[分享]穿行地下的数字工程

目前，建筑信息模型（BIM）得到了较为广泛的应用，但这种技术经常只关注地面上的结构，而甚少应用于地下工程。最近，在伦敦的银城（Silvertown）隧道设计提案中使用了BIM技术，充分说明了在BIM的应用框架中考虑到岩土技术的优势。

尽管近年来BIM和数字工程的应用有了显著增长，但这样的应用趋势往往是从地上结构开始的，忽略了地质及其他地下工程。然而，BIM的核心技术可以应用到岩土工程中。事实上，在BIM技术中更广泛地应用地质数据，可以使合作伙伴在项目中受益。

BIM在建筑设计和基础设施方面的应用显著增长，这在一定程度上得益于美国、澳大利亚和英国等国家的政府举措。例如，英国内阁办公室在2011年制定的政府建设战略（2016- 2020）中提到，至少在2016年之前实现3D BIM协作，并且所有的项目和资产信息、文档、数据都以电子化的形式展现。政府强制推行BIM只有一个简单的原因：在建筑和基础设施项目的建设和维护上，应用BIM技术是最经济的一种方式。

在众多可借鉴参考的BIM定义中，有两个最为突出。英国BIM任务组，作为一个政府计划旨在帮助企业遵循政府制定的建设战略的组织，将BIM定义为：在创建、整理、交换的基础上，在项目资产的整个生命周期中实现协作、创造价值，共享3D模型及其附加的智能结构化数据。由华盛顿特区的国家建筑科学研究所开发的，被称为美国国家BIM标准，将BIM定义为：设施的物理、功能特征的数字化表示。因此，BIM作为设施信息的共享信息资源，从一开始就在工程的全生命周期中为今后制定决策提供了一个可靠的基础。

当BIM技术应用于岩土工程时，有3个主要条件：过程、协作及整个生命周期。在过程方面，涉及可重复的过程、方法和序列时，BIM需要被普遍接受，这样可以使数据和信息能够被快速捕获、处理和共享。在协作方面，BIM的好处是通过可视化和分析包含其他学科信息的数据，确保工程师能够看到“大局”并做出更好的决策。最后，在项目的整个生命周期中收集、保留和建立数据，以便在未来的项目中对信息进行细化和重复使用。

数字数据是实现BIM优势的核心要素。BIM要想成功，必须使用公认的格式。在岩土数据领域，英国和其他许多国家得益于岩土和地质环境专家协会制定的、成熟的文件共享标准。在美国，由数据交换项目开发的数据传输协议已经开始受到青睐。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。当涉及数据交换标准时，编译岩土数据需要将数据交换文件中的数据，导入所选择的岩土数据管理系统中。

BIM最重要的好处之一是，通过一个虚拟的模型来实现成本的降低，该模型可以在施工前揭示并消除潜在的问题。从本质上讲，BIM可以帮助用户将过去可能没有发现的问题可视化。在早期阶段发现并解决问题的成本，比在施工过程中纠正问题要低得多。

BIM特别适用于揭示不同学科设计的物理元素在施工过程中的相互冲突。例如，通过这种“冲突检测”，可以确定建筑物的通风管道是否会与结构梁发生碰撞。当不同的学科对设计进行更改，而无意中使用了过时的数据时，往往会出现此类问题。同样的方法也适用于岩土工程。例如，如果将道路切割，重新调整到不同且具有挑战性的地面条件中，这种变化可能会对施工过程产生重大影响。

BIM如何从岩土工程设计中获益，一个典型的例子是银城隧道。该隧道将在Silvertown到格林威治北部之间的伦敦东部泰晤士河下穿过。为了缓解附近布莱克沃尔（Blackwall）隧道周围及其他现有交叉路口的压力，新的道路将提高伦敦东部交通网络的可靠性和恢复能力，同时显著改善周边居住、工作和通勤的人们进行跨河公共交通转换。该项目由伦敦交通局委托进行。Atkins是一家进行国际设计、工程和项目管理的咨询公司，被任命为该隧道工程的设计专家，并负责项目的初步设计。

隧道的路线需要穿过伦敦工业化程度很高的地区，这些地区的特点是具有不同的地面条件，道路、地基和其他地下结构。在该地区修建隧道面临的挑战之一是，拟建的隧道靠近泰晤士河北岸和南岸，与阿联酋航空公司的缆车塔基相连。这条横跨泰晤士河的空中缆车线路，供行人过江，是阿联酋航空公司为了迎接伦敦奥运会，赞助伦敦交通局而建设的。河的北岸还有一个填海区域，曾经是维多利亚码头（皇家码头的一部分）的西部入口，以及各种被拆除的仓库地基。在南岸，这条隧道路线将穿过一个以前的煤气厂。虽然在2000年，为庆祝活动而建造千禧穹顶时，处理了与该场地相关的大部分污染，但仍然存在污染残留物和煤气厂的基础。Atkins公司的工程师们意识到，为了降低整个项目的成本和风险，需要一种更好的可视化方法来还原和分析地面条件、现有的基础设施和场地。例如，设计一种更好的方法来估算受施工影响的、已污染的土地面积，可以提高处理受污染材料的成本预算的准确性。

岩土工程师们知道，大量关于场地的信息可以从旧的地图，以及最近项目的最新数据中获得。利用这些信息将大大提高他们对现场情况的了解，并使他们能够完善基于现有知识的现场调查计划。

