基坑工程BIM應(yīng)用

何建軍 王 碩 姚守儼

(中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

基坑工程BIM應(yīng)用

何建軍 王 碩 姚守儼

(中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

通過(guò)創(chuàng)建基坑工程BIM模型，直觀體現(xiàn)項(xiàng)目全貌，實(shí)現(xiàn)多方無(wú)障礙的信息共享，讓不同的團(tuán)隊(duì)可以在同一環(huán)境下工作，實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、土方開(kāi)挖、基坑監(jiān)測(cè)等方面應(yīng)用。

基坑工程； BIM； 地質(zhì)模型； 支護(hù)模型； 變形監(jiān)測(cè)

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.06.10

圖1 基坑工程BIM應(yīng)用流程

1 概述

BIM技術(shù)在基坑工程的應(yīng)用目標(biāo)是：通過(guò)創(chuàng)建基坑的BIM信息模型，打破基坑設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)之間的傳統(tǒng)隔閡，直觀體現(xiàn)項(xiàng)目全貌，實(shí)現(xiàn)多方無(wú)障礙的信息共享，讓不同的團(tuán)隊(duì)可以在同一環(huán)境下工作。通過(guò)三維可視化溝通，全面評(píng)估基坑工程，使管理決策更科學(xué)，采取措施更有效，并加強(qiáng)管理團(tuán)隊(duì)對(duì)成本、進(jìn)度計(jì)劃及質(zhì)量的直觀控制，提高工作效率，降低差錯(cuò)率，節(jié)約投資。

BIM技術(shù)在基坑工程中的應(yīng)用內(nèi)容，主要包含以下幾個(gè)方面：地下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)三維模型的建立； 項(xiàng)目所在環(huán)境的三維地質(zhì)模型的建立； 基坑開(kāi)挖各工況施工順序的模擬； 自動(dòng)統(tǒng)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)各部分的工程數(shù)量； 三維模型轉(zhuǎn)二維的自動(dòng)成圖； 基于BIM的基坑信息化施工與檢測(cè)。

2 基坑工程BIM應(yīng)用業(yè)務(wù)流程

基坑工程BIM應(yīng)用業(yè)務(wù)流程，詳見(jiàn)圖1。

(1)收集項(xiàng)目相關(guān)巖土工程地勘報(bào)告和設(shè)計(jì)資料，獲取地形、地質(zhì)數(shù)據(jù)，建立三維地質(zhì)數(shù)據(jù)模型。所謂三維地質(zhì)建模，是以各種原始數(shù)據(jù)(包括鉆孔、剖面、地震數(shù)據(jù)、等深圖、地質(zhì)圖、地形圖、工程勘察數(shù)據(jù)、水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等)為基礎(chǔ)，建立能夠反映地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造關(guān)系及地質(zhì)體內(nèi)部屬性變化規(guī)律的數(shù)字化模型，這其中包含各種物理信息如地層信息、水文地質(zhì)等信息。通過(guò)適當(dāng)?shù)目梢暬绞?，該?shù)字化模型能夠展現(xiàn)虛擬的真實(shí)地質(zhì)環(huán)境，更重要的是，基于模型的數(shù)值模擬和空間分析，能夠輔助用戶(hù)進(jìn)行科學(xué)決策和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

(2)獲取周邊建筑物、道路及地下管線(xiàn)等設(shè)施的數(shù)據(jù)，建立施工場(chǎng)地布置模型。

(3)導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)模型及施工場(chǎng)地模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行基坑工程的支護(hù)體系模型建立。模型除了對(duì)工程對(duì)象進(jìn)行3D幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系的描述外，還包括完整的工程信息描述，如對(duì)象名稱(chēng)、支護(hù)類(lèi)型、材料類(lèi)別、工程物理力學(xué)性能等設(shè)計(jì)信息。

(4)土方開(kāi)挖施工方案設(shè)計(jì)及施工模擬。通過(guò)土方開(kāi)挖施工方案工程仿真，了解樁基變位，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，地形變形對(duì)周邊設(shè)施(相鄰建筑及管線(xiàn)等設(shè)施)的影響等情況。

