岩土工程BIM：将BIM原理应用于地下

虽然BIM的使用近年来大幅增长，但它似乎经常从头开始，地质和地下被忽视。这是一个重大的遗漏，因为BIM的整个前提是通过在早期设计阶段和整个项目的整个生命周期中降低风险来降低成本。

看不见的地下地面条件是任何建设项目中最大的风险和不确定性领域之一。事实上，据报道，超过三分之一的超支建筑项目将不可预见的地面条件列为超支的主要原因。BIM原则可以应用于岩土工程，以帮助减少不确定性，并产生适合项目的更好的现场调查，最终将有助于降低风险和成本。

本文着眼于如何使用数据共享、协作和流程的核心 BIM 原则并将其应用于岩土工程流程，并以伦敦银城公路隧道案例研究为例进行说明。它将重点介绍AutoCAD Civil 3D和Navisworks等工具以及HoleBASE SI的使用，以将以前项目的信息与各种其他数据源，地图，图纸和模型相结合。这样可以更好地了解现场，并与更广泛的团队一起改进地质和地下数据建模和可视化的流程，最终将有助于降低风险并节省资金。

“使用完全集成的多学科土木3D模型，包括地下地质学，让团队大开眼界。通过在设计环境中可视化地面条件，我们可以降低施工期间的项目风险和项目成本。

传统工艺

许多岩土工程专业人员在一个随着时间的推移而发展的过程中工作。即使他们以 3D 形式思考和可视化，信息也会通过包含 2D 场地平面图和日志表的报告通过传统方式传递。设计过程中的下一个人必须破译信息，并再次尝试理解它并以3D形式可视化它。

如果我们看一下CAD的发展到当前的BIM工作实践，我们将看到该技术如何从最初的绘图板更换到更自动化的绘图，最终演变为完整的3D BIM。我们可以将其与岩土工程行业中软件的发展进行比较。最初，钻孔原木是手工绘制的，然后开发了图形软件来帮助绘制原木，并且随着时间的推移，软件增加了数据管理，只需按一下按钮即可打印钻孔原木。这是许多人结束的地方...日志的制作。日志是一个重要的文档，因为它包含重要信息，但最终它要么是一张纸，要么是一个PDF文件，其中的数据不容易被重用或分析。

为了在设计过程中再次使用岩土工程信息，必须重新学习信息，并且经常从报告和日志中重新输入信息，这是一个缓慢、耗时的过程，容易出错。

BIM原则（流程，协作和整个生命周期）以及推动因素3D数字数据可以应用于岩土工程。通过强调拟议的银城隧道项目团队所经历的好处来说明该过程。

建筑信息模拟的定义

制造业声称BIM的起源。在项目投入生产之前的几年，将设计和测试许多原型。电气和机械设计师将聚集在一起，看看他们如何在第一个版本投入生产之前，通过多次迭代来改进原型。制造商将保留项目的数据和模型，以便在组件的整个生命周期内提供所需的任何改进。

这个过程不能在建筑中完全复制，因为隧道、道路、建筑物或其他基础设施无法建造、完善、拆除和重建。但是，在虚拟世界中，使用正确的流程和方法，可以使用来自不同土木工程学科的组件构建虚拟原型。然后，可以使用该项目的虚拟版本来完善设计和施工过程，并保留以协助结构的终身维护。

BIM可以分为三个主要原则和数字数据推动因素，将其应用于岩土工程：

过程

BIM需要商定的可重复程序，方法和工作流程，以便快速捕获，处理和共享数据和信息。

协作

BIM的许多好处是通过在上下文中可视化和分析来自其他学科的信息来获得的，从而确保工程师看到大局并能够做出更明智的决策。

终身生活

指保留和构建在项目生命周期中收集的数据和知识，以便可以重用和完善。在非BIM环境中，信息经常丢失，必须在项目的每个阶段重新学习。通过管理数据和知识，它可以在结构的整个生命周期中使用，并可能在未来的项目中使用。

数字数据 （3D）

数字数据是实现BIM优势的核心和推动因素。为了使BIM成功，需要使用通用的商定格式。对于岩土工程数据，英国和世界各地拥有成熟的商定标准AGS（岩土工程和地质环境专家协会）。在美国，DIGGS（岩土工程和地质环境专家数据交换）格式开始成为首选格式。这两种格式都可以在组织内部和组织之间传输岩土工程和地质环境数据。使用数据交换标准时，编译岩土工程数据需要将数据从数据交换文件导入到所选的岩土工程数据管理系统中。

