岩土工程智能建造在地下空间的应用及展望

2022-12-29李辉

智能建筑与智慧城市 2022年5期

关键词：岩土施工现场空间

李辉

（中冶集团武汉勘察研究院有限公司）

1 引言

统计数据显示：北上广、京津冀、南杭青等20多个城市地区已经编制了岩土工程智能建造地下空间专项规划，占全国总城市数量的2/3以上。可见，我国已经成为世界上地下空间开发和利用的大国。

2 地下空间建设现状及国内外发展趋势

2.1 地下空间建设现状

西方大部分国家在地下空间的开发和利用方面都取得了较理想的成绩，虽然我国在该领域起步较晚，但也取得了一定成效[1]。同时，还存在一些问题。

①我国的岩土工程智能建造在地下空间的应用经过多年实践与积累取得了很大进步，智能建造水平有了显著提高，但仍然落后于西方国家。

②在地下空间的建设过程中，有个别参建单位为了节约施工成本和追求利润最大化，省去了很多环节。比如，岩土编制报告由钻探人员完成，地下水位未能严格按照要求进行测量，岩土测试与取样也未达到要求与标准，后期的勘察报告委托非专业人员编写，资料的整理由实习生套用其他项目，未对报告内容进行针对性评价。以上问题的存在使报告成果失去了参考意义，给工程的建设质量埋下隐患。

③常见的岩土工程地下空间支护体系，从受力模型建立到交付沿用了过去传统的计算—实验—施工—产品—交付等环节。

2.2 国内外发展趋势

纵观世界上的各个国家，都十分注重地下空间的开发与利用[2]。19世纪中叶世界上第一条地铁的建设使英国伦敦成为最受瞩目的国家，地下空间的开发和利用也因此得到了长足发展。地下空间构造利用进一步延伸，如地下超市、地下停车场、地下工厂、超深地下实验室等，这些都已在西方国家地下岩土工程中得到了良好应用。随着经济社会的不断发展，人类对土地资源的需求也在与日俱增，岩土工程智能建造也应运而生。

我国陕西和山西一带的窑洞是地下空间最成功的案例，早期，窑洞为了抗战而建设，可以有效躲避敌袭击。但由于当时不具备专业技术，修建出来的地下空间存在很多安全问题。在现代社会中，全国各地由于技术不成熟被迫将已经修建完成的地下空间推倒早已屡见不鲜，造成极大的经济损失。同时，我国的地下铁路建设正在快速发展，给人们日常出行带来便利的同时，也合理利用了地下空间资源。岩土工程智能建造在地下空间的应用为施工企业提供了技术指导和安全防御措施。

相较传统的岩土工程项目，地下空间建设环境复杂，受地形、地质条件以及水文等因素的影响较大，地下空间工程要合理解决地面与地下空间二者之间的矛盾，在工程项目开始建设之前，要正确协调岩土体与支护结构之间的关系。岩土工程智能建造工程创新模式是将新一代信息技术与工程建造融合，实现建筑业高质量发展。

3 智能建造在地下空间应用的价值和意义

智能建造是信息技术的产物，是经济社会发展、科学技术发展的必然趋势，是人、物体和信息的智慧结合，是建立在行为学、信息学以及社会工程学之上的交叉应用。在未来时期内，智能化建造将会成为建筑物的重要标志。岩土工程智能化建造在地下空间的应用相比传统施工来说，具有前沿性。

1）可以实现施工现场全面管理

施工现场的全面管理是决定地下空间质量与效率的关键所在，智能建造在地下空间中的应用离不开智能技术的支持，这对地下空间的发展和整体情况来说具有重要影响。智能建造是智能系统的整合，是物理空间与网络空间的交互，实现了施工现场的全面管理。

2）有效弥补传统施工疏漏缺陷

现阶段，智能建造已经成为地下空间开发和利用工程中的重要组成部分，通过安装在施工现场的监控设备、健全与完善的智能监控防范体系，更好地弥补了传统施工模式下的各种疏漏与缺陷。另外，对施工现场的人员、材料和设备也实现了全方位管理，充分体现了规范管理的优势。

3）避免对环境造成影响

岩土工程智能建造在地下空间的应用不仅让施工现场管理工作更加信息化，让工程项目的质量得到了保证，还可有效避免对周围自然环境造成恶劣影响，保证上传下达信息的畅通无阻。

4）降低施工环节出现的损失

岩土工程智能建造在地下空间的应用不仅让施工现场管理更加安全可靠，还使智能建造流程达到更高标准，对施工过程中的各类安全隐患可以委派专业人员进行预防和解决，降低施工环节出现的损失，同时让各项管理工作变得更加专业、有效率。

5）满足城市交通实际需求

地下空间的开发和利用满足了城市交通的实际需求，地下空间将城市中地面的部分交通设施有序转入地下，在缓解地面交通拥挤的同时，减少因交通建设而占用土地的问题。比如，英国伦敦第一条地铁的建设其实是将地面铁路搬到了地下，与地面车辆实行立体分离，满足城市交通实际需求。

