極大的變革和發(fā)展，迄今為止的多項成功案例，展示了BIM技術的優(yōu)勢。

美國著名的管理學者Chuck Eastman于1975年提出BIM概念［3］，2002年Autodesk公司提出了BIM技術的概念，并將其從一種抽象的理論概念轉變?yōu)橐环N實用的數(shù)字化解決工具。2003年，隸屬于美國總務署的公共建設服務部門的首席設計所第一次從政府層面提出了一項3D-4D-BIM計劃［4］；其后眾多參與者運用BIM技術開展了更多的嘗試和探索，比如勞動力的成本估算、全生命周期成本需求、原材料的供應鏈管理等都取得了顯著的成果［5-8］。2010年，韓國政府部門積極推動，制定了一套領先的標準指南《BIM 實施指南和路線圖》［9］。同年，新加坡發(fā)布了“新加坡BIM發(fā)展路線計劃”。2012年，日本建筑學會率先公布了BIM指南，為企業(yè)應用BIM提供了必要的指導。2014年，法國使用BIM技術開發(fā)建設50萬套房屋，并且要求公共設施強制實施BIM。2016年，德國通過數(shù)字化運輸項目啟動BIM試點，預計2020年全面普及BIM應用。世界上幾乎所有發(fā)達國家都在應用并推廣BIM技術，且有不少國家都強制應用于公共設施項目。

我國具有廣闊的BIM應用市場，但相較于發(fā)達國家BIM的發(fā)展程度還有較大差距。目前我國建筑業(yè)生產模式落后，對于數(shù)字化目標和標準制定沒有統(tǒng)一規(guī)范，但隨著政府與行業(yè)巨頭逐漸認識到BIM的優(yōu)勢，BIM發(fā)展在國內也逐漸明朗。在“十五”計劃和“十一五”計劃期間，BIM技術已成為國家科技支撐計劃重點項目。2011年，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部頒發(fā)《2011-2015建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》。2012年，我國BIM國標正式立項，以支持建筑業(yè)應用領域的信息化發(fā)展。其中包括《建筑工程設計信息模型交付標準》《建筑工程信息模型應用統(tǒng)一標準》等。2016年，住建部印發(fā)了《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，強調：“十三五”時期，要推進建筑業(yè)信息化，著力增強BIM、大數(shù)據(jù)、智能化、移動通訊、云計算、物聯(lián)網等信息技術集成應用能力，建筑業(yè)數(shù)字化、網絡化、智能化取得突破性進展；2020年，住建部頒布了《城市信息模型CIM基礎平臺技術導則》，以指導BIM技術應用，為城市建設發(fā)展提供重要的技術支持。雖然國內BIM技術起步較晚，但是現(xiàn)已進入快速發(fā)展軌道。BIM技術在建筑工程領域已在穩(wěn)步發(fā)展，但是作為土木工程重要分支的巖土工程領域雖有部分應用，但鮮有對BIM技術在巖土領域的可行性、價值性與巖土行業(yè)的指導規(guī)范等方面進行系統(tǒng)性的探討和研究。

1 巖土工程行業(yè)特點與BIM技術應用現(xiàn)狀

1.1 巖土工程行業(yè)發(fā)展

在百科全書上，闡述了巖土工程的定義：作為一門全新的學科，以工程地質學與地基基礎工程學為基礎，發(fā)揮土力學與巖石力學理論的導向作用。在建設的過程中，有效地解決巖體與土體方面的工程技術問題。1986年，國家計劃委員會在全國逐漸推廣普及巖土工程機制，發(fā)揮政府的導向作用，使得巖土工程業(yè)發(fā)生了巨大的變革，主要可分為幾個階段：

（1）拓展執(zhí)業(yè)范疇，制定行業(yè)技術體制。進一步完善巖土工程體制，規(guī)定其主要工作內容包括：巖土工程勘察、巖土工程設計、巖土工程施工和巖土工程監(jiān)測（檢測、測試），其核心目的是充分發(fā)揮彼此的關聯(lián)性，使得工程勘察服務于工程建設全過程，達到巖土工程整體治理目的。

