矿山地质环境治理工程BIM技术的应用探索

朱晓勇，胡国长

（江苏省山水资源开发集团有限公司，江苏南京 210001）

矿山地质环境治理是贯彻“绿水青山就是金山银山”理念、落实国家生态文明建设的重要举措，是统筹推进山水林田湖草生态保护修复的重要内容。在矿山地质环境治理各阶段工作中，工程设计至关重要，提出治理目标，采取治理措施，部署工程实施，直接决定了治理工作成效。利用工程测算软件基于二维平面模型开展工程设计，工作效率低、成果不够全面，在一定程度上制约了矿山地质环境治理工作的科学高效与规范性。建筑信息模型，简称BIM 技术（Building Information model）在建筑行业的应用充分证明其技术先进和方法优越[1]。然而，BIM技术在矿山地质环境治理工程中鲜有应用。应用BIM 技术，以矿山边坡削坡降坡工程设计为例，通过精细化建模，实现矿山地质环境治理工程设计的三维数字可视化、虚拟施工模拟、工程评价与分析等功能，推进工程信息化和规范化，为矿山地质环境治理过程的质量、安全、进度、成本等动态管理提供技术支撑，更好地服务矿山地质环境治理工作。

1 BIM技术应用优点

BIM 技术是一种多维(三维空间、四维时间、五维成本、N维更多应用)模型信息集成技术，在项目从概念产生到建成投产的整个生命周期内，可以使项目建设的所有参与方都能够在模型中操作信息和在信息中操作模型，从而从根本上改变从业人员依靠符号文字形式图纸进行项目建设和运营管理的工作方式[2-3]。BIM技术在矿山地质环境治理工程中的应用有以下优点：能够实现对矿山地质环境治理项目全生命周期的管理[4]；实现设计和施工动态模拟；实现工程质量、安全、进度、预算全面控制；容易实现深化设计，提升项目质量；三维模型对比清晰、直观，有利于施工指导；实现各种工程施工材料、器械、人员、文档综合管理；提供直观的展现平台，方便主管单位、建设单位、设计、施工及监理、监测等参建单位查询项目实施信息和管理矿山地质环境治理工作。

2 BIM技术在矿山地质环境治理工程中的应用思路

以Revit 建立的BIM 模型广泛应用在建筑工程领域，其BIM结构和建筑建构一一对应，难以满足矿山地质环境治理工程实际情况。虽然基于IFC的BIM扩展可以实现，但带来的数据结构复杂性和信息不匹配因素给矿山地质环境治理信息数据集成带来极大的冗余。构成建筑中BIM 软件体系庞大，对于相对建构简单的矿山地质环境治理模型显得头重脚轻，带来了巨大的成本浪费和维护代价。

鉴于此，参考BIM 广度研究中建筑工程、交通工程、桥梁工程等[5-10]，为矿山地质环境治理工程构建三维模型及实现模型深化应用。采用常用的三维软件构建矿山地质环境治理工程的模型数据，将模型和其对应4D 信息建立关联，当需要完成BIM 功能时，指定特定的机制实现二者之间信息通信和融合，由此提供BIM 模型支撑服务。通常而言，使用GIS 平台的使用即为BIM数据组织提供了便利，也提供了BIM技术在矿山地质环境治理工程中不可或缺的分析能力。利用ARCGIS 平台强大的三维展现和分析功能、空间数据组织功能，与常用的3DMAX模型构建能力相结合，建立起满足矿山地质环境治理工程的BIM 模型结构，根据建立的BIM 模型体系，采用BIM 技术方法，实现矿山地质环境治理工程中设计可视化、方案优化、应用模拟等功能。

3 基于BIM技术矿山边坡削坡工程设计模型构建

3.1 BIM模型设计技术路线

矿山地质环境治理的BIM模型设计从矿山治理专业角度出发，充分考虑模型的空间结构和属性信息，结合施工工序，形成以设计阶段数据为基础，以矿山地质环境治理过程中的质量控制、成本控制、进度控制和安全控制为目的的解决方案，从而为施工提供指导,达到施工管理和治理目标。施工模拟阶段依据成果样表、模型时间及BIM 模型数据，通过可视化方法模拟施工过程[11]。基础数据是构建三维展示平台的基础，也是BIM 技术在矿山地质环境治理工程中应用的依据，主要包括交通道路数据、行政区划数据、土地利用数据、水文数据、地形地貌、气象数据、地层岩性分布、地质构造与区域稳定性、水文地质特征，滑坡概率、岩体崩塌概率等边坡稳定性分析数据，边坡朝向、边坡高差、坡度大小、地貌状况、出露基岩岩性、岩石风化状况等。

结合矿山地质环境治理的实际情况，矿山地质环境治理BIM 模型设计技术路线如下：①依据设计建立矿山地质环境治理中的模型对象，采用软件设计BIM模型，并保存为可支持存储的格式数据，将BIM与质量信息、安全信息、进度信息、成本信息建立关联[12]；②对建立的BIM模型进行性能分析，反复修改论证，直至符合要求；③依据BIM模型数据导出工程预算表、施工进度安排、工程填挖方量等资源信息表；④设计矿山地质环境治理工程应用系统，实现BIM 技术在矿山地质环境治理工程中的应用。