4 传统岩土工程地下空间建造的弊端与不足

4.1 数据准确性易受人为影响

数据准确性易受人为影响主要指的是勘查现场的各项数据信息的真实性和准确性容易受到人为因素影响。虽然一些施工企业会委派专业工程师对施工现场实施全过程跟踪，但由于其劳动成本过高，在一定程度上会加剧施工企业的负担。为此，智能建造被提上了日程。

4.2 数据重复问题严重

传统的岩土工程地下空间建造产生的数据是由人工方式完成统计的，容易出现大量的重复性记录，导致数据错误问题接踵而至。智能建造既可减少人工录入的繁重工作量，还可提升数据信息的准确性。

4.3 数据传输流程复杂多变

传统的岩土工程地下空间建造还存在数据传输流程复杂多变的现象，导致勘察设备、软件外业环节与内业环节孤立，数据传输流程复杂。应积极推广智能建造在传统岩土工程地下空间的应用，简化数据传输流程，大力发展信息化系统技术。

4.4 数据信息共享过程困难

岩土工程地下空间建造会产生大量的信息数据。比如，在地质地形条件的分析方面，各部门工作人员不仅需要信息数据的共享，还要不断挖掘其他更有价值的数据信息。为此，应借助智能建造优势降低数据信息统计难度，实现信息数据共享。

5 岩土工程智能建造在地下空间的应用

岩土工程智能建造指的是在地下空间开发过程中充分利用智能技术和智能化系统，提高地下空间建设水平，减少其对人的依赖，达到安全与稳定的目的。为此，岩土工程智能建造在地下空间的应用需要做好几个方面的工作。

1）建立资料文档信息化系统

资料文档信息化系统的建立是岩土工程智能建造在地下空间中应用的最基本形式，该系统可以帮助施工企业解决其在地下空间开发过程中资料管理、存储等难题。具体操作流程如下：①将纸质版资料文档统一进行录入、扫描和数码处理，形成电子数据库；②以项目为单位实现文档信息化，以便各个参建单位人员对地下空间有关资料进行查询与浏览。

2）完成岩土工程地质建模

由于岩土工程施工现场勘察钻孔资料零散，为便于对资料整体分析，一些勘察单位利用计算机完成对岩土工程地质的建模。目前，岩土工程地质建模方法主要有数字表面模型法、不规则格网法。其中，数字表面模型法指的是根据岩土工程的特点，通过利用数据解释结构重构地质体界面，形成网状曲面；不规则格网法指的是将区域划分为相连的三角面网格，再将三角面的定点、边进行插值处理。

3）设置勘察数据库系统

勘察数据库系统指的是在原始数据的基础上自动生成中间数据和最终成果数据。常见的有GIS系统。GIS系统既有助于勘察资料的分析与整理，又可以简化勘察资料的录入流程。工程项目剖面图、三维模型等数据信息存储于该系统中，实现数据信息的统一管理，达到数据信息集成的目的。

6 岩土工程智能建造在地下空间未来展望

6.1 四维可视化技术

岩土工程智能建造中数据信息的获取、传输在未来时期都以四维呈现，四维可视化技术指利用物联网技术实现岩土工程智能建造现场信息获取，比如钻机现场监控、基坑隧道动态监测，减少人工工作，保证数据信息的真实性与客观性。

6.2 云GIS技术

云GIS技术指的是在传统GIS技术的基础上，通过利用计算机技术帮助作业人员解决无法及时获取关键信息的难点，使作业人员根据实时数据信息合理指导施工人员施工。

6.3 感知挖掘技术

感知挖掘技术可以用于岩土工程智能物探、地质条件预测等方面，利用大数据感知挖掘技术理论，对测量结果进行统计与分析，帮助项目各专业技术人员和管理方实现对岩土工程智能建造的宏观认识，可对地下空间不安全因素的进行判断。

6.4 BIM技术信息化系统

BIM技术指的是通过数字仿真模拟建筑物建造过程的一种技术。近年来，BIM技术在岩土工程地下空间建造中的应用主要体现在结构、技术以及地质的可视化即协同数据信息计算方面。随着科学技术的日新月异，如何更好地实现地下空间建造在结构、技术以及地质可视化相互作用、精细化管理的耦合模拟，还需要将智能建造技术融入工程项目的全生命周期中。

6.5 一体化数据与大数据分析系统

岩土工程智能建造在地下空间应用涉及多方面环节，比如现场勘察、设计、检测等。但是由于各个环节的独立性，所以各项数据信息难免会出现多元化、格式标准化等方面的问题。一体化数据与大数据分析系统是解决以上问题的重要支撑。随着信息化技术的普及，智能建造将会越来越多积累各类应用场景的经验和数据，使数据智能化，未来时期内的岩土工程地下空间建造一体化数据与智能化建造大数据分析系统相结合将会成为主流趋势。