基于BIM的巖土工程設計優化及應用

李 偉, 王志遠, 王曉初

(1. 沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽 110044;2. 遼寧省環境巖土工程重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044)

建筑業是國民經濟的支柱產業,而當代土木工程里最重要的輔助工具就是建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM).BIM技術具有可視性、協調性、優化性、可出圖性這四大特點,其核心目標就是通過對信息化技術的應用,提高建筑的性能,優化建筑設計的質量,促進各個部門及不同工種、專業之間的協調工作,實現全生命周期中各個不同階段的工程信息共享,對整個工程周期實現更好的統籌運營[1].BIM技術運用施工流程標準化,施工難點可視化等特點,能夠保質保量地按時竣工,從而使施工組織和運營管理品質達到質的飛躍.BIM技術是一種把當前工程建設行業的知識、技術及平臺集于一體的技術理念,并且是未來工程建設行業發展的前沿技術,尤為重要的是,它并不是在整個實踐過程貫穿后才能實現其價值,而是可以由工程設計先行并實現階段性的價值.

自10年前引入中國以來,隨著電子信息技術的蓬勃發展,BIM技術的應用與實踐有力地推進了各個行業的科技創新和管理創新的快速發展[2].

1 BIM技術在巖土工程現狀分析

巖土工程是求解地基與基礎、邊坡和地下工程等問題.對于這些問題,BIM技術在三維數字技術基礎上,集成了各種相關信息的工程數據模型,可以為設計、施工和運營提供相協調的,內部保持一致的并可進行運算的信息,并貫穿于建筑工程項目的規劃設計階段、施工階段,以及維護階段等整個建筑生命周期管理過程中,BIM技術的應用與實踐使建筑工程項目達到縮短工期、節約成本的理想目標[3].根據技術應用的現狀來看, BIM技術已廣泛應用于建筑、橋梁、隧道等工程,而在巖土工程中應用相對滯后.

巖土工程與其他工程有著顯著的差異,因為其與地質關系密切等特征,所以建筑業中已成熟的BIM技術不能夠全部復制到巖土工程的應用中.綜合分析BIM技術在巖土工程中的應用現狀可知,BIM技術的引進不僅帶來了機遇,同時也遇到了軟件系統的不成熟、宣傳力度不足、經濟回報不明顯等客觀問題,但很多建設單位早已嘗試對BIM技術在巖土工程中進行應用并且推廣,并且對BIM技術實施的過程中所遇到的問題進行分析和總結,以及解決推廣過程中遇到的難點[4-5].在當今信息時代的大背景下,隨著設計的可視化和信息化的發展,BIM技術可運用三維模擬、施工模擬等技術,對設計及施工等過程達到最大優化,更加直觀地展示施工工序,從而使施工工序更加優化.下面以赤峰市紅山區文體活動中心、劇場、影院及地下停車場項目為例,由于該工程對BIM技術的完整實施, 并對模型建立方式與施工應用方法進行深入研究,使得BIM技術應用與實踐在巖土工程中產生了顯著的影響.

2 BIM在某巖土工程中的應用

2.1 工程概況

擬建的紅山區文體活動中心、劇場、影院及地下停車場項目位于赤峰市八里鋪北街南側,寧瀾南路東側.擬建物東側基坑周邊20 m內無已建建筑物,西側基坑距離已建寧瀾南路約15 m,南側距離已建B12小區住宅樓約25 m,北側基坑距離已建八里鋪北街約15 m.本次勘察的擬建物為文體活動中心、劇場、影院及地下停車場,劇場及影院為地上2層,帶有1層地下車庫,高度為20.1 m,局部24.1m,框剪結構;文體活動中心為地上5層,局部3層,帶有2層地下車庫,局部無地下車庫,高度24.0 m,局部15.3 m,框架結構.總建筑面積約為27 470.37 m2,其中地上建筑面積為14 460.73 m2,地下建筑面積為13 009.64 m2.文體活動中心、劇場及影院擬采用獨立基礎或樁基礎.

