BIM技術在超深基坑工程施工中的應用

中建一局集團第二建筑有限公司，北京 100010

1 工程概況

1.1 超深基坑概況

依托工程位于山東省青島市李滄區，地基基礎呈“L”形，總占地面積為58659.8m2，建筑面積為318577.49m2，屬于框架結構，地上共分布14棟5～9層建筑，地下5～6層，地下面積為236309.03m2。該工程基坑周長為1150m，南北方向總長約370m，東西方向寬度約100m，基坑開挖深度為19.3～33.3m，基坑北部基底絕對標高為23.3m，基坑南部基底絕對標高為28.6m，基坑安全等級為一級。

為保證基坑支護工程的安全開展，基坑支護設計采取“支護樁+錨桿+帷幕止水（土體加固）”“支護樁+鋼管樁+錨桿和鋼管樁+錨桿支護”的支護方式，根據基坑深度、地層條件和場地周邊環境，劃分為17個剖面。項目基坑BIM模型如圖1所示。

圖1 項目基坑BIM模型圖

1.2 地質及水文條件

場區地貌為剝蝕斜坡-剝蝕堆積緩坡，后經過人工回填改造形成現地貌。通過鉆探揭露，場區第四系主要為全新統人工填土（Q4ml）、全新統洪沖積層（Q4al+pl），上更新統洪沖積層（Q3al+pl），基巖為燕山晚期花崗巖（γ53），局部夾有后期侵入的煌斑巖（χ53）；受構造影響，場區存在部分碎裂巖（SL）。場地基坑開挖深度范圍內主要地基土層以素填土、粉質黏土、含黏性土粗沙礫為主，巖體以花崗巖、煌斑巖為主。

場地穩定水位埋深為1.1～4.6m，穩定水位標高約為39.65～53.98m。地下水主要由大氣降水補給。地下水年變化幅度為1～2m。場區地下水類型為第四系上層滯水、第四系承壓水及基巖裂隙水，各含水層間大部分相互連通。

2 BIM模型建立

2.1 BIM軟件配合應用

當前適用于BIM的軟件種類較多，但大部分軟件互相導入協同工作的兼容性較差，因此在模型建立前，應確定建模中不同的內容采用哪些軟件及軟件如何配合使用，這樣才能提高各軟件之間的協作性，從而提高工作效率。在該工程中，主要使用的建模軟件為Revit、品茗施工現場三維布置軟件；模型輕量化軟件為Navisworks、Lumion；圖片處理軟件為PS。

2.2 BIM建模規劃

（1）建模標準。BIM模型建立需要從不同的需求角度出發，且具有不同的建模標準。該工程應用BIM技術主要集中在施工方案優化、細部節點設計優化等方面。在基坑支護階段可應用BIM技術對施工方案和細部節點的合理優化起到關鍵作用。隨著施工進度的推進，結合現場實際建立模型，確保模型精度能夠用于指導現場施工。

（2）文件大小控制。該工程按照基坑支護形式將各單元模型支護結構拆分后建立模型。要合理控制模型文件大小，單一模型文件不宜過大，以此避免出現后續多模型合并后硬件設施反應過慢的問題，同時避免給現場實時瀏覽和下載帶來不便。

（3）模型坐標系統。所有模型和參照模型的坐標均與項目設計控制點保持一致。模型建立前使用Revit軟件制作各專業樣板文件，約定共同項目基點位置，按照設計控制點確定坐標。各模型文件可直接進行原點對原點鏈接，從而開展BIM協同建模工作。

（4）構件信息規劃。為方便項目后期進行局部模型檢索和查詢，在開始進行建模前，需要統一規定模型構件所包含的信息內容。在該工程中，BIM構件模型包含基本的尺寸、標高信息、材料的型號以及廠家等信息。

（5）深基坑模型建立操作要點。該工程中采用Revit 2018建立深基坑模型。首先，建立建筑樣板文件、結構樣板文件，確定項目基點，并繪制出各單元關鍵標高和各單元軸網；其次，建立各類族文件，并在族文件中定制創建共享參數，以便導出明細表時保證構件關鍵信息的完整，例如冠梁、腰梁鋼筋配筋信息，支護樁鋼筋配筋信息等；最后，依據設計圖紙建立各單元構件的族或模型，將各個族或模型文件導入項目樣板，并進行定位，從而完成模型建立。