（2）完善巖土工程從業(yè)單位。我國推行巖土工程體制從勘察單位開始，勘察單位從自身基礎出發(fā)，對其觀念上、機制上和功能上等多方面進行整體改革。從單一的勘察工作，拓展集工程勘察與設計施工一體的勘察設計單位。

（3）發(fā)揮巖土工程師的核心作用。1998年，啟動注冊土木工程師（巖土）資格考試制度，2002年實施第一次注冊巖土工程師資格考試，2009年，正式實施注冊巖土工程師執(zhí)業(yè)，促進巖土工程機制的建立。

（4）制定行業(yè)規(guī)范與標準。1994年國家發(fā)布GB 50021-1994《巖土工程勘察規(guī)范》，隨后又出臺了許多行業(yè)規(guī)范。例如：GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》、GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》、JGJ 120-2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》等，又因巖土工程的特殊與地域性，各地也出臺許多相關的地方性標準，推動巖土工程業(yè)的體制改革，規(guī)范巖土工程從業(yè)人員操守，保證巖土工程項目質量。

（5）注重技術研發(fā)與人才培養(yǎng)。技術創(chuàng)新是企業(yè)的生命，人才培養(yǎng)是行業(yè)發(fā)展的血液。我國工程勘察企業(yè)在勘察測試驗裝備方面獲得了積極的發(fā)展，面向復雜巖土工程問題的通過數(shù)值分析方法和基于GIS平臺、數(shù)據(jù)庫技術的信息化建設也取得了長足進步。在20世紀90年代中期，計算機輔助巖土工程（CAGE）的理念就已被明確提出了。規(guī)定在高等院校的培養(yǎng)中，也要保證提供充足和高質量的從業(yè)人員，保障行業(yè)發(fā)展。

1.2 巖土工程行業(yè)主要低效原因

1.2.1 參建單位銜接協(xié)作不力

我國勘察機制承襲前蘇聯(lián)模式已久，現(xiàn)今我國在巖土工程行業(yè)國有或國有為主的企業(yè)占主導。雖然政府不斷促進改革，但是部分企業(yè)還沒有建立現(xiàn)代化企業(yè)制度，部分企業(yè)從業(yè)資質單一，往往多數(shù)項目需要多單位協(xié)同合作。巖土勘察、工程設計、項目施工、工程監(jiān)理往往由不同的單位負責。在實際工作中，勘察單位提供勘察場地的工程地質條件和存在的地質問題，卻少有設計解決問題的具體方案。并且在施工設計環(huán)節(jié)，現(xiàn)場所遇開挖地質情況，也不能及時與勘察單位協(xié)調，所以勘察單位往往與設計施工單位脫節(jié)；傳統(tǒng)項目監(jiān)測單位監(jiān)測數(shù)據(jù)依靠紙質與電子文件匯報，未能達到實時動態(tài)數(shù)據(jù)交互，事故安全僅僅依靠監(jiān)測單位人員的專業(yè)性與經驗性，與設計施工單位協(xié)同性不足；傳統(tǒng)設計單位輸出二維平面圖紙，不僅繪圖工作量大并且容易出現(xiàn)差錯，而施工單位只能依據(jù)海量的施工圖紙施工，對施工指導性差，施工組織困難，所以傳統(tǒng)的二維CAD設計方式正面臨挑戰(zhàn)，亟需提高設計單位與施工單位的協(xié)調性。

1.2.2 傳統(tǒng)工作模式協(xié)同性差

傳統(tǒng)的的巖土工程模式已經成為行業(yè)規(guī)則，但是其協(xié)同性差、效率低是越發(fā)需重視的問題。傳統(tǒng)工作過程一般包括：①在勘察階段，勘察資料提交給設計方；②設計方依據(jù)勘察報告對項目方案進行設計與計算，確定設計方案后提交給施工方；③施工方依據(jù)設計方案，開展施工作業(yè)；④監(jiān)理方監(jiān)督項目各方作業(yè)，在施工方施工過程中，如遇安全與質量問題，又將情況反饋給甲方與設計方；⑤突發(fā)情況后，設計方考慮是否變更設計，如遇地質問題又要考慮是否補助勘察作業(yè)；⑥設計方（勘察方）變更設計與資料重新提交給施工方。

