引言

土方工程是工程项目的基础，其施工效率直接影响建设项目的进度、成本与质量。传统土方施工存在工程量计算误差大、施工组织难、安全质量隐患多等弊端，备受质疑。新兴的 BIM + 数字孪生 + AI 巡检技术，凭借信息整合、精准计算、可视化呈现及协同作业能力，对土方工程全流程进行革新，有效解决传统模式的痛点，显著提升项目整体效益。

1 BIM + 数字孪生与 AI 巡检技术概述

1.1 定义与特点

BIM + 数字孪生及 AI 巡检技术通过参数化建模，可快速修改仿真模型参数，灵活响应设计变更，大幅提升设计效率。在土石方工程管理中，该技术能直观呈现地形地貌、开挖填筑范围等信息，借助数字孪生平台实现多方高效沟通，助力实时掌握项目动态，推动协同作业。

1.2 应用现状

BIM 技术已广泛应用于建筑工程全生命周期，但在土方工程领域仍处于发展阶段。目前，其在土方工程规划、工程量计算、施工进度模拟等方面的应用日益增多，有效提升了工程效率与品质。然而，该技术在土方工程应用中仍面临技术融合不足、专业人才短缺、数据标准不统一等问题，亟需进一步探索与完善。

2 BIM + 数字孪生与 AI 巡检技术在土方工程全过程的应用研究

2.1 BIM 设计环境的构建

依托数字孪生系统平台，完善项目制度与操作规范。综合运用 BIM + 数字孪生仿真模型、激光点云采集、无人机倾斜摄影等 AI 全景巡检技术，搭建工程数据采集体系，并落实 BIM + 数字孪生土方管理技术，实现土方工程高效、精准、可持续管理。

2.2 BIM + 数字孪生应用实施

2.2.1 设计阶段应用

数智勘察管理：借助数字孪生系统平台，实现勘察数据全流程数字化采集与信息化管理，以信息化手段高效完成数据处理与分析。

BIM + GIS 智慧勘察：利用搭载 GPS - RTK 定位模块的无人机开展倾斜摄影测绘，将采集数据导入建模软件，构建 BIM + 数字孪生仿真模型，大幅提升地形测绘精度。

BIM 地质数字孪生模型：提取地质钻孔勘探报告数据搭建初步探孔地质仿真模型，再导入数字孪生系统平台进行深度分析，为项目场地设计优化提供精准依据。如图1所示。

图1 BIM 地质数字孪生数字仿真模型

地形平整优化：融合 BIM + 数字孪生模型、方格网图及建筑方案，精准确定场地设计高程，为地形平整及建筑方案优化提供多维数据支撑。填挖方 AI 平衡：通过叠加原始与设计地形仿真模型，依托数字孪生系统平台，运用 AI 技术实现土方填挖方智能计算与动态平衡，降低弃渣运输填埋成本，提升施工效率。

土方工程量核算：基于土方平衡规划数据，借助 BIM + GIS 技术自动生成土方工程量计算报表，实现数据精准、高效计算。如图2所示。

图2 BIM+GIS 可视化土方工程量

2.2.2 施工阶段应用

数智进度管理：利用无人机倾斜摄影采集现场数据，依托数字孪生系统平台快速生成土方量，按周统计工程完成量，实现土方工程进度的高效监控与管理。如图3所示。

图3 AI土方工程量

数智质量监管：通过无人机航拍获取图像并上传至数字孪生系统平台，借助 AI 图像分析技术，自动监测石堆弃装堆位置变化，实时监管石方装车回填情况，确保问题整改闭环。如图4所示。

图4 AI违规石方回填识别

智能安全管理：AI 全景巡检记录仪与数字孪生系统平台实时联动，自动识别施工中的安全隐患，及时发现问题并推动整改，实现安全问题的闭环管控。

2.2.3 数智土石方工程计量应用

土方工程计量内容

明确挖方区、填方区范围边界并设置标识。分施工前、中、后阶段，完成初始、阶段性、最终计量，记录数据归档并复核审核。运用无人机倾斜摄影技术，保障计量精度，为成本核算、结算支付提供依据。

土方工程计量流程

以 7 天为周期，通过无人机倾斜摄影采集外业数据，经内业处理审核后，导入数字孪生系统平台。利用 AI 算法比对不同阶段数字仿真模型，输出土方体积量差值，扣减石方工程量，统计各区域每周土方工程量，实现可视化计量管控。

数智石方工程计量内容：

基于项目实际、勘察报告及分析论证，运用 BIM 技术融合点云与倾斜摄影数字孪生模型，取代传统人工测量，实现石方计量自动化、数字化，提升计量准确性与效率。本项目石方收方采用孤石与大面积石方分类计量方式。如表1所示。

表1 分类计量标准（单位：m）

孤石收方流程：

施工单位划定孤石堆放区，整齐摆放待收方孤石，对每批次石方编码、喷涂标记并拍照记录至申请表单。提交申请后，监理单位现场采集登记工程量并复核。利用三维激光点云扫描设备采集数据，经滤波处理重建三维模型，计算体积并导出清单、填写复核表单，最终由全过程咨询单位统一复核收方量。如图8所示。

图8 三维扫描数字孪生数字仿真模型图片

大体积收方流程：

施工单位开挖遇大体积石方，先清理表层土方并编码、拍照、登记、标记，再按情况处理：

情况一：石方过高且条件允许，清理周边土方推倒后，按孤石测量；

情况二：部分高于设计标高，逐层清理拍照登记后首次点云扫描，爆破后按孤石复核；

情况三：石方不规则或爆破后表面不均，进行二次点云扫描核算增减量；如图9所示。

图9 现场大体积石方收方

情况四：大体积岩壁无法点云扫描，通过无人机倾斜摄影建模取数，爆破后对比计算工程量。

石方收方联系单与签证单申请流程

施工单位在数字孪生系统平台提交签证联系单申请石方收方，同步抄送各参建单位。负责人审批后，各单位按计划验收。验收完成，施工单位发起工程签证单流程，经多单位严格审核，至建设单位审批闭环。