本項目的難點在于該項目的用途以及場地面積過大,對地下結構各部分之間的協同設計要求較高,同時在獨立基礎關鍵節點處連接的施工工藝難點決定了地下結構設計的復雜性.在設計階段分析施工可行性過程中,要著重減少施工返工,縮短工期,節約成本及提高工程質量.

2.2 BIM技術構建思想

如圖1和圖2所示,在勘察報告中大部分使用柱狀圖、剖面圖、鉆孔平面信息去構建整個地質信息.由于場地面積過大和人的差異性,對勘察報告所獲得的信息或結論會存在差異,使得構建的地質信息會有所偏差.建筑工程的設計工作大多是由具有多年工作經驗的設計人員來完成.從對項目各項前期資料的理解及對關鍵節點的設計、預留洞口設計等,都主要由設計編制人員依靠自身的經驗知識加以判斷,這就使得設計方案的編制過程帶有較濃重的主觀色彩.然而,具有三維地質模擬的BIM技術可以拋除點(鉆孔柱狀圖)、面(鉆孔刨面圖),有效地利用地質信息形成一個三維立體的地質模型,使得建筑信息展示的更加全面、詳細.

圖1 局部獨立基礎柱狀圖(單位: mm)Fig.1 Partial independent foundation histogram(unit: mm)

圖2 局部工程地質剖面圖(單位: m) Fig.2 Partial engineering geologic profile(unit: m)

2.3 BIM技術建模分析

經現場勘察和試驗結果得知,整個場地地形稍有起伏,地面黃海高程為579.12～581.22 m,最大相對高差2.10 m,場地平整高程約為577.00～579.50 m,地貌單元屬沖積平原,且擬建場地內地質條件一般,局部巖性變化較大,場地上部為雜填土層,濕陷性粉土層、粉土層,下部主要為礫砂層、圓礫層,本場地勘察期間地表未見地下水,場地整體呈東高西低狀,排水條件良好.鉆孔所取土樣化學分析結果按照最高離子含量分析判斷,本場地土對混凝土和混凝土中鋼筋具有微腐蝕性.勘察期間,經地表調查,場地西側發現4條余熱管道,沿道路南北走向,管底埋深約2.5 m,直徑約5 m,材質為混凝土管,除此之外,未發現其他對工程建設不利的地下埋藏物.并且本場地勘察期間未發現滑坡、崩塌、采空區、溶洞、土洞等不良地質現象.

由以上的現場勘查和實驗結果可得三維質地模型圖及文體中心樁基礎模型圖,如圖3和圖4所示.

圖3 三維地質模型Fig.3 Three-dimensional geological model

圖4文體中心樁基礎模型
Fig.4 Pile foundation model of sports center

由圖3和圖4可知,根據采集到的信息情況運用計算機進行模擬分析,運用BIM技術進行加工處理,對整個地質信息進行建模分析,建立一個三維立體的地質模型,在施工模擬過程中,如果結構設計及施工管理等方面發現有沖突的問題,可及時對設計模型進行反饋,進而實施一個再修改過程.BIM技術把未及時發現的、不合理的問題在三維地質模型中不斷完善,使得人為失誤明顯減少,大大減少了在人力和物力方面的支出,節約了成本,最關鍵的是可得到一個最佳的設計方案及施工方案.

由于勘測的原始數據過于龐大,尤其是在復雜關鍵節點處,人工計算可能與實際結果存在一定的偏差,而作為程序化的設備,計算機可以代替人工計算進行數據核算,把最初的基礎平面圖、剖面圖等設計圖編程到計算機里.運用Autodesk Revit軟件里最重要的組成元素族可以把復雜關鍵節點化為簡單明了的問題,使結構的分析更加合理及設計方案更加優化.

