基坑順逆結合施工方案研究及BIM技術應用

李金龍，于麗娜，吳 邁

（河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401）

基坑順逆結合施工方案研究及BIM技術應用

李金龍，于麗娜，吳 邁

（河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401）

以天津市東麗區詹莊等七村村民還遷安置經濟適用房項目的住宅人防工程基坑為研究對象，進行了超大面積基坑支護選型分析、順逆結合施工方案研究等工作，并嘗試將BIM技術應用于基坑施工方案比選優化、可視化技術交底、工程算量、施工模擬，實踐證明，取得了良好效果，為達到工程質量和工期要求提供了保障．

基坑工程；順逆結合施工；BIM技術

順作法與逆作法作為基坑支護總體方案的兩類基本形式，具有各自的優缺點和適用范圍，對于一些較為復雜的基坑工程，亦可采取順逆結合的方式以揚長避短，達到最佳效果[1]．目前工程實踐中常見的順逆結合方式為主樓順作、裙房逆作．上海明天廣場、長峰商城、由由國際廣場、鐵路上海站北廣場、上海中心大廈等項目均采用主樓順作、裙房逆作的方式施工，此處不一一贅述．相比之下，采用大面積順作、邊緣局部逆作以加強支護作用的順逆結合施工方式，國內鮮有案例介紹．

本次研究即以天津市詹莊等七村村民還遷安置經濟適用房項目住宅人防工程基坑為例，進行基坑支護選型分析和大面積順作、邊緣局部逆作、順逆結合施工方案研究．同時，引入BIM技術進行方案展示、工程算量、施工模擬等工作，挖掘BIM技術在基坑施工中的應用價值．

1 工程概況

本工程為天津市詹莊等七村村民還遷安置經濟適用房項目住宅人防工程，位于東麗區詹莊東至雪蓮南路，南至利福路，西至現有住宅小區，北至婁山道．基坑平面大致呈四邊形分布，西北側較西南側凸出一塊，凸出部分呈較規則矩形，邊長約為40 m（南北側）×110 m（東西側），西北切角兩直角邊約為30 m×20 m．基坑整體面積約為65 000 m2，自然地面標高3.2 m（大沽高程），設計標高±0相當于大沽高程3.850 m，建筑設計標高場地平整后相對標高為-0.300 m，基坑開挖深度為7.850 m．

土質條件根據地勘報告整理如表1所示．

表1 土層參數Tab.1 The soil parameters

基坑整體范圍內圍護樁及立柱樁已先行施工，樁身打入④層粉質粘土層，基坑內土方開挖至②3粉質粘土層．降水工作自開工前2個月開始，已降至安全水位下，并實時監測中．

基坑四周采用φ700@1000三軸水泥攪拌樁作截水帷幕，樁長14 m；西側及南側采用φ800@1200鉆孔灌注樁作圍護結構，樁長14.6 m．基坑內工程樁及支承樁均為鉆孔灌注樁，參數同上．

2 基坑支護選型分析

基坑西側緊鄰3棟住宅樓，基坑邊緣距離最近的建筑物不足10 m，因此該側對變形要求控制嚴格，且無法布置貫通的施工道路及材料堆放區；南側為學校、菜市場和垃圾中轉站，距離槽邊距離約為15.5 m，按照場地布置方案加設臨時施工道路后，場地也較緊張．基坑支護是保障結構安全的重要一環，支護方案選擇一方面要考慮結構整體安全及周邊環境影響，另一方面也要綜合項目工期及工程造價等諸多投入要素．經多方面權衡，決定采取如下支護方式．

基坑西側采取鉆孔灌注樁結合支撐結構支護，南側采取鉆孔灌注樁支護，其余范圍內充分利用場地便利，采用放坡開挖．西側圍護樁結合角撐及逆作支撐的方案能緩解該區域場地緊張、對變形控制嚴格的問題；放坡開挖充分利用了場地優勢，經濟快速．該種方法適用于面積較大、地下室不超兩層、挖深不超10 m的深基坑工程，并充分考慮了工程所處具體環境[2]．

支護結構布局如圖1所示．沿基坑西側邊緣施作鉆孔灌注樁，兩端分別向東側延伸40 m加強支護能力，樁體圍護區內基坑的3個陽角加角撐，緊鄰居民樓的受力薄弱區采取逆作支護，將對居民樓產生的變形和沉降影響降至最低．中部角撐最外側增設一排支撐，并向南延伸與逆作次梁對接以提升支撐能力和整體性；基坑陰角處為受力薄弱區，加施短邊長1 000 mm厚300 mm的近似等邊直角三角形加勁板，并在加勁板短邊排樁沿線施作高2 000 mm厚300 mm剪力墻作擋土結構．