(5)根據(jù)土方開(kāi)挖設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及地形數(shù)據(jù)進(jìn)行土方算量。

(6)導(dǎo)入基坑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)存放在Excel表格中，通過(guò)讀取該數(shù)據(jù)生成基坑邊形形狀，可以查看到臨界區(qū)域和超限危險(xiǎn)點(diǎn)。還可以將某時(shí)間點(diǎn)的變形模型與初始模型疊合并進(jìn)行誤差檢驗(yàn)。

(7)基坑監(jiān)測(cè)人員及管理人員確定危險(xiǎn)點(diǎn)后調(diào)取基坑監(jiān)測(cè)報(bào)表，確認(rèn)危險(xiǎn)點(diǎn)是否屬實(shí)并及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，第一時(shí)間開(kāi)始基坑危險(xiǎn)時(shí)間處置工作。

3 基坑工程BIM應(yīng)用軟件方案

基坑工程BIM應(yīng)用軟件方案有多種選擇[1]，本文以常用Civil3D、Revit、Navisworks、Ansys軟件組合為例介紹。

3.1 基于Autodesk軟件應(yīng)用方案

圖2 基坑工程BIM應(yīng)用軟件方案

利用AutoCAD Civil3D建立地質(zhì)模型，Autodesk Revit建立支護(hù)結(jié)構(gòu)模型及施工場(chǎng)地模型，三者在Revit中整合形成基坑工程模型[3]。

在Revit進(jìn)行基坑工程施工流水段劃分及土方算量，Navisworks進(jìn)行土方開(kāi)挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)施工模擬。Ansys獲取基坑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)存放在Excel表格中，Revit通過(guò)讀取該數(shù)據(jù)生成基坑變形形狀。

3.2 其他軟件應(yīng)用方案

對(duì)于特殊基坑工程，如崖壁類(lèi)基坑，軟件難以建模的，可以借助三維激光掃描儀，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理逆向建模，然后在Revit軟件中進(jìn)行模型整合及相關(guān)應(yīng)用。

4 基坑工程BIM建模方法

4.1 地形模型建模方法

常規(guī)地形建模方法，可通過(guò)勘察獲取的高程點(diǎn)或等高線(xiàn)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入BIM軟件(如Autodesk Revit、Civil3D等)自動(dòng)生成三維地形模型，方便快捷。

對(duì)模型精度要求高，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜的地形，可以采用三維激光掃描方式，獲取現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成三維BIM模型，實(shí)現(xiàn)逆向建模。此方法需要借助三維激光掃描儀，成本較高。

4.2 地質(zhì)模型建模方法

目前，國(guó)內(nèi)已有單位自主開(kāi)發(fā)獨(dú)立三維巖土工程勘察信息系統(tǒng)，但缺乏與建筑、結(jié)構(gòu)等專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)交換接口，無(wú)法進(jìn)行各專(zhuān)業(yè)協(xié)同工作。利用現(xiàn)有的BIM軟件(如Civil3D、Revit等)將巖土工程勘察成果建立三維可視化地質(zhì)模型并與其他專(zhuān)業(yè)進(jìn)行協(xié)同工作是將BIM技術(shù)應(yīng)用于巖土工程勘察領(lǐng)域的一條途徑。如圖3是通過(guò)Civil3D建立的三維地質(zhì)模型效果圖。

圖3 某地塊三維地質(zhì)模型

圖4 某項(xiàng)目基坑支護(hù)模型

4.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)建模方法

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐體系或錨固體系模型，可直接用現(xiàn)有的BIM軟件(如Revit)建模，并與地質(zhì)模型在同一軟件平臺(tái)進(jìn)行整合，如圖4所示。

4.4 施工場(chǎng)地建模方法

施工環(huán)境及場(chǎng)地布置模型，可直接用現(xiàn)有的BIM軟件(如Autodesk Revit)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行規(guī)劃布置并建模，并與基坑模型在同一軟件平臺(tái)進(jìn)行整合。

5 基坑工程BIM模型細(xì)度

基坑BIM模型的內(nèi)容主要涉及到兩大類(lèi)主體：地質(zhì)結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)。模型主要內(nèi)容及細(xì)度要求詳見(jiàn)表1。