由圖5可知,對于異形結構,可通過新建族的方式進行建模,并可形象地把族理解為一個個不同形狀的積木,從而進行“搭接”.對于構件節點交叉處,依靠傳統的二維圖紙很難得出構件沖突或碰撞等受力問題,而利用Revit軟件建立模型后,可對復雜關鍵節點進行隔離導出并生成格式為.sat的文件,然后導入ANSYS等有限元分析軟件進行受力分析計算,根據受力分析結果進行檢測結構是否符合設計要求,進而調整三維模型,使設計更加優化合理.

圖5 局部復雜關鍵節點Fig.5 Partial complex key nodes

2.4 BIM技術施工應用

本場地擬建物基坑開挖深度約為現地面下4.5～10.0 m,屬二級基坑;根據勘察結果和現場調查,基坑開挖深度內涉及到的主要土層由上而下分別為:①層雜填土;②層濕陷性粉土;③層粉土;④礫砂;⑤圓礫.東側基坑開挖時采用放坡開挖,由于開挖深度內涉及到的地層均為土層,放坡率為1∶0.75,開挖深度超過5.0 m時,應采用分級放坡,并采用織物袋裝砂包反壓坡腳坡面法進行擋護,放坡開挖面采用錨釘、鋼網混凝土噴面等進行支護;北側、西側、南側基坑采用排樁法進行基坑支護.

由于BIM技術的應用與實踐伴隨著建筑工程的整個過程,以數據信息為基礎,為建筑工程各專業間提供了一個數據共享的系統,從而使得各專業間交流協作更加便捷[6].在巖土工程中,BIM技術把每一個步驟作為基本對象,在基坑的設計分析、施工效率、成本控制以及后期維護上體現出了極大優勢.BIM技術是使用各種工程參數來驅動三維建筑模型,再利用該模型對此設計的建筑性能進行分析[7].

由圖6可知,把每一項數據通過BIM技術以三維效果圖和動畫模型進行展示,把復雜關鍵節點沖突或碰撞等問題提前進行反饋,能夠良好地完成性能分析和施工模擬,對施工過程中每一個環節能夠進行運行控制,包括施工進度、施工偏差、成本核算等都可以更加直觀地展示給施工方及施工人員,以便更加便利地解決施工過程中的難題,保證施工的安全性.對內部支撐進行拆除或者是逆作法施工等復雜性施工部分進行模擬,可以發揮BIM技術的特長給予正確的巖土工程施工,例如臨時支撐拆除順序的先后,又或者是逆作法的施工順序的先后都可以進行提前模擬施工,達到最優化的施工過程[8-10].

圖6 邊坡錨桿碰撞檢測Fig.6 Side slope anchor bolt collision detection

由圖7可知,由于巖土工程施工具有場地固定、施工方法及工藝可以不斷調整和變化等特點,BIM技術還可以實時實地的和業主進行溝通、及時更改設計方案和施工方案,最大限度地提高工作效率,實現工程項目快速且高質量的施工與運營,為業主提供了良好的成本控制平臺[11-12].

圖7 排樁法西側基坑支護Fig.7 Support of foundation pit on west side of row pile method

3 結 論

(1) 通過實踐案例,本文驗證了建筑業中已成熟的BIM技術可以在巖土工程中廣泛應用.在設計階段從根本上改變現在常規的模式,可實現由二維平面到三維可視化的轉變.

(2) 由于本工程場地過大且每一處的地質情況存在差異性,與傳統的二維圖紙相比,三維BIM模型可直觀地表達每一根獨立基礎信息,以及局部的地質結構、不良地質等信息,并能將本項目復雜關鍵節點及部分構件的沖突、碰撞等難點進行預先模擬,深化設計程度,使后期的施工階段更加優化.

(3) 對于局部構件施工技術難度較大,成本控制等諸多問題,BIM技術的應用可大大減少浪費,并且避免一些可預知的風險,可有效地控制工程造價,減少返工,縮短施工工期.