BIM技術在深基坑工程勘察及支護設計中的具體運用

張靖杰

（中國建筑科學研究院有限公司--北京構力科技有限公司）

1 引言

基坑工程屬于集勘察、設計、施工及環境保護于一體的綜合性工程，基坑支護作為基坑工程中最重要的一部分受地域及環境條件的影響很大。在進行基坑工程施工時，要能結合具體的地形、地貌及水文地質等情況，合理設計支護結構，以此保證基坑自身的穩定以及周邊環境的安全。下面結合實際，就基于BIM技術的深基坑工程勘察與支護設計問題做具體分析。

2 BIM技術特征與優勢分析

BIM技術以三維數字技術、計算機技術為基礎，利用各項技術手段實現對建筑工程項目各項信息的收集、整理與利用。BIM平臺中三維數據庫中各項數據信息都能被共享，參與工程建設的各單位、各部門有權力訪問數據庫，并根據實際情況對數據庫中各項信息進行編輯更新，從而使其他部門都能及時、準確的掌握工程設計進度，以便更好地進行溝通協作[1]。BIM模型是以建筑工程項目各項信息數據作為建立模型的基礎，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的各項真實信息，從而實現立體建模以及虛擬施工的。作為數據化工具，BIM技術在工程勘察、設計、施工等多個環節都有著重要作用。相較傳統技術手段，BIM技術協調性強、可視性高，并且還具有可出圖、可模擬等功能。將BIM技術科學應用于深基坑工程的勘察與設計，可大大簡化工程流程，提高工作質量與效率，減少設計變更[2]。

3 BIM技術在深基坑工程勘察中的應用

BIM技術的出現與發展為深基坑工程的勘察帶來了便利。結合以往的勘察以及研究結果可知，巖土體具有復雜性、非連續性等特征，采用傳統的勘察技術難以獲得全面、詳細、直觀的巖土信息，但如果采用計算機、BIM等技術將地質模型三維化，建立起三維實體，那么工程的地質、巖土信息將得到全面且清晰地展示。

某深基坑工程施工區域地形地勢復雜，勘察難度大。為降低勘察難度，提高勘察精度，在地質勘察過程中運用了BIM技術。勘察時將BIM技術與周邊GIS數據相結合，以Autodesk軟件技術平臺為基礎，以Inventor Professional和Civil 3D為核心建模軟件。在勘探過程中，發揮BIM數字化、可視化功能，向參建者通過web監測平臺三維立體、高清、全面地呈現深基坑工程的地質信息，使設計人員與建設人員更準確地把握工程地質特征。同時為了進一步提高地質勘察精度，還將IDS套包和Inventor運用到其中，并在勘察過程中結合運用Civil3D進行詳細勘察[3]。

在深基坑勘察作業中，運用Revit軟件來進行建模。與傳統的三維建模軟件相比，Revit軟件更便于操作且功能更為強大，因而能為深基坑的勘察帶來很大幫助。如Revit軟件具有強大的API接口，Revit API能將具有分析和可視化功能的軟件與Revit對接，或者根據三維可視化和分析功能的要求對Revit進行二次開發，從而提高巖土工程地質勘察的建模效率。在勘察過程中，先將深基坑工程項目的二維勘察資料收集起來，對各段面的地質信息進行提取，獲得地層厚度、類型等重要信息（見圖1）。完成上述操作后，基于以上信息進行建模，建模時將各勘探點準確布置在平面上并進行標號。在建立場地模型時，可采用導入文件或者放置點這兩種方式在場地模型內輸入各點的X/Y/Z坐標，經過軟件與系統自動轉換后，能得到所需的場地模型，深基坑工程的地層信息在三維地質模型中能清晰顯示[4]。

圖1 Revit軟件建模（計算機截圖）

在深基坑工程勘察階段，也可利用CAD文件的等高線繪制地形圖面。在CAD文件中，每一條等高線圖形相當于很多個點組成的對象，若等高線是一條連接閉合的曲線就能生成一個曲面，當曲線數量越多時，形成的曲面也就越精細。在制圖過程中施工區域內的山谷線、山脊線等地形特征線會以特殊的線段表示出來，對這些特殊線段運用三維多段線表示后，同樣可以作為一條源數據生成曲面。