BIM的主要好处之一是通过使用虚拟原型模型在施工阶段之前突出显示和消除潜在问题而节省成本，本质上有助于可视化以前可能看不到的问题。通过设计数据的协作更好地理解和随后对项目进行完善，有助于最大限度地减少施工后期的问题。

在早期阶段发现和解决问题的成本远低于在施工过程后期纠正它们的成本。这在MacLeamy曲线中得到了强调，该曲线说明了如果在设计阶段的早期做出明智的决策，则可以降低项目成本。

BIM的标准用法之一是突出显示来自不同学科的对象在施工过程中可能拦截并导致问题的位置（通常称为冲突检测），例如在建筑物中，通风管道可能与结构梁发生冲突。设计中的持续变化加剧了这个问题，不同的学科在不知不觉中处理过时的数据。

相同的过程可以应用于岩土工程，例如，将道路切割重新调整到对施工过程有重大影响的不同或困难的地面条件。

银城隧道项目

伦敦交通局（TfL）是负责大伦敦交通系统大部分方面的法定机构，正在规划在伦敦东部的泰晤士河下建造一条新的公路隧道。拟建的银城隧道位于银镇和北格林威治之间，将缓解附近布莱克沃尔隧道和其他现有过境点的压力。工程和设计咨询公司阿特金斯开发了该项目的参考设计。

该地区有许多具有挑战性的问题;隧道路线的南入口是一个被拆除的天然气厂的所在地。该地区的土壤受到污染，工厂的地下地基仍然存在残余物。在南岸和北岸，拟议的隧道位置靠近阿联酋航空缆车的塔架基础。此外，北岸隧道入口位于皇家维多利亚码头和一些拆除仓库的现已填满的西入口区域。就像南岸的天然气厂一样，这些特征的地下遗迹仍然存在。

隧道的路线需要穿过伦敦高度工业化的地区;包含许多不同的地面条件、道路、地基和其他地下结构的区域。

阿特金斯意识到，为了降低整体项目成本和风险，他们需要一种更好的方法来可视化和了解地面条件，并结合现有的建筑条件和更广泛的现场挑战。一个例子是有更好的方法来估计将受到建筑影响的受污染土地的数量。处理受污染材料的成本使得准确的体积计算对于评估成本影响至关重要。

建筑信息模拟方法

岩土工程师阿特金斯知道他们有很多关于该站点的现有信息，从历史地图到最近项目的最新数字数据。他们意识到，通过使用这些信息，这将大大有助于了解现场条件，并允许他们在现有知识的基础上设计一个精致的现场调查。

阿特金斯决定对项目采取双管齐下的方法，在岩土工程数据管理系统中整理现有的岩土工程知识，同时开发场地和地面条件的三维地面模型。然后将两者整合在一起，生成三维岩土工程模型，目的是在从初步调查、全现场勘察、设计到以后的整个过程中不断完善岩土工程数据和模型。

岩土工程数据

多年来，阿特金斯一直采用岩土工程数据管理，使用标准方法和流程来管理其各种岩土工程工作。标准化的使用使他们能够整理来自该地区各个项目的岩土工程数据，以及客户提供的AGS格式数字数据。

历史地图

有各种历史地图和计划，包括拆除的天然气厂、仓库以及旧码头入口的码头和地基的旧计划。

3D模型

项目团队还可以访问或创建许多3D模型，包括拟议的隧道路线以及与隧道相关的其他拟议结构。

由于客户在以前的项目中采用全生命周期BIM的方法，该团队还能够获得缆车基础的竣工数据。

岩土工程数据管理

阿特金斯将以前项目中的岩土工程数据整理并导入到新项目中，该系统由Keynetix开发，HoleBASE SI。该过程相对简单，因为数据以通用AGS格式提供，使他们能够利用标准方法来共享数字数据。阿特金斯必须确保所有进口项目都使用通用基准面以及标准地质分类。

DIGGS格式将在不久的将来在美国实现此功能;但是，与此同时，每个项目团队必须就流程和工作流程达成一致。

Ordnance Survey的历史地图和英国地质调查局的地质图也被整合到岩土工程数据管理系统中，在现场周围建立了已知信息的马赛克。通过轻松访问过去的数据，并将其与环境和岩土工程数据相结合，使他们能够在现有知识的基础上设计出精细的现场调查。

