在科技高速发展的今天, BIM技术作为建筑行业研究的前沿与焦点, 近年在建筑结构、机电等专业得到了广泛的应用^[1,2,3]。BIM技术作为一种工程全过程的数字化管理工具, 正在越来越深入地参与到勘察-设计-建造-运维全生命周期中。通过将整合后的海量数据在项目的策划-营造-运维这一闭环内进行共享和传递, 为一线工程技术人员提供了直观易懂的现场信息, 为工程项目的各参建单位提供了协同作业的坚实基础, 在建设过程中为实现“提质增效”和“绿色施工”发挥了重要的作用^[4,5,6]。

传统的岩土工程领域, 其发展略显滞后, 部分学者在基坑工程中进行了一定的探索应用, 主要借助建筑结构方面的技术工具来实现, 并没有形成较为成熟的技术解决方案^[7,8]。分析原因主要有以下几点:岩土行业并未引起各方的重视, 同时建设方未提要求, 在一定程度上阻碍其发展;涉及岩土条件本身的不确定性和各向异性, 难以用一套软件去解决各问题, 导致目前市场上还没有一款系统性软件工具^[9]。

边坡工程属于岩土行业的一个分支, 现有的工作手段主要是利用勘察二维成果借助相关的计算分析软件提出设计方案, 施工方依据图纸按照已有的经验进行施工。其弊端也越来越多地得到体现, 如针对岩质地层, 二维勘察剖面图纸难以表现节理、构造空间位置和形态;针对复杂的地形边坡, 二维设计图纸很难准确表现开挖范围线、支护区域, 以概念设计为主, 不确定性较大;对于高难度的边坡施工, 对安全性提出了较高的要求, 如未经过周全的论证, 容易发生不可预测的事故。为解决上述问题, 可视化的技术手段体现出应用价值, 同传统岩土行业一样, 至今还没有一套较全面的软件应用于边坡工程设计。

南京某矿坑改造边坡工程, 在岩土工程勘测、设计和施工环节中尝试采用多种技术组合的方式解决相关问题。根据具体实践, 提出BIM技术在边坡工程中的基本实施方法 (见图1) 。

项目位于南京市六合城区, 场区地势起伏较大, 存在大量矿山开采后的遗留矿坑, 为对矿山进行修复治理, 建设方准备利用现有的地形打造成系列旅游景观。针对不同地质形态, 采用不同的BIM技术解决方案, 选取其中一个具有代表性的矿坑作为应用案例。该矿坑位于矿山的中部南麓, 长条形, 进口段长约100m, 宽约22m, 内部形成较开阔的“壶形”, 口径约150m。矿坑崖壁高度由入口至内部逐渐增大, 最高处约38m。矿坑两侧均为陡坡峭壁, 坡度为75°~85°, 局部岩体突出形成负角。从矿坑侧壁可以明显看出地质条件, 在入口两侧存在黏土覆盖层和灰岩风化后形成的残积土, 厚1~3m。部分区段存在侵入的花岗岩, 呈微风化~中风化状态;中部区段存在多组明显的结构面, 结构面差异较大, 部分形成外倾楔形体。矿坑内部部分区域存在较破碎的岩体, 偶见掉块现象。

根据该边坡高度及破坏危害程度, 将该边坡安全等级定为一级。

根据景观设计, 将该矿坑打造成一个观光景点, 充分利用现有崖面岩体的天然景观, 同时加入部分人工景观, 如在狭长形通道上盖板, 内部修建1道瀑布, 其下修筑游览通道, 通道延伸至“壶形”区边缘。要求尽量减少对完整岩体的破坏, 同时避免过于修饰丢失自然景观。

因该矿坑进口段游客集中, 旅游观光通道距坡面较近, 如边坡发生破坏, 可能造成极其严重的后果。矿坑内部区域距游客活动区较远, 危害性相对较小。根据现场实际情况, 结合景观设计专业需要, 本着安全、经济、可靠、协调的原则对该边坡进行治理。为更好地服务于景观专业, 建设方、施工方决定在传统的边坡设计中加入BIM技术。

项目在前期规划时已采用GPS测量了地形, 形成了场区地形等高线图。但由于本工程矿坑的地形十分险要, 导致采点量较少, 形成的等高线难以精确反映地形细节及崖面的形状。配合传统测量方式, 建设方采用了更先进的倾斜摄影技术扫描整个场区, 得到场区的三维测绘地形图。

倾斜摄影技术是测绘领域近些年发展起来的一项高新技术, 颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限, 通过在同一飞行平台上搭载多台传感器, 同时从1个垂直、4个倾斜等5个不同的角度采集影像, 将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界^[10]。采集了目标体的三维坐标数据, 以点云形式储存, 其具有较高的数字精度, 处理起来较为简便, 可以用于数据的分析、输出以及显示, 同时可以和其他软件及时进行数据共享。