圖1 支護結構布局Fig.1 Layout of foundation pit protecting structures

圖2 梁柱節點Fig.2 Beam-column joints

3 基坑順逆結合施工方案

本工程基坑采取邊緣局部逆作、其余大面積順作的施工方案[3]，先行施工逆作區支撐結構．帽梁區域先行挖土至支撐梁下皮標高（相對標高為-3.000 m），進行帽梁施工，并在端點及相關節點處預留鋼筋．帽梁施工完畢后，回填外側土體，保證外側1∶1放坡，然后采用C20細石混凝土加鋼筋網片護坡加固．

逆作區零層梁板采用鋼管排架支撐模板施工，先挖去一層土體，然后按照常規方法搭設梁板模板、澆筑混凝土，同時豎向結構向下延伸一定高度．為了減少樓板支撐沉降引起的結構變形，對支撐下土層進行臨時加固．具體做法是待帽梁強度形成后，逆施區挖土至-4.000 m（相對標高），將地基土摻白灰拌合并夯實碾壓，澆筑約100 mm厚混凝土墊層，為逆作梁板的施工提供穩定的作業平臺，防止地基變形沉降對水平結構產生影響．然后在墊層上鋪設腳手板、加設墊片，采用落地式鋼管腳手架作為支撐架體，對逆施區地庫車庫頂板結構支模．地庫頂板結構柱澆筑至梁下500高，按照規范甩出柱主筋，如圖2所示．

逆作梁板澆筑完成后，保留逆施區以下的土體，四周按照1∶1放坡，開挖逆作區域以外的土體．逆施區域以外其它土體挖完以后，在逆施區域與非逆施區域相交的底板設置后澆帶．其它區域按照正常施工工序至地庫頂板并與逆施區相連接．在逆施區域東側兩道相鄰的后澆帶加設40a工字鋼作為傳力桿件，后澆帶、傳力桿件布置如圖3所示．

圖3 后澆帶布置Fig.3 Post cast strip layout

待基坑全范圍內地下室頂板施作完畢，并且強度達到設計要求后，拆除逆施區域混凝土支撐并清理干凈，驗收該區域的底板混凝土表觀．然后開始掏挖逆施區域土體．逆作區土體全部挖完以后，進行逆施區底板及地庫柱、剪力墻的施工．將預留鋼筋與結構柱、墻主筋進行連接，采用從頂部側面入倉的方式澆筑混凝土，并在結合面處模板上預留若干注漿孔，以便用壓力灌漿消除縫隙，保證構件連接處的密實性．漏斗部分多澆的混凝土待完全硬化后用剁斧鑿平，如圖4所示．

4BIM技術應用

BIM，即建筑信息模型，美國國家標準（NBIMS）的定義為：BIM是建設項目的兼具物理特性與功能特性的數字化模型，且是從建設項目的最初概念設計開始的整個生命周期里做出任何決策的可靠共享信息資源[4]．

圖4 墻下混凝土澆筑模板Fig.4 Concrete casting formwork under wall

通俗的講，BIM是一種綜合的技術管理應用手段，以三維可視化模型為信息的載體，并跟隨工程進展實時動態地更新，通過多種軟件的對接轉換應用于建筑全生命周期中，為工程建設各參與方提供一個溝通協調平臺[5]．

4.1 BIM模型可視化應用

BIM模型的可視化、可模擬、可優化等諸多特性，為完成本次研究中基坑施工方案比選優化及相關復雜工藝的展示提供了幫助[6]．BIM核心建模軟件選擇時，考慮到Revit軟件應用廣泛，通用性強，支持算量，支持CAD文件導入，并具有良好的出圖性，故BIM建模采用Revit軟件；再選用配套的navisworks軟件進行施工漫游、模擬等綜合管理應用．

本次研究分別建立了不同細度的基坑及土方模型，支護模型，施工場地模型，圖1～圖4均從相關的模型視圖中截取．基于BIM模型進行了基坑支護方案對比及優化，并對順逆結合施工關鍵技術結合BIM模型作可視化展示，進一步強調了基坑支護方案布置、逆作梁柱節點鋼筋穿越及柱下預留鋼筋的甩出問題、后澆帶布置及墻下混凝土側面入倉的澆筑方式．