項目實施中，如遇特殊情況，項目方案需變更，設計人員便需花大量時間修改二維圖紙，再與其他單位協(xié)調，修改一張圖紙，便會牽涉到其他圖紙。如此反復修改，不僅加大人工工作量，而且造成大量紙質材料浪費；并且傳統(tǒng)方案圖紙實施性差，對項目結構信息表達繁雜，對施工人員專業(yè)性要求高；項目方案修改期間，對項目工程進度也會造成延誤，對施工單位造成經濟損失；方案修改不免影響到材料的采購與使用，對于工程造價人員，不確定性的方案變更，對其統(tǒng)計成本造價也提出巨大的挑戰(zhàn)。這些都證明了傳統(tǒng)工程模式不足以滿足日益復雜的巖土工程安全、質量、進度、效益等方面的實際要求。

1.2.3 項目信息查詢與管理方法效率不高

在巖土工程設計過程中，需要以各種信息數(shù)據(jù)為基礎與支持。對于勘察單位，野外記錄表、巖土測試數(shù)據(jù)、鉆孔編錄表等信息文件；對于設計單位，設計方案、設計計算文件等相關報告；對于施工單位，施工日志、施工組織計劃等相關信息；對于監(jiān)理單位，監(jiān)理日志、監(jiān)理報告等相關報告。項目全過程中有許多文件，但目前項目資料都以紙質版管理，無法快速查詢與檢索其中信息；另外巖土各專業(yè)間也未實現(xiàn)協(xié)同工作，還未實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的成果轉移方式，不僅影響數(shù)據(jù)的管理，也不利于項目效率的提升，同時也增加了溝通成本；現(xiàn)階段對于數(shù)據(jù)資產未形成知識沉淀，對于管理人員的依賴性強，如果人員流動，對于項目數(shù)據(jù)的提取增添困難，甚至數(shù)據(jù)丟失。不僅影響項目數(shù)據(jù)的保存與后期復核，同時也無法對后面類似項目提供有效的幫助。

1.3 BIM技術在巖土工程行業(yè)應用現(xiàn)狀

目前，國內BIM技術在巖土工程中的應用研究主要集中在具體技術、開發(fā)以及項目解決方案的研究。如黃佳銘等［10］對BIM技術在巖土工程勘察、設計、施工、監(jiān)測等具體方面的技術問題進行了研究；戴一鳴等［11］探討了BIM在巖土工程勘察領域應用的可行性；楊繼波與郭一家等［12-15］都將BIM技術應用于實際項目中，證明其有利于推進工程建設及城市軌道交通建設的快速發(fā)展。易三美與黃迪［16-17］結合BIM技術，開展地質勘探數(shù)據(jù)三維建模嘗試。目前我國BIM在巖土工程領域的應用正在慢慢起步，但是由于軟件功能模塊有限，使得BIM科技在巖土工程中的運用仍然存在一定的局限性，對于BIM技術在巖土工程中的應用可行性和應用價值鮮有研究系統(tǒng)的成果。

2 BIM在巖土工程中應用潛力

2.1 巖土工程勘察

對于國家政策的響應，與克服傳統(tǒng)工作模式的弊端。急需推動在巖土工程勘察的信息化發(fā)展，巖土勘察過程中使用BIM技術，能夠充分了解項目的地質模型、鉆孔位置、項目周邊情況及地下水流場等詳細信息，進而全方位、多角度、立體化地展示巖土勘察過程中的各個環(huán)節(jié)，有效提高工程勘察質量。

勘察單位可利用鉆孔的原始數(shù)據(jù)與地形圖，通過將鉆孔信息輸入BIM軟件系統(tǒng)，并結合各個鉆孔的坐標、高程信息與地形圖信息繪制出地質三維模型（圖1）。采用BIM技術建立地質模型，除了常規(guī)建立出地質體模型的幾何信息之外，還可以增加鉆孔、剖面、地震信息、物探數(shù)據(jù)、土層參數(shù)、水文地質數(shù)據(jù)等等大量的工程信息數(shù)據(jù)，方便各參建單位查詢與調閱。有效提高勘察單位與其他參建單位的溝通，增強多方的協(xié)同性。