为生成可以被软件直接利用的地表曲面, 对摄影采集的云点进行格式转换, 导入Civil 3D软件形成更为详细的等高线图和三角曲面 (见图2) 。

三维地质模型是将二维的勘察成果转换成三维可视化的地质模型, 该模型具有直观易读性, 同时具有一定的统计分析功能, 如结构面产状、节理统计等。本区域地层除了表层分布有风化土, 整个地层主要以强、中风化灰岩为主, 局部有侵入的花岗岩。通过勘察报告中的钻孔数据以及现场踏勘的照片等相关资料, 根据地形等高线对三维地质模型表面进行拟合, 采用Itas CAD三维地质建模软件建立三维地质模型。对不同土层赋予不同的颜色, 同时采用贴图的方式, 区分不同类型的岩体, 使得从三维模型中快速了解现场地质条件 (见图3) 。

利用三维地形图和三维地质模型可以较好地展示矿坑的形状, 反映近于真实状态的影像, 同时可以直观展示区域的地质条件, 有助于设计人员理解整个区域地质条件。

在传统的边坡治理工程中, 设计方案一般通过平面图、立面图和剖面图等形式展示, 在局部有凸出、凹进的地方或者其他难以在图纸上描述的部位只能靠施工技术人员结合说明进行概念理解, BIM技术可视化的表现方式体现出明显的优势。

在三维模型的基础上, 尝试引入BIM技术进行工程设计, 也为后期BIM在施工管理中的应用打下基础。由于当前并没有可以直接用来计算边坡稳定性和边坡设计为一体的BIM软件, 所以本工程分析设计主要采用传统设计中的理正岩土软件和Rocscience系列软件中的Slide模块和Rocfall模块。在经过计算分析和确定具体的加固措施后, 采用Revit软件建立工程治理的三维模型, 其后利用该模型和景观专业进行交流。

1) 参数化族构件建立与建筑结构工程大力推行的构件预制化和工厂化不同, 岩土工程施工中所采用的构件多是现场制作完成的, 精细化程度较低, 但构件信息较全面。Revit软件内置族构件主要针对建筑专业, 缺少岩土专业族构件, 需要对软件中自带的构件进行改造或者自行建立参数化的族。岩土工程设计经常涉及到条件变化导致方案变更, 对模型中的族构件进行参数化很有必要。根据设计方案为该工程定制了锚杆、锚索、排水沟、挂网喷混凝土等族构件。

2) 方案设计与布置通过计算分析和论证, 制定了该矿坑加固的设计方案:在第四系松体中打设注浆锚杆, 在外倾结构面位置打设预应力锚索, 在局部比较破碎区域采用清屏和挂网喷混凝土方式处理。根据整体的设计方案进行BIM模型的搭建, 尺寸、定位和排布方式等均按照设计分析结果进行。其中坡面的清理采用切割三维地质体的方式, 在添加各类构件的时候, 针对各类构件设定构造阶段、施工材料、尺寸大小和施工顺序、技术要求等信息, 确保模型能够反映真实的各类施工信息。采用该模型在方案交流和评审期间发挥了较大作用。

搭建完模型后, 通过软件内置的明细表导出各类构件的面积、体积和总长度等信息, 进行工程量统计, 将这些信息导入造价软件中进行造价分析。同时在Revit中进行部分出图工作, 通过剖切得到不同区段的剖面图和相应的支护结构图纸, 并结合传统的CAD工具, 进行设计深化完成出图作业。加固方案剖面如图4所示。

该矿坑属于高陡边坡, 施工空间约20m, 施工高度多在20m以上, 预应力锚索施工产生较大的反力, 一旦脚手架发生失稳将产生较大危害, 为此制定了专项的脚手架工程施工方案, 为提高安全保障、更有效地指导施工, 借助BIM技术预演施工方案。将已有的Revit模型通过插件转化成广联达BIM5D中可以识别的数据格式, 在其中布置机械、材料堆放区域、脚手架工程等, 对支护构件添加时间节点和增加资金, 通过4D/5D的形式直观展示现场的实际施工过程。同时进行4D/5D施工预演, 提前发现施工中可能出现的问题, 项目部可精准且合理地编制资源需求量计划和劳动力计划, 从而有效地控制工程的质量、进度和成本。

为更好地管控施工质量, 施工现场通过三维动画和照片的形式进行技术交底, 让施工人员更加清楚地了解到现场的施工工序和施工要点等信息, 避免表述不清或理解偏差造成施工错误。

本工程将BIM技术引入矿坑治理整个阶段中, 通过组合不同的技术工具解决传统方式难以解决的问题, 通过具体的工程实践得出以下结论和经验。

1) 倾斜摄影技术作为一种全新的技术手段在边坡工程中可以发挥较大的作用, 有助于提高参建各方对现场的理解, 同时点云数据可以得到有效利用, 生成高精度的地形曲面和等高线, 解决传统GPS测量精度不高的问题。

2) 三维地质模型在边坡工程中可以有效展示勘察和调查所得地层, 针对岩质边坡, 可以反映结构面产状及节理面统计。

3) 在复杂边坡设计中加入BIM技术可使概念化的图纸更形象化、具体化, 工程量计算和变更实现“一处变更, 处处改动”的功能。

4) 采用4D/5D进行施工前预演, 能有效避免可能遇到的问题, 采用可视化的技术交底能提高施工人员的理解, 减少施工错误。

然而, 当前还未有一款功能全面化的岩土BIM设计软件, 还需要多款软件配套使用, 对数据传输的完整性提出一定挑战, 同时对技术人员技能的掌握要求较高, 在实践中还应进行更多有益探索, 挖掘更成熟、更实用的技术方案。