相較于傳統的CAD圖紙，BIM模型表達更加直觀精確，并可附加相關施工信息，對施工方案展示更加具體，在項目部進行方案討論中取得了良好效果．

4.2 工程量統計

本工程基坑體量較大，開挖土方量約40萬m2，按照初步設定的土方開挖方案對土方進行分層分塊后，基于Revit“明細表”功能對土方體積進行統計，對工程量不合理的部分再做相應調整．分塊土方量統計明細如圖5所示．伴隨BIM建模的精細化，基于BIM模型可實現更加準確、快速的工程量統計，從而可進一步把控場地內的資源配置．

4.3 基坑開挖支護施工模擬

選擇Microsoft Project編制施工進度計劃，選擇合適的施工參數選項，在確定好起止日期后能夠自動生成橫道圖．且進度計劃編制完成后，有自帶檢查功能，對于時間銜接空白和安排不合理的地方，系統會自動給出提示以便進一步完善．本次基坑開挖支護計劃如圖6所示．

圖5 土方量明細Fig.5 Earthwork detail Tab

圖6 Project進度計劃Fig.6 Project scheduled plan

將Revit模型導出為.nwc格式，并在Navisworks中定義合理的選擇集與施工計劃關聯．設置每項工序的任務類型，以明確其在施工模擬中的表現．施工任務中，各標段間及標段內部任務邏輯關系較為復雜，Timeliner中支持將任務進行升級或降級，實現邏輯嵌套[7]．土方開挖施工模擬如圖7所示．

本工程中由于施工作業面超大，土方開挖工作量大，通過土方開挖施工模擬，明確了每一時間點基坑整個作業面土方施工作業狀態，避免了對施工狀態抽象化估計的偏差，實現對施工過程更加全面準確的預判．由于提前對開挖方案做了最詳細的模擬和優化，保證了開挖工作有條不紊，很好地控制了進度．

圖7 土方開挖施工模擬Fig.7 Earthwork excavation simulation

5 結語

本工程基坑采用大面積順作、邊緣局部逆作的施工方式，目前國內鮮有案例介紹．采用這種逆作方式主要解決了局部施工作業場地緊張、對周邊環境影響控制要求高的難題．對變形要求嚴格及受力薄弱區域加強了支護，條件允許區域放坡開挖，基坑支護結構及周邊建筑監測數據反饋表明相關變形值和沉降值均在可控范圍內，證明該支護方案安全可行，保證安全的同時更加經濟適用．

采用BIM技術進行施工方案比選優化及可視化技術交底，并嘗試工程算量和進度模擬，均取得了良好效果，說明BIM技術在基坑工程中具有很好的適用性，值得進一步挖掘其潛在價值，實現建設項目全生命周期管理，為項目增值．

[1] 王允恭.逆作法設計與施工實例[M].北京：中國建筑工業出版社，2011

[2] 翟文信.上海中心大廈裙房基坑逆作法支護體系實測分析[J].施工技術，2012，41（373）：31-34

[3] 鄭信榮.大型深基坑順、逆作結合施工技術[J].建筑施工，2011，33（4）：256-258

[4] Eastman C.BIM handbook：a Guide to building information modeling for owners，managers，designers，engineers and contractors[M].Hoboken：Wiley，2011.

[5] 邢民，王述紅，侯文帥，等.基于BIM技術地鐵車站模型建立與應用及明挖法施工方案優化 [J].土木建筑工程信息技術，2016，8（3）：39-43.

[6] 趙雪峰.BIM技術在中國尊基礎工程中的應用[J].施工技術，2015，44（6）：49-53.

[7] 王君峰.Autodesk Navisworks實戰應用思維課堂[M].北京：機械工業出版社，2015.

Research on top-down and down-top construction method and BIM technical application of foundation pit engineering

LI Jinlong,YU Lina,WU Mai

（School of Civil Engineering and Transportatation,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China）

With the foundation pit of air-raid shelters of affordable housing project for villagers in Zhanzhuang and other six villages in Dongli District of Tianjin city as research object,type selection of retaining and protecting structures of large-scale foundation pit were analyzed.Top-down and down-top construction method and technological process research has also been performed.The paper tried a couple of things to apply BIM information model to technical disclosure and scheme optimization of foundation pit construction.The practice has proved that with the help of BIM technology，it not only brings convenient construction management but also ensures the quality of the project and the requirements of the construction period.

foundation pit engineering;top-down and down-top construction;BIM technology

TU753.1

A

1007-2373（2017） 05-0080-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.05.014

2017-01-14

河北省建設科技研究計劃（2015-23）

李金龍（1988-），男，碩士研究生，1054927533@qq.com．通訊作者：吳邁（1972-），男，副教授，博士，wumaitj@126.com

[責任編輯 楊 屹]