3.2 BIM模型构建方法

BIM技术支持矿山地质环境治理工程全生命周期的信息管理，使信息能够得到有效的组织和追踪，保证信息从一阶段传递到另一阶段不会发生信息流失，减少信息歧义和不一致。要实现这一目标，需要建立一个面向全生命周期的BIM 信息集成平台及其BIM 数据的保存、跟踪和扩充机制，对项目各阶段相关的工程信息进行有机的集成。结合矿山地质环境治理工程的实际情况，矿山地质环境治理工程设计BIM 模型构建方法如下：①依据矿山地质环境治理工程设计建立矿山边坡削坡降坡工程的模型对象，采用模型软件设计BIM 模型，并保存为可支持存储的格式数据。分层检查、整理AutoCAD 图件中专题信息与地形要素、图例信息等放置在同一层的情况。对图件中施工布置图专题范围与标段范围不吻合、偏差较大的情况，需要人工进行修正。通过3DMAX 将修正和筛选的CAD 设计数据进行翻模，构建三维模型、模型贴图；②将三维模型倒入GeoDatabase 数据库中，形成MultiPatch 数据，为模型指定空间参考系。原AutoCAD 图件2000 国家大地坐标系、中央经线120°、黄海/85高程，BIM数据库2000 国家大地坐标系；③将BIM 与质量信息、安全信息、进度信息、成本信息建立关联；④对BIM 模型进行性能分析、修改论证，达到精准使用要求。BIM模型构建过程如图1所示。

图1 BIM模型构建过程

3.3 边坡削坡降坡工程设计应用系统

3.3.1 系统建设目标

矿山地质环境治理工程中边坡削坡降坡工程设计应用系统可以实现矿山边坡削坡降坡工程设计方法动态转换为BIM 三维模型，通过对模型的预览、修改、细化、分析、统计、模拟功能，动态展现矿山地质环境治理中边坡削坡降坡工程设计和施工过程动态模拟，实现矿山边坡削坡降坡工程设计和施工阶段数据等资料备案、合同管理、资料动态存储、统计报表、分析检索等功能。

3.3.2 系统功能模块

基于BIM技术的矿山边坡削坡降坡工程设计应用系统包括6个功能模块：系统管理、调查建档、信息建模与信息管理、施工过程模拟、信息输出与共享、三维场景展示。每个模块下面包含一系列的子模块，如图2所示。

图2 系统功能结构图

3.3.3 系统数据库

根据矿山地质环境治理工程需要的数据，建立基于BIM技术的矿山边坡削坡降坡工程设计应用系统数据库，数据库框架如图3所示。

图3 数据库框架图

3.4 矿山边坡削坡工程设计BIM模型

将CAD 二维平面设计图，使用3DMAX 软件翻模，生成3ds 三维模型。模型依据实际情况贴图渲染，导入到GeoDataBase数据库中。动态输入BIM模型数据，构建矿山边坡削坡降坡工程设计三维模型，如图4所示。该模型三维图形挂接SQLserver 中的工程施工单价、机械施工、施工材料、人工施工、工序模型、分区信息、项目信息等，实现了BIM 模型的4D 信息存储在数据库中。

图4 矿山边坡削坡降坡工程设计BIM模型图

4 结论

（1）通过对矿山地质环境治理工程中涉及的各种数据、工序、信息在空间上抽象、归纳、总结、信息化，运用BIM 技术构建了符合矿山地质环境治理工程BIM模型结构，该模型结构涵盖了三维模型构件和构件属性信息，形成五位一体（三维结构、质量、安全、成本、进度）的BIM结构化模型，为矿山地质环境治理工程设计应用系统的建立提供三维BIM 数据结构基础。

（2）针对BIM 技术在矿山地质环境治理工程设计中的应用，着力解决矿山地质环境治理工程设计中的数据化、标准化、模型化等关键技术难题，推广应用适宜于不同项目图形特征设计信息化、模块化、自动化及三维可视化数字技术，及时准确地为矿山地质环境治理工程实施提供数据资料、BIM 模型管理、模拟计算、4D数据输出及使用等，满足矿山地质环境治理工程设计及施工的数字化要求，为江苏省矿山地质环境治理工程数字信息化管理提供科学依据和技术方法。

（3）BIM技术应用于矿山边坡削坡降坡工程设计，通过精细化三维建模，建设设计应用系统，进行工艺技术参数验算及数据提取，具有可视化、模拟、协调、优化、出图的功能，可以实现矿山地质环境治理工程全寿命周期内的信息数据共享和协同设计，减少了设计和施工专业人员的工作量和失误的概率，大幅提升工作效率，值得在全省甚至在全国大力推广。

5 展望

除了边坡削坡降坡工程之外，矿山地质环境治理工程中涉及的滑坡、崩塌等地质灾害治理、客土喷播和围堰穴植等生态复绿、挡土墙、截排水沟等分项工程及工序也很有必要实行BIM 技术数字信息化管理，结合矿山地质环境治理BIM 技术应用系统建设，逐步实现矿山地质环境治理整体工艺方法的BIM 技术管理，促进矿山地质环境治理工作全面信息化和现代化，并为各级自然资源主管部门提供决策依据，具有广泛的应用价值和前景。