表1 基坑工程BIM模型內(nèi)容

模型類(lèi)別模型元素及信息地質(zhì)模型地形模型、土層模型等幾何尺寸/材質(zhì)/空間位置信息支護(hù)體系模型基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)模型(鋼板樁、排樁、樁孔灌注樁、勁性混凝土攪拌樁、土釘墻、地下連續(xù)墻等)、支撐或錨固形式模型等幾何尺寸/材質(zhì)/空間位置信息基坑模型基坑、土方開(kāi)挖分區(qū)、行車(chē)路線(xiàn)等幾何尺寸/空間位置信息場(chǎng)地環(huán)境模型地下管線(xiàn)、周邊道路與建筑、基坑臨邊防護(hù)、上下基坑通道、施工通道等幾何尺寸/材質(zhì)/空間位置信息

6 基坑工程BIM應(yīng)用成果

基坑工程基于BIM技術(shù)應(yīng)用成果主要有[2]：

6.1 三維可視化BIM模型

可用于指導(dǎo)基坑施工的BIM模型主要包含地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型、支護(hù)結(jié)構(gòu)模型和施工場(chǎng)地模型，如圖5所示。以地勘報(bào)告為初始數(shù)據(jù)，將二維地勘資料轉(zhuǎn)換成三維地勘模型，在Revit中與基坑結(jié)構(gòu)模型合并，可以實(shí)時(shí)、任意視角查看地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件地下連續(xù)墻、底板、樁等)與不同深度土層之間的關(guān)系，快速查看土層屬性信息，指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工，輔助監(jiān)理、監(jiān)測(cè)人員判斷樁基持力層和有效樁長(zhǎng)，對(duì)比開(kāi)挖實(shí)際情況與地勘報(bào)告的符合度輔助驗(yàn)槽工作。通過(guò)適當(dāng)?shù)目梢暬绞剑摂?shù)字化模型能夠展現(xiàn)虛擬的真實(shí)地質(zhì)環(huán)境，更重要的是，基于模型的數(shù)值模擬和空間分析，能夠輔助用戶(hù)進(jìn)行科學(xué)決策和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 某項(xiàng)目基坑工程模型

6.2 施工模擬

基于三維空間技術(shù)，可視化是其一個(gè)顯著的特點(diǎn)，即在輸入相關(guān)信息后，可以直觀地看到土方開(kāi)挖和支護(hù)施工過(guò)程、周邊環(huán)境變化、建成后的運(yùn)營(yíng)效果等。同時(shí)可以科學(xué)指導(dǎo)方案優(yōu)化和現(xiàn)場(chǎng)施工，方便業(yè)主和監(jiān)理及時(shí)了解工程進(jìn)展?fàn)顩r，可以讓更多非專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的人參與進(jìn)來(lái)，如圖6所示。

圖6 某項(xiàng)目基坑工程施工BIM模型

圖7 某基坑工程BIM算量

圖8 基于BIM基坑監(jiān)測(cè)

6.3 工程算量

根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件定義對(duì)應(yīng)的屬性、名稱(chēng)，在視圖區(qū)可自動(dòng)生成工程明細(xì)表，明細(xì)表中可根據(jù)需求查看任意命名構(gòu)件的工程數(shù)量，方便、快捷、準(zhǔn)確。如圖7。

在土方工程中，根據(jù)開(kāi)挖前后各工況的基坑模型體量差集計(jì)算，可以準(zhǔn)確得出各階段土方工程量。

6.4 信息化施工

BIM技術(shù)最大的一個(gè)特點(diǎn)是信息資源共享，這可以成為各項(xiàng)目參與方最佳的溝通平臺(tái)，也將為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)等參與方及時(shí)反饋相關(guān)信息，提高基坑支護(hù)施工效率、質(zhì)量和安全性。例如，可以利用信息模型，有效地避開(kāi)地下管線(xiàn)，協(xié)同各施工作業(yè)安全施工。

