建筑信息模型在凍結鑿井施工的關鍵應用

和曉楠， 周曉敏， 季維偉

(北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083)

圖1 建筑信息模型與傳統工作流效果對比Fig.1 Comparison of the building information model and traditional workflow effect

現階段，以建筑信息模型(BIM)為代表的信息技術正深刻改變著傳統的設計和管理方式(如圖1)，其經歷計算機輔助建筑設計(computer-aided architectural design，CAAD)、建筑描述系統(building description system，BDS)、互動圖形設計語言(graphical language for interactive design，GLIDE)、建筑產品模型(building product model，BPM)、通用建筑模型(generic building model，GBM)等階段多次完善，包含“虛擬設計與施工”(virtual design and construction，VDC)和“一體化項目模型”(integrated project models，IPM)[1-6]。中國建筑工業行業標準JG/T 198—2007《建筑對象數字化定義(building information model platform)》[7]定義BIM為：“建筑信息完整協調的數據組織，便于計算機應用程序進行訪問、修改或添加。這些信息包括按照開放工業標準表達的建筑設施的物理和功能特點以及其相關的項目或生命信息周期。”以信息為核心，BIM包括三部分：建筑信息建模(building information modeling)、建筑信息表達(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協調性使得大部分工程問題在設計(或模擬施工)階段得以檢查和解決，改變了傳統施工問題“先發現、再解決”的模式，且覆蓋到整個項目的生命周期[10-12]。

自BIM于1975年提出后，在歐美建筑行業逐步興起和發展，但在中國或其他行業中適用性不足，需要解決“本地化”“專業化”的問題[13-15]。本文通過分析國內外BIM研究趨勢及發展現狀，明確國際技術水平和中國應用特點，總結地下巖土工程BIM使用經驗。結合立井凍結工程實際，提出了項目級行業特色BIM應用流程及內容，建立凍結模型族庫及3D整體模型，并進一步地在凍結鉆孔、設備布置、進度優化等方面進行了關鍵應用，可視化效果好，工程實用性強。

1 BIM的發展現狀

1.1 研究趨勢分析

圖2 SCI-E逐年文獻數量及各國占比Fig.2 The number of SCI-E literatures and the proportion of countries year by year

圖3 SCI-E BIM文獻關鍵詞逐年占比Fig.3 The proportion of key words in SCI-E BIM literature

圖4 中國知網 BIM文獻逐年數量統計Fig.4 Statistics of BIM literature in CNKI

理想的BIM通用模型及其互操作性還遠遠沒有達到[16-17]，分析趨勢確認方向是進一步發展的前提?；赟CI-E(science citation index expanded)數據庫，以“BIM”為關鍵詞對近5年土木工程及施工技術領域(engineering civil，construction building technology)檢索，國際文獻數量逐年增長，中國文獻占比逐年增加(圖2)；“施工(construction)”“設計(design)”“管理(management)”分列研究方向的前三位(圖3)。基于CNKI中國知網數據庫，以“BIM應用”“BIM設計”“BIM施工”“BIM管理”為關鍵詞對近10年工程科技Ⅱ輯文獻(包括建筑科學與工程、水利水電技術、公路與水路運輸、鐵路運輸等)檢索，中國研究自2011年顯著增加，環比增長速度穩定在50%以上，與國際趨勢不同，設計與管理占比較大(圖4)。特別地，礦業工程近5 a BIM文獻數量不足20，開展礦建BIM應用研究極為必要。BIM施工首當其沖，應滿足工程需求以調動行業技術革新的積極性。