2.2 巖土工程設計

在勘察單位提供的地質模型基礎上提取地質信息，其三維地質模型具有可視化的特征，且創(chuàng)造了信息查詢便捷的工作環(huán)境，可直接實現(xiàn)開挖方量的精細化計算。在傳統(tǒng)的巖土工程設計中，許多工作需要試驗并計算才能發(fā)現(xiàn)方案的問題與優(yōu)化調整，但采用BIM技術的模型功能，便能很好實現(xiàn)檢測方案設計的合理性。基于碰撞檢測功能，不僅能使得設計方案更加合理與準確，并且提高了設計的效率與降低了成本支出。

BIM技術雖缺少巖土計算板塊的功能，但隨著有限元軟件的發(fā)展，出現(xiàn)了有限元軟件與BIM軟件銜接的數(shù)據(jù)端口，可實現(xiàn)BIM模型導入有限元軟件計算，不僅避免了在有限元軟件中建模的重復工作，還實現(xiàn)了設計方案準確的穩(wěn)定性計算。規(guī)避了傳統(tǒng)二維剖面計算的誤差與安全浪費，提升了項目整體的安全性與經濟性。

另外在設計成果的展示方面，BIM技術本身可視化功能便可將相關設計模型全面詳細并且立體地展現(xiàn)出來，有助于評審人員更為清晰地了解設計方案的意圖與建設預期效果（圖2）。并且不免會遇到修正方案的情況，采用BIM技術建立項目信息模型，能使得設計人員的效率大大提高。例如針對復雜的基坑設計方案，針對修正方案，可以直接修改三維模型，更改后的模型可直接實現(xiàn)施工出圖的目標，規(guī)避了修改方案，而不修正施工圖紙的現(xiàn)象。

2.3 巖土工程施工

2010年，美國伊利諾伊大學Golparvar-Fard、密歇根大學Silvio Savarese和哥倫比亞大學Feniosky Pefa-Mora等人共同合作，使用BIM技術和攝像技術相結合，重建施工場景，在3D模型可視化應用的基礎上添加時間維度，通過合理安排進度計劃實現(xiàn)對施工過程進度跟蹤和控制［18］。在順序漸進的發(fā)展中，BIM模型演變成集成了進度、預算、資源、施工組織等關鍵信息，對施工過程進行模擬，及時為施工過程中的技術、生產、商務等環(huán)節(jié)提供準確的形象進度、物資消耗、過程計量、成本核算等核心數(shù)據(jù)，提升溝通和決策效率，幫助客戶對施工過程進行數(shù)字化管理，從而達到節(jié)約時間和成本，提升項目管理質量的目的（圖3）。

并且利用BIM技術自身的可視化，有效的指導了施工，特別在于復雜的結構處，三維的模型比二維的圖紙更易理解，提高了施工的效率與質量。并且由4D的施工實際進度生成5D工程量統(tǒng)計，輔助工程造價管理，在施工的全過程中，能嚴格把控混凝土、木材、鋼板、鋼筋等主要材料的損耗量，可實現(xiàn)實時的工程量統(tǒng)計。

2.4 巖土工程監(jiān)測

傳統(tǒng)的監(jiān)測簡報多數(shù)采取數(shù)據(jù)、表格與圖表等匯報模式，當采用BIM模型與實際工程項目的監(jiān)測信息結合時，可運用監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析軟件，并參照現(xiàn)場測量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過計算得出變形量；在三維模型通過有限元計算后，針對應力與變形較大處，重點監(jiān)測與維護；在監(jiān)測過程中，做到定時定位監(jiān)測，及時將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋與導入信息模型中，實時而動態(tài)的三維演示監(jiān)測變形。在發(fā)現(xiàn)問題時，能及時采取相應的措施，把事故隱患消除于萌芽階段。