研究與實踐證明，將BIM技術運用在深基坑勘察工作中后，勘察圖紙中的問題將更容易被查明。在傳統的技術手段下，勘察資料是由多張剖面圖、平面圖構成，這些圖紙各自獨立，相互之間的聯系性不強，不利于從整體上把握工程的特征。但是在運用BIM技術構建起三維立體模型后，以上問題都將得到有效解決。三維模型可以在BIM軟件中任意轉動，隨意切剖，這樣的直觀優勢便于工程師們交流溝通，從而提高工作效率。在深基坑勘察作業中合理運用BIM技術，可以獲得工程所建區域的地質情況數據信息，從而使后續的支護設計更順利、更科學有效地開展。

4 BIM技術在深基坑支護設計中的應用

某深基坑工程開挖深度為15m，開挖區域內地質環境相對復雜，設計以及施工難度大。為降低工程設計難度并提高設計方案的科學性與合理性，擬將BIM技術應用于深基坑設計中[5]。

在進行深基坑支護設計時，以工程勘察報告為依據，綜合考慮深基坑的開挖深度、場地周邊環境條件以及支護高度、基坑平面位置等各項因素之后，確定支護方案。該工程基坑具體情況為：基坑AB、BC、CD段安全等級為一級，重要性系數取值1.1；DE、EF、FA段安全等級為二級，重要性系數取值1.0，穩定安全系數FST取值1.35。深基坑支護工程屬于臨時支護工程，邊坡支護工程設計為永久性支護，在設計時不考慮地震工況[6]。

設計基坑頂部時，將附加荷載值確定為15kPa，將鄰近道路荷載值確定為30kPa，建筑物每層荷載確定為25kPa，擋土墻荷載按照高度每米25kPa的值進行設計，各荷載值需科學合理，不能出現超載使用的情況。

在設計支護方案時，首先對區域內的地形地勢進行分析。根據勘察結果可知，該施工段基坑輪廓線與擋墻緊鄰，并且地形地勢變化較大。為避免在施工與使用階段出現安全問題或質量問題，在設計前先委托第三方專業單位按照《建筑邊坡工程鑒定與加固技術規范》（GB50843-2013），對現有擋墻的安全性、穩固性進行分析鑒定，完成鑒定后，根據鑒定結果確定支護形式。經過對可行性方案對比后，針對該基坑，初步選用的總體支護方案是：放坡+100厚C20掛網噴混凝土護、排樁+錨索+100厚C20掛網噴混凝土護等支護形式。

在獲得初步的設計方案后，綜合分析工程施工環境、經濟技術條件、場地條件以及工程項目要求等多項要素。為使任務分析的更加合理準確，在分析過程中可將各項調查數據輸入BIM軟件，進行計算、整合與分析，為方案設計打好基礎。具體的設計流程如下。

首先，基于各項勘察數據，在三維建模軟件中建立幾何模型，將軟件導入并進行信息補充（見圖2）。利用Revit等軟件補充出土層的粘聚力、內磨擦角、重度以及鋼筋等級、支護樁砼標號等重要信息，對各數據進行處理后導出為結構計算模型格式文件，并將其導入專用的符合IFC標準的基坑有限元分析軟件中，由該軟件對其支護受力、變形、穩定性以及配筋率等進行計算，最后得到樁長等重要信息。

系統計算出數據后，設計人員根據系統計算結果對支護方案的科學性與可行性做進一步的分析判斷，及時發現方案中的不合理之處，并做出改進，確保深基坑支護方案科學可行。在使用BIM技術進行深基坑支護設計時，如果有必要，設計人員還可借助BIM技術進行人機交互，防止出現因軟件功能不足而計算錯誤的情況發生，確保支護方案的科學合理。在完成各項計算后，將所得數據貯存在BIM信息模型中，之后運用BIM出圖功能導出深基坑支護圖紙以及相應的計算書。

圖2 基坑支護BIM可視化方案（計算機截圖）

5 結語

綜上所述，BIM技術先進、功能豐富、適用范圍廣，在深基坑勘察與支護設計工作中發揮著重要作用。在當前背景下，應進一步加大對BIM技術的研究與應用，以提升深基坑工程勘察及支護設計水平。