同时，阿特金斯使用 AutoCAD Civil 3D 根据各种数据源（例如 TfL 的缆车地基竣工数据，以及旧码头入口的拆除天然气厂地基、仓库、码头和地基的历史数据）创建了项目区域（地表上方和下方）的现有条件模型。增加了拟议的隧道路线以及与隧道相关的其他拟议结构。

使用常见的绘图格式（如DWG）的优点之一是，大部分数据已经采用该格式，对于不是该格式的数据，转换为该格式相对容易。在将所有数据集合并到一个地面模型中之前，阿特金斯还必须确保它们都使用相同的坐标系和基准面。

在创建信息时，它也在 Navisworks 中组合在一起，以便协作团队查看模型是如何组合的。

组合岩土工程模型

由于阿特金斯使用了 HoleBASE SI，因此它允许系统中的岩土工程数据，并可轻松与 AutoCAD Civil 3D 集成。它还使来自管理系统的岩土工程数据能够在 3D 地面模型中可视化，并使他们能够在现有和拟议的地上和地下结构的背景下快速组合、组织和管理岩土工程数据，再次有助于提高和完善他们对场地的了解。

所使用的软件允许在AutoCAD Civil 3D中直接从存储在HoleBASE SI中的岩土工程数据创建表示地质地层的地下模型。自动创建的初始模型需要操作和清理。此过程由团队使用所有可用的上下文信息以及所选软件中的功能执行。

最大的优势是，它可以帮助团队直观地理解和评估设计路线，查明潜在的施工障碍，并确定需要进行哪些新的现场调查。通过分析模型环境中的历史和可用数据，他们减少了现场调查所需的勘探孔数量，从而减少了客户的项目时间和成本。

随着项目进入现场勘察阶段，新的工地勘测数据被添加到岩土工程数据管理系统中，并用于进一步完善三维岩土工程模型，以便更好地了解地面条件。

HoleBASE SI 岩土工程数据库和 AutoCAD Civil 3D 模型之间的动态链接，使他们能够拥有快速的工作流程，并使更新的岩土工程数据能够在更广泛的模型上下文中快速查看。重新创建或手动同步岩土工程数据和三维模型所需的时间节省使他们有更多时间进一步完善和改进项目设计。此外，它还有助于自动生成土方工程和污染数量，用于项目成本核算和风险评估。

协作式 BIM 的优势

一旦在Navisworks中创建了联合模型，岩土工程BIM方法将如何使更广泛的施工团队受益就很清楚了。结构团队很清楚，一旦将进场坡道板与岩土工程模型相结合，地下水条件将导致其当前设计出现问题。包括岩土工程材料在内的联合模型也已用于为声学分析软件生成必要的部分。

该项目仍处于设计阶段，但是当它到达施工阶段时，BIM方法将促进许多明显的优势。3D岩土工程模型可以传递给施工团队，使他们能够快速构建现有数据，并减少增加自身知识的时间和成本。

三维岩土工程模型将为施工团队提供一个独特的基线，以比较他们的发现。如果在施工过程中发现差异，则可以将它们合并到模型中，并且可以更好地预测和管理任何潜在的后果。

结论

阿特金斯发现，使用完全集成的多学科模型（包括地下地质学）对岩土工程师和更广泛的设计团队都具有重要价值。通过在设计环境中可视化地面条件，它们有可能降低施工期间的项目风险和成本。

客户确实要求使用BIM作为项目的整体概念，尽管团队决定将BIM原理应用于岩土工程过程并生成3D地质模型，在此过程中，他们从中发现了许多好处，包括：

• 可视化模型可以更好地了解现场，并使他们能够查明潜在的施工障碍。
• 该模型使他们能够改进对土方工程和污染量的估计。
• 使用现有的客户知识和BIM数据大大减少了所需的新勘探孔的数量。
• 简化的工作流程节省了更新和集成数据的时间和精力。

项目团队正在更广泛的项目中寻找岩土工程模型的更多用途，这最终将为客户节省成本并保护岩土工程知识。

Gary Morin最初接受过土木工程师培训，在一系列地理信息和CAD软件系统的生产和支持方面拥有30多年的工作经验。他现在是Keynetix的技术总监，Keynetix于2000年共同创立，专门从事岩土工程数据管理软件。