3 總結與展望

伴隨著國家城鎮(zhèn)化的不斷推進，建筑業(yè)規(guī)模也在迅速擴大。隨著新常態(tài)經濟環(huán)境的到來，傳統(tǒng)粗放式的建設管理模式已不再適用于如今信息化時代。BIM技術作為建設領域最主要的信息技術，已經擔負著工程建設實現(xiàn)改革發(fā)展的主要職責。巖土工程專業(yè)作為土木工程重要分支，在信息技術方面相對于其他建設領域處于落后狀態(tài)。需要工程從業(yè)人員與建設單位不斷加強對BIM技術的研究與實踐探索，也需要研究人員對BIM技術的各項新功能進行研發(fā)。目前將BIM技術廣泛應用于巖土工程行業(yè)還存在一定的困難，但是未來基于BIM技術的工作模式必然會取代傳統(tǒng)的工作方法，BIM技術的應用將進一步提升我國巖土工程建設質量和管理水平。

參考文獻

［1］ 冀東， 翟月， 劉元賢， 等. 青島地鐵勘察設計中BIM技術的研究與應用［J］. 城市勘測， 2019（3）： 5.

［2］ 李宗明， 王三智， 曹保平. 裝配式住宅與住宅工業(yè)化［J］. 山西建筑， 2011， 37（10）： 2.

［3］ 崔春亮. 建筑工程管理中BIM的應用探析［J］. 工程技術（全文版）， 2016（7）： 273-273.

［4］ 美國總務署. General Services Administration（GSA）3D-4D-BIM Program［EB/OL］.http：//www.gsa.gov/bim.

［5］ Kehily D， Woods T， Mcdonnell F. Linking Effective Whole Life Cycle Cost Data Requirements to Parametric Building Information Models Using BIM Technologies［J］. International Journal of 3-D Information Modeling， 2013， 2（4）： 1-11.

［6］ Won， Jongsung， Lee， et al. How to tell if a BIM project is successful： A goal-driven approach［J］. Automation in construction， 2016.

［7］ Tory M， Swindells C. Comparing ExoVis， Orientation Icon， and In-Place 3D Visualization Techniques［J］. Proc of Graphics Interface’， 2003.

［8］ Aram S， Eastman C， Sacks R. Requirements for BIM platforms in the concrete reinforcement supply chain［J］. Automation in Construction， 2013， 35（35）： 1-17.

［9］ 鄭國勤， 邱奎寧. BIM國內外標準綜述［J］. 土木建筑工程信息技術， 2012（1）： 4.

［10］ 黃佳銘， 鄭先昌， 侯劍， 等. BIM技術在巖土工程中應用研究［J］. 城市勘測， 2016（2）： 4.

［11］ 戴一鳴， 任彧. 第七屆全國巖土工程實錄交流會特邀報告： 探討B(tài)IM在工程勘察應用的可行性［J］. 巖土工程技術， 2016（1）： 6.

［12］ 楊繼波. 基于BIM技術的巖體基坑工程設計及施工模擬技術研究［D］. 青島：青島理工大學， 2016.

［13］ 郭一家. 福州過烏龍江地鐵施工工期與安全BIM優(yōu)化管理研究［D］. 石家莊：石家莊鐵道大學， 2016.

［14］ 王悅. BIM技術在深基坑工程的應用研究［D］. 廣州： 華南理工大學， 2020.

［15］ 盧珊珊. BIM技術在深基坑施工風險評估中的研究與應用［D］. 南昌： 南昌大學， 2019.

［16］ 易三美. 基于BIM的三維地質建模與數(shù)值模擬一體化應用研究［D］. 武漢：湖北工業(yè)大學， 2020.

［17］ 黃迪. 基于BIM的三維地質建模集成化研究［D］. 蘭州：蘭州大學， 2019.

［18］ Han F， Lin S. Research on Multi-Major Collaborative Design Theory and Practice Innovation of BIM in Architecture Majors in Universities［C］//Proceedings of the 2019 International Conference on Pedagogy， Communication and Sociology （ICPCS 2019）. 2019.