將地勘模型集成到Revit中，并賦予土層屬性，使監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工人員能在平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)、校核工作，這種集成式模型更適合民用建筑的監(jiān)理、施工、設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展，提高工作效率。這種集成式地勘模型有效地拓展了常規(guī)模型的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了多模型、多專(zhuān)業(yè)在同一平臺(tái)上協(xié)同工作，同時(shí)可以對(duì)地勘模型進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，當(dāng)修改樁長(zhǎng)或樁徑等屬性時(shí)能實(shí)時(shí)輸出變化后的樁承載力、樁材料用量及單樁成本，對(duì)設(shè)計(jì)階段的樁型選取、確定樁基方案有非常重要的實(shí)用價(jià)值。

6.5 信息化監(jiān)測(cè)

將BIM技術(shù)引入基坑工程監(jiān)測(cè)工作，以解決以往在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中不能直觀表現(xiàn)其變形情況和變形趨勢(shì)的缺點(diǎn)，如圖8所示。

通過(guò)BIM技術(shù)將基坑的形狀、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境以及各類(lèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)建立模型，在模型中導(dǎo)入每天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并采用4D技術(shù)(三維模型+時(shí)間軸)+變形色譜云圖的表現(xiàn)方式方便工程師、管理人員、業(yè)主、施工人員等查看基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況[4]。

基于BIM技術(shù)的基坑監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)：

(1)直觀表現(xiàn)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，通過(guò)添加時(shí)間軸的4D變形動(dòng)畫(huà)可以準(zhǔn)確判斷基坑的變形趨勢(shì)；

(2)快速定位基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)點(diǎn)，并根據(jù)變形趨勢(shì)及現(xiàn)狀及時(shí)作出應(yīng)急預(yù)案；

(3)輔助施工管理，非監(jiān)測(cè)專(zhuān)業(yè)人員同樣可以看懂基坑變形情況；

(4)結(jié)合其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如水位變化、道路沉降、管線(xiàn)變形、周邊建筑物變形等輔助工程師判斷基坑變形的原因及主要影響因素；

(5)結(jié)合已有的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形歷史判斷未來(lái)一段時(shí)間的變形趨勢(shì)，對(duì)危險(xiǎn)位置提前預(yù)警重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，有利于施工管理人員和業(yè)主方的工程決策。

7 結(jié)語(yǔ)

目前，BIM技術(shù)在深基坑工程中應(yīng)用還處于初級(jí)階段，需要在不同的階段使用不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能，還比較分散。要實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在深基坑工程中系統(tǒng)應(yīng)用，關(guān)鍵的一步就是要通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)BIM軟件平臺(tái)具有深基坑建模和模型計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在基坑工程領(lǐng)域的信息化應(yīng)用。這需要廣大工作者長(zhǎng)期不懈的探索，不斷完善BIM技術(shù)在深基坑工程中的應(yīng)用理論和實(shí)踐方法。

[1]楊敏， 趙軍．BIM技術(shù)在深基坑工程中的應(yīng)用探討[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2014(22)： 407.

[2]張燕.BIM在基坑工程中的應(yīng)用探索[J].技術(shù)研究， 2015(6)：63.

[3]林孝城.BIM在巖土工程勘察成果三維可視化中的應(yīng)用[J].福建建筑， 2014(6)：111.

[4]趙華英， 陸揚(yáng).基于BIM的基坑5D變形監(jiān)測(cè).第十七屆全國(guó)工程建設(shè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用大會(huì)論文集， 2014： 192.

BIM Application in the Foundation Pit Engineering

He Jianjun， Wang Shuo， Yao Shouyan

(ChinaConstructionEighthEngineeringDivisionCo.，Ltd.，Shanghai200122，China)

Reflected the project landscape intuitively and realized the obstacle-free information sharing through creating a foundation pit engineering BIM mode，made the different teams work in the same environment，realized the BIM technology in supporting structure design，earth excavation and foundation pit monitoring applications.

The foundation Pit Engineering； Building Information Modeling； Geologic Model； Supporting Model； Deformation Monitoring

何建軍(1985-)，男，中級(jí)工程師。主要研究方向：施工領(lǐng)域BIM應(yīng)用。

TU17；TU198+.6

A

1674-7461(2016)06-0055-05