3 超深基坑工程中BIM技術的具體應用

3.1 辦公、生活區布置

施工項目準備階段必須進行辦公區與生活區的布置。布置原則是在滿足基坑周邊堆載要求的前提下，在有限的臨時用地面積上盡可能滿足辦公、生活的需求。在項目前期準備階段利用BIM技術對辦公區、生活區進行綜合布置，既兼顧了項目部的美觀性，又保證了項目部的實用與經濟性。

3.2 支護樁施工方案

該工程混凝土灌注樁、高壓旋噴樁、鋼管樁數量龐大，在傳統文檔管理模式中存在很多缺陷，尤其是文檔之間集成性不強，在后期資料復雜的情況下，很難快速找到需要的支護樁信息。為解決這一問題，可隨支護樁與止水帷幕施工進度，利用BIM技術實時指導其施工順序，標注其位置、直徑、標高等信息。在模型中可單選或多選支護樁，查詢支護樁信息明細表。支護樁與止水帷幕如圖2所示。

圖2 支護樁與止水帷幕

3.3 基坑陽角處錨索設計優化

該工程基坑呈“L”形，存在陽角，錨索施工時需要進行錨索角度設計優化以排除錨索交叉碰撞的問題。建立陽角處原錨索模型，錨索傾角為20°，設計鉆孔直徑為150mm，考慮實際施工情況，模型直徑取200mm。根據模型發現，互相影響的錨索主要為7單元1～15號錨索。根據設計要求，結合《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012）第4.7.8條的規定，錨索角度可以在20°～45°進行調整。

通過模型調整，發現沖突錨索每一根均調整2°～3°，即可在傾角允許范圍內防止錨索沖突。但此種方法不利于現場施工，每一根錨索都要調整角度，即需要錨桿鉆機每施工一次就進行一次傾角調整，施工效率低，并且易導致操作人員記錯錨索傾角，出現人為失誤。通過多次調整模型傾角，最終將沖突錨索分為四組，1～3分為一組保持原設計角度為20°；錨索4～7分為一組調整傾角為25°；錨索8、9分為一組調整傾角為35°；錨索10～15分為一組調整傾角為25°，即可滿足施工要求，防止錨索之間的沖突。基坑陽角處錨索傾角調整如圖3所示。現場根據此調整角度施工，施工效果良好，成功避免了錨索沖突導致的工期、成本損失。

圖3 基坑陽角處錨索傾角調整示意圖

3.4 基坑陽角處高臺銜接設計優化

在根據設計圖紙進行基坑支護建模過程中，發現基坑陽角處由于兩個剖面間支護形式不同，其銜接并不順暢，一側的高臺與另一側的放坡之間形成了8.2m高的高差，降低了基坑的局部穩定性與安全性。

利用BIM模型對此處進行優化設計，將高臺截面端支護形式更改為放坡支護形式，使放坡支護截面與其順接，如圖4所示。結合基坑支護結構計算，此支護方式滿足基坑安全等級需求。利用BIM技術提前發現此問題，有效地提高了基坑的安全性。

3.5 基坑安全梯籠通道設計

該工程基坑土石方開挖深度為19.3～33.3m，為方便作業人員上下基坑，利用BIM模型配合技術部、安全部共同設計并制作裝配式安全梯籠。通過BIM建模，確定梯籠設計參數、規格，并模擬施工工序，對施工操作人員進行可視化交底，同時結合結構受力計算，保證了梯籠的安全性、耐用性。裝配式安全防護梯籠如圖5所示。

圖4 基坑陽角處銜接優化設計

圖5 裝配式安全防護梯籠

4 結束語

BIM技術的發展與推廣和我國建筑行業的快速發展相輔相成，并在工程施工階段發揮著不可替代的作用。通過BIM技術的應用，可提前發現并解決超深基坑施工中難以發現的問題，規避風險，節約工期與成本，增強項目管理的科技手段，從而為工程施工帶來增值效益。