2.2.4 竣工阶段应用

竣工档案管理：

依托数字孪生系统平台，实现竣工档案数据全流程采集与信息化管理，确保工程施工归档资料完整、准确、可追溯。

竣工结算控制：

对完工项目开展精细化土石方计量，将结算数据录入系统，发起多方流程化会审，实现工程项目高效管理，降低成本风险，促进各参与方信息互通与协同合作。

2.3 案例的经验总结

2.3.1 成功经验

汕尾市高级技工学校二期项目运用 BIM + 数字孪生与 AI 巡检技术，推动土方工程迈向高效、精准、绿色的可持续管理：

l 数智勘察管理：实现勘察数据全流程数字化、信息化，提升项目管理效率；

l 地质模型与 AI 分析：借助地质数字孪生模型及 AI 算法，为场地设计优化提供可视化依据；

l 土方平衡优化：减少弃渣运输填埋成本，提升土方施工效率；

l BIM + GIS 应用：自动处理数据并精准计算，提高土方工程量核算与预算编制的效率和准确性；

l 智能施工管理：基于 AI 图像识别与智能巡检，杜绝违规施工，实现安全零事故；

l 创新计量技术：采用点云扫描技术，规范石方收方计量，提升土石方计量精度；

l 竣工档案管理：通过自主研发平台，确保竣工资料 100% 完整、准确归档，具备可追溯性。

2.3.2 不足之处

尽管 BIM + 数字孪生与 AI 巡检技术有助于提升工程精细化管理，但在复杂地质、紧张工期场景下存在应用局限。同时，施工人员安全意识不足，安全教育培训亟待加强。此外，该技术依赖专业设备与技术支撑，成本高昂且专业人才短缺，极大制约其在土方工程施工中的推广应用 。

3 BIM+数字孪生应用效益

3.1 经济效益

勘察阶段：数智勘察管理促使项目管理效率提升 20%。

设计阶段：土方平衡管理削减 35% 土方外运费用，精细计量让土方工程量计算与预算工作效率提高 13%。

施工阶段：质量管理杜绝违规施工，安全实现零事故；石方计量误差控制在 0.5%，土石方计量准确度提升 90%。

竣工阶段：资料归档大幅缩短 85% 的资料整理时间。

3.2 社会效益

以大数据、无人机、GIS + BIM、AI 等新技术整合的土方工程解决方案，形成了可复制、可推广的成果，为后续各类新型技术在各专业工程领域的应用树立了标杆，对工程行业发展与打造高质量建设工程具有重要意义。

4 结论与展望

4.1 研究结论

BIM+数字孪生+AI巡检土方工程全过程应用优势明显，在勘察阶段提高项目管理效率、设计阶段优化成本提高工作效率、施工阶段提升施工质量和安全性、竣工阶段资料归档、结算管理提高工作效率。提高经济效益，树立行业标杆，有重要的社会效益。

4.2 未来展望

4.2.1 发展趋势

技术融合深化：与物联网、大数据等技术深度融合。借助物联网实时监控工地设备，提升施工效率与安全；利用大数据处理海量工程数据，为决策提供支撑。

智能化升级：以人工智能、机器学习推动土方工程向智能设计、施工和管控迈进。如通过算法优化开挖填筑设计，预判并防范施工风险。

4.2.2 对未来土方工程建设的建议

政策与人才：政府和行业协会加强技术宣传推广，出台鼓励政策、制定标准，并强化专业人才培养。

行业发展：持续推进技术创新，引入新技术提升施工效率与质量；构建科学管理机制，运用信息化手段实现全流程管理；加强行业协作，促进土方工程领域协同发展。

参考文献

[1] 王磊, 张伟. BIM技术在场地土方平整中的应用——基于工程新农至西中岛公路项目的实践分析[J]. 土木工程与管理学报, 2021, 38(3): 45-51.

[2] 李芳, 陈建国. BIM技术在土方工程计量上的研究与应用——基于苏州市太湖新城医院项目的案例分析[J]. 工程管理学报, 2019, 33(5): 112-116.

[3] Lu Q., Parlikad A.K. Digital Twin for Civil Engineering Systems: An Exploratory Review for Distributed Sensing Updating[J]. Sensors, 2022, 22(15): 5677.

[4] 刘志强, 吴刚. 数字孪生技术在土木工程中的应用：综述与展望[J]. 中国工程科学, 2021, 23(4): 89-97.

[5] Tang S., Shelden D.R. Beyond digital shadows: A Digital Twin for monitoring earthwork operation in large infrastructure projects[J]. Automation in Construction, 2023, 147: 104715.

[6] 张华. 土石方工程行业的工程施工一体化管理系统 成本策略领航者！[J]. 建筑经济, 2020, 41(8): 34-38.

[7] 李明, 王涛. 全过程工程咨询数字化管理平台开发研究[J]. 工程管理前沿, 2022, 9(2): 78-84.

[8] 苏州市交通运输局. 苏州首家运用无人机场自动巡查及AI技术提升交通工程监管效率[N]. 苏州日报, 2023-05-12(A3).

[9] 深圳市水务局. 宝安区首个直饮示范水厂已实现通水——基于BIM+IoT+AI的智慧水厂实践[Z]. 深圳: 深水宝安水务集团, 2023.

[10] 合肥新桥国际机场建设指挥部. 合肥新桥国际机场航站区道路及配套工程施工总承包合同（BIM专项条款）[Z]. 合肥: 安徽省政府采购中心, 2022