Atkins公司决定对该项目采取双管齐下的方法，将现有的岩土工程信息整合到岩土数据管理系统中，同时模拟场地和地面条件的三维地质模型，然后再将两者结合起来，生成一个三维岩土工程模型。随着岩土工程数据的不断完善，在前期勘察、现场调查、设计以及其他过程中，不断更新模型。

多年来，Atkins公司一直利用岩土数据管理系统，用标准的方法和流程来管理各种工作。标准化的使用，使该项目的工程师能够整理来自该地区各种项目的岩土工程数据，以及客户提供的，或Atkins自己存档的符合岩土和地质环境专家协会格式的数据。各种旧地图和平面图都有，包括以前的煤气厂、仓库、旧码头的地基平面图。项目小组还创建了若干个三维模型，其中一个模型显示了拟建隧道路线和与隧道有关的结构位置。因为伦敦交通局在之前的项目中应用了BIM技术，例如阿联酋航空公司的空中缆车项目，所以团队也能够获得缆车塔架基础的竣工数据。

工程师在之前建立的岩土数据管理系统中，整理、导入与先前项目相关的岩土工程数据，该系统依赖于Keynetix Ltd.开发的HoleBASE SI软件。由于这些数据以公认的岩土和地质环境专家协会的格式提供，所以过程相对简单，使工程师能够利用标准方法共享数字数据。他们必须确保所有项目都使用通用格式，以及标准的地质分类。在不久的将来，美国所有项目中都将采用标准的项目数据交换格式。然而在此之前，每个项目团队必须就流程和工作流达成一致。这种方法的一个主要优势在于，它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较老的和可用的数据，团队减少了现场调查所需的探测漏洞数量，减少了客户的时间和成本。

来自英国测绘机构Ordnance Survey的地图和英国地质调查局的地质图，也被合并到岩土数据管理系统中，形成了一幅关于场地周围已知信息的拼接图。通过轻松访问较早的数据，并在环境和岩土技术数据的上下文中查看这些数据，使项目团队能够根据现有的知识提早规划场地调查。

在岩土数据管理的同时，Atkins公司使用AutoCAD Civil 3D创建了一个包含地上和地下信息的项目区域现有地面模型。专家们使用了客户现有的缆车基础模型，并结合仓库模型数据、已拆除的煤气厂基础数据、旧码头入口的桥墩和基础数据。这些数据连同提案中的隧道路线、其他与隧道有关的结构一并提交。

银城隧道设计所需的大部分数据，以程序自带的dwg文件格式提供。任何尚未采用这种格式的数据都相对容易转换。在将所有数据集组合成一个地面模型之前，团队成员还必须确保使用相同的坐标系。

所采用的方法和使用的工具，使岩土数据管理系统能够与AutoCAD Civil 3D集成，并使管理系统中的岩土数据能够在三维地面模型中可视化。通过这种方式，项目团队成员可以在现有的和提议的地上、地下结构的上下文中快速地组合、组织和管理岩土数据，这同样有助于提高和细化对场地概念的理解。

通过HoleBASE SI中存储的数据，在AutoCAD Civil 3D中访问和使用，项目组可以在AutoCAD中直接创建基于岩土数据的地下模型。自动创建的初始模型需要操作和细化。工程师使用所有可用的上下文信息，以及所选软件中可用的功能来完成此项操作。

随着项目进入现场调查阶段，新的现场勘察数据被添加到岩土数据管理系统中，并用于进一步完善三维岩土工程模型，使团队更好地了解地面地质情况。

Atkins公司使用的软件具有岩土数据库和三维模型之间的动态链接，这种链接加快了工作流程，并允许在包含更广泛模型的环境中，快速查看更新的岩土数据。通过减少重新创建或手动同步岩土数据和三维模型所需的时间，项目组有更多的时间来细化和改进设计。此外，三维模型还有助于自动估算被移动的地质体积和必须处理的污染量。这些资料对进行项目成本估算和风险评估是非常有用的。

在岩土工程中使用BIM也让施工团队受益。结构团队将进场坡道板的设计与岩土工程模型相结合，然后在意识到地下水位会出现问题时对其设计进行了修改。此外，还利用岩土工程模型为声学分析软件生成了必要的剖面。

三维岩土模型可以传递给施工队，使其成员能够在现有数据的基础上快速构建，减少时间和成本。三维模型可以提供图像和“飞行”视频，对于公众来说，大大提高了对该项目的了解程度。三维岩土工程模型还将提供一个明确的基线，供施工队作比较之用。如果在施工过程中出现差异，则可以将它们纳入模型中。因此，可以更好地预测和管理任何可能发生的问题。

该项目小组还发现，使用包括地质在内的多学科综合模型，不仅对岩土工程师，而且对其他学科的工程师都具有重要价值。通过在设计环境中可视化地面条件，团队可以在施工期间降低项目风险和成本。

虽然客户要求在整个项目中使用BIM，但项目组还是决定将BIM特别应用在岩土工程中，并生成三维地质模型。这样做的好处是：可以更好地了解现场，并使项目参与者能够查明潜在的施工障碍；使团队能够改进有关土方工程和污染数量的估算；利用现有的BIM数据显著减少新勘探孔的数量；简化的工作流程节省了更新和集成数据的时间和精力。

随着项目的进展，团队继续找寻岩土工程模型的更多用途，从而为客户节省额外的成本。虽然传统的设计和施工方法，往往无法保留某些关键信息为之后的项目生命周期使用，但在这个项目中加入BIM将确保岩土技术数据得到保留，甚至在未来得到扩充。