1.2 技術標準及軟件

鑒于BIM的優勢和障礙，其技術標準的制定和軟件工具的開發也在積極發展[18-23]。其中較為重要的是，國際工業協同聯盟(industry alliance for interoperability，IAI)于1995年提出了面向對象的三維數據模型IFC標準(industry foundation classes)，經多年迭代成為了用于數據共享交換的開放性國際標準；美國于2007年頒布了基于IFC的《國家BIM標準》(national bim standard，NBIMS)，是最早頒布并應用統一BIM標準的國家，隨后在2015年從標準、技術、資源三個方面進行了補充完善；英國于2009年頒布了《英國建筑業BIM標準》(AEC(UK)BIM Standard)，并后續制定了面向兩大主流BIM軟件平臺的《AEC(UK)BIM Standard for Autodesk Revit》和《AEC(UK)BIM Standard for Bentley Product》，大幅提高了技術標準實用性。而中國的BIM起步較晚，借鑒已有BIM應用技術標準(表1)相繼推出一系列相關標準并明確了BIM發展目標[24]，以達到“國際化接軌”和“本地化應用”的雙重要求。

BIM應用涵蓋多專業內容，軟件工具需要滿足不同專業方向、使用層次的功能要求[25-26]。Autodesk、Bentley和Dassault Styterms三大國際平臺具有完整BIM解決方案；中國則以插件形式與主流國際軟件實現對接，實現特色性功能[27-37]?，F有軟件工具(表2)大多服務于建筑行業，限制了其他工程領域BIM的發展。

表1 現階段不同國家和地區BIM技術規范指導文件Table 1 Guidance documents for BIM indifferent countries

表2 現有主要BIM軟件平臺工具Table 2 Major BIM softwares and platforms

1.3 地下工程應用經驗

目前，BIM最顯著的特點，同時也是缺點，是行業發展不平衡。建筑行業經過一系列重點項目實踐，如“中國尊”“上海國際金融中心”“望京SOHO”“武漢綠地中心”等[38-41]，在整體信息管理與應用上穩步提高；但地下工程的工程信息載體仍是面向元素設計的CAD圖紙，其與BIM集中管理資源的形式區別很大[42]。特別的，凍結鑿井工程機械化、信息化程度較高，在礦山建設和市政地鐵行業潛力巨大[43-45]，工程信息僅僅依靠人員管理已經無法滿足發展需求[46-48]。

BIM先進性已得到廣泛認可，在地下工程也有所發展且潛力巨大[49-51]。限于篇幅僅舉幾例，濟南西客站站前廣場地下工程針對復雜管線的布置和安裝引入BIM，按二維圖紙搭建三維模型，提前發現并統計了設計圖紙中存在的碰撞問題，針對性地進行了調整與優化，使得施工過程中出現管道設計變更的可能性大大降低[52]。西成客專清涼山隧道在三維建模、施工模擬、工程量統計、輔助出圖等方面進行了探索與實踐，認可BIM在隧道行業的先進性和可行性，指出在配套專業標準、開發軟件工具方面還需更深層次的考慮和發展[53]。深圳地鐵9號線工程規范了深化模型設計的工作流程，對管線及結構物進行了碰撞檢查[54]。英國Cross隧道實現了貫穿于設計、施工、移交、操作和維護整個生命周期的BIM應用，表明BIM不僅僅用于協調交付階段，也用于管理工程生命周期階段[55]。

地下工程BIM應用內容和層次都有待提高，相應標準工具不夠完備。具體地講，現有規范主要解釋基本概念和建議應用內容，涉及除建筑外其他行業的內容無從參考；且現有軟件工具基本都立足于成熟應用的建筑行業[56]，無法在凍結鑿井工程中完整使用。地下工程情況相對復雜，工程大多按專業分離式管理，整體協調性有限，在現有方針指導下盲目使用BIM完成工程設計施工工作是不可取的。依據目前技術水平和經驗，根據行業特色內容制定工作流程，實現關鍵技術應用較為可行。

2 項目級BIM策劃

2.1 整體策劃內容

現有BIM標準和技術路線不能直接套用到其他工程行業[57-58]，結合凍結鑿井工程特點和企業內部需求，提出了適用于凍結鑿井工程施工階段BIM模型的創建、使用和管理的BIM應用流程(圖5)，主要包含三維模型繪制與仿真模擬施工。

2.2 三維建模及模型分類

三維模型是BIM應用基礎，據不同階段主要分有初步設計模型，深化設計模型，施工過程模型和竣工驗收模型。初步設計模型據施工圖保證基本尺寸；深化設計模型細化模型元素，形成必要的三維模型視圖(圖6)；施工過程模型據施工工藝對模型元素進行必要的拆分、合并，關聯施工進度信息；竣工驗收模型據工程項目竣工驗收要求修改而成。

2.3 施工進度及成本管理

圖5 凍結鑿井BIM技術應用流程Fig.5 Application process of BIM in freezing shaft sinking

圖6 深化設計的建模流程Fig.6 Deepen design modeling process

進度管理為施工實際進度和計劃進度的跟蹤對比分析、進度預警、進度偏差分析、進度計劃調整等(圖7)。成本管理與施工管理類似，通過信息模型與實際信息的關聯與匹配，按進度、部位、分項、分包商等分類完成預算報表、成本核算和成本分析(圖8)。

圖7 進度管理應用流程Fig.7 Progress management application process

圖8 成本管理應用流程Fig.8 Cost management application process

3 BIM關鍵應用

3.1 凍結設備族庫及工程模型

目前軟件預設族類局限于建筑行業[59]，礦建領域需建立具有專業特色的族庫。建立凍結特色族庫，組建完整3D模型，并可以生成傳統圖紙(圖9)，可視化技術大幅提高施工技術交流效率。

圖9 凍結站3D模型及其生成圖紙Fig.9 3D models and drawing of freezing station

3.2 參數化鉆孔定位及設備布置

圖10 凍結孔設計參數化編程示意Fig.10 Parametric programming for freezing hole design

通過制定數據模板并鏈接設計參數(圖10)，可視化編程程序[60-61]使得整個設計建模過程中凍結孔定位鉆進及凍結站布置工作程序化、參數化，快速高效。

3.3 鉆孔軌跡動態碰撞檢查

凍結鉆孔作業相比地勘專業，具有孔數多，精度高的特點，為解決偏率計算效率不高、平面偏斜圖不直觀的問題，使用BIM碰撞檢查工具實現了鉆孔軌跡管控(圖11)，每孔每水平實時檢測。

圖11 碰撞檢查流程Fig.11 Clash detective process

3.4 凍結施工仿真與進度管理

BIM 4D(3D模型+時間)施工進度模擬技術較為成熟[62-63]。將凍結三維模型導入、關聯設計進度信息，進行可視化仿真施工尋找并解決工程問題(圖12)；關聯實際進度信息用于現場管理決策。

圖12 進度關聯與管理界面Fig.12 The progress management screen

4 結論與展望

BIM是物理功能信息的先進表達方式。本文分析國內外研究趨勢后，以凍結鑿井施工為對象，對BIM在企業項目級策劃流程和關鍵應用進行了探索研究，取得以下經驗：

(1)BIM應用需進行全面而詳細的規劃。借鑒規范經驗，結合行業特色，落腳工程實際；本文提出并應用了凍結鑿井項目級BIM應用規劃，明確BIM應用內容和流程，提高傳統技術人員的BIM認識水平，劃分各部門職責與相應責任，為現場工程管理和技術交流提供了基礎。

(2)BIM在其他行業中的發展需循序漸進。本文依據凍結鑿井施工特點，建立了專用設備、材料模型族庫，并編程實現了孔位、設備的參數化布置，極大提高了建模效率和可視化進程；細分凍結鑿井施工工序、工期，在試點項目進行了施工進度模擬與管理，效果良好。另外，利用BIM技術對鉆孔軌跡實現了動態監控以助防偏糾偏決策，將凍結工程關鍵技術問題納入到凍結鑿井BIM體系，下一步應積極開展BIM平臺的建設。

(3)BIM的內涵是與時俱進的，機遇與挑戰并存。本文結合凍結鑿井特色進行的BIM調研與關鍵應用雖取得良好效果，但受制于技術標準、軟件平臺及行業現狀的發展，巖土特色的BIM信息框架平臺、與巖土數值分析數據傳遞是亟待解決的問題。