BIM在大型水質凈化廠超大超深基坑工程中的應用研究*

宋 琴，郭延輝，李海鴻，黃永華，唐雄群，吳 奇，付小兵

(1.云南建投第六建設有限公司，云南 玉溪 653199； 2.昆明理工大學公共安全與應急管理學院，云南 昆明 650093；.中鐵二局第一工程有限公司，貴州 貴陽 550000)

0 引言

近年來，隨著城市化建設快速發展，城市建筑用地需求越來越大，地下空間開發利用成為城市發展的必然趨勢，導致基坑工程深度、規模不斷增加[1]，基坑地質條件、周邊環境也越來越復雜。傳統二維設計難以滿足超大超深基坑工程設計的需求[2]，而BIM(building information modeling)將基坑設計從二維空間轉向三維空間，并從原有靜態信息向動態信息轉化，能很好地彌補傳統二維設計存在的不足。BIM是以建筑工程項目相關信息數據為基礎建立模型，具有可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性特點[3-5]，對于BIM在超大超深基坑工程中的應用研究，已成為基坑工程領域的研究熱點。劉一鳴等[6-9]探討BIM可視化技術在深基坑工程應用中的適用性。余琳琳[10]將BIM應用于深基坑精細化管理、信息化施工過程中。陳立新等[11-13]將BIM應用于復雜環境條件下的基坑工程中，通過進行施工模擬，取得一定效果。

綜上，BIM在超大超深基坑中的應用研究相對較少。本文以某基坑項目為背景，通過理正7.0軟件優化分析該深基坑支護設計參數，在該基礎上，應用Revit軟件建立復雜深基坑模型，最終應用Fuzor軟件對深基坑工程進行仿真模擬。

1 工程概況

1.1 基坑周邊環境

該項目為全埋式水質凈化廠，地下建(構)筑物合建成集約化水池，全部置于地下，地下空間結構內部深約17m，進水泵房處為31m。該基坑形狀不規則，共分7段，如圖1所示。AB段位于基坑西北方向盤龍江側，長約486m，距盤龍江42～70m，該地段分布污水、自來水管線。BC段位于基坑東北側方向，長約155m，距寶云路約30m，寶云路邊緣有大量管線，寶云路外側為在建三峽大廈建筑場地。CD段位于基坑東南側東段，長約145m，外側為廣播發射塔，屬重要建筑，最近距離為44m，對變形敏感。DE段位于基坑東南側中段，長約249m，外側為空地。EF段位于基坑南側中段，鄰近盤龍區政府，長約60m，有辦公區地下管網。FG段位于基坑南側西段，長約83m，外側為田溪公園水塘地段，水塘水已放空。GA段位于基坑西南側，長約142m，距灃源路約12m，灃源路邊緣有大量管線。基坑周邊環境如圖1所示。

圖1 基坑周邊環境

1.2 工程地質條件

擬建場地地表水體較發育，場地西北側距盤龍江約50m，場地東側距金汁河約400m，地下水主要為上層滯水、潛水，上層滯水分布不穩定，水位埋深為0.8～1.5m，隨地形起伏。潛水層分布較穩定，場地水位埋深為1.6～5.2m，水位標高介于1 899.030～1 903.480m。根據基坑工程巖土勘察報告，開挖范圍內出現土層主要為雜填土、黏性土、圓礫、粉土。各土層厚度及主要力學參數如表1所示。

表1 巖土力學參數

2 基坑支護設計及降水

2.1 基坑支護設計

基坑面積為70 000m2，總周長約1 340m，長邊為465m，短邊為198m，基坑深7.8～17.9m，局部深29.4m。基坑工程安全等級為一級。經過對比整體計算和單元計算，綜合考慮安全可靠、施工可行、經濟合理因素，基坑整體采用支護樁+預應力錨索支護體系，基坑整體支護如圖2所示。進水泵房超深基坑設計深度達33m，采用剛度、安全性都較高的地下連續墻進行支護、止水。地下連續墻及內支撐布置如圖3所示。

圖2 基坑整體支護示意

圖3 地下連續墻及內支撐布置

基坑整體開挖包括超大基坑開挖及進水泵房超深基坑開挖，均采用分層開挖施工方式。

超大基坑開挖包括自由開挖區、控制開挖區。在自由開挖區域中，當開挖至相對標高-18.400m時，施工工程樁，當開挖至相對標高-18.900m、距基坑底以上300mm時采用人工挖土的方式。當在控制開挖區開挖至相對標高-2.000m時，施工支護樁及止水帷幕，待達到設計要求后，開挖至-3.000m，施工冠梁及第1排錨索，當開挖至相對標高-18.400m時，施工工程樁，當開挖至相對標高-18.900m、距基坑底以上300mm時采用人工挖土的方式。

當進水泵房超深基坑分層開挖至相對標高-2.000m，施工工程樁，直至開挖至相對標高-8.800m，當開挖至相對標高-30.400m、距坑底300mm處時采用人工開挖方式。

2.2 基坑降水

本項目共布置降水井38口，管井埋深22～47m，實管長度為16～36m，濾管長度為5～10m，管徑為1 200mm，總長約1 121m。施工過程中，應按需分區、分段降水，共分為南坑、北坑、進水泵房。南坑深區已有1號降水試驗井可以降水，其余區域施工到基坑底部后，再進行降水減壓井施工。進水泵房降水減壓井在-8m處開始施工，管井頂標高應高于承壓水水頭標高，成井后可不抽水，當基坑開挖到-17.29m時，開始降水減壓。為防止減壓降水對基坑周邊環境的影響，可在基坑外圍布置回灌井，以補充該處地下水，使降水井點影響半徑不超過回灌井點范圍。

3 基坑穩定性計算分析

通過理正深基坑7.0軟件，對超大超深基坑開挖支護設計參數進行全面系統的計算、分析。支護樁整體位移如圖4所示，基坑開挖結束后，支護樁在第15～19道支撐間的整體位移較大，整體位移隨埋深增大先增大后減小，最大位移為28.89mm，其他位置整體位移均小于此處。由于該基坑設計支護等級為一級，最大位移允許值為44.75mm，說明基坑支護結構整體較可靠，在基坑開挖過程中能起到支撐基坑穩定的效果。

圖4 支護樁整體位移

支護樁彎矩如圖5所示，與支護樁整體位移分布情況一致，支護樁彎矩隨埋深增大先增大后減小。基坑開挖結束后，支護樁在第15～19道支撐間彎矩較大，為3 301kN·m，說明該位置基坑變形較大，支護樁很好地起支撐作用。該支護樁彎矩設計最大值為12 000kN·m，因此該基坑整體較穩定，不會出現失穩破壞現象。

圖5 支護樁彎矩

進水泵房超深基坑支護體系整體位移如圖6所示，基坑開挖結束后，地下連續墻底部位移較大，地下連續墻整體位移隨埋深增大先增大后減小再增大，最大整體位移位于地下連續墻底部，為20.57mm，其他位置整體位移均小于此處。該基坑設計支護等級為一級，進水泵房基坑最大位移允許值為73.5mm，說明深基坑支護結構整體較可靠。

基坑開挖結束后，地下連續墻內力如圖7a所示，與深基坑支護體系整體位移分布一致，地下連續墻內力隨埋深增大先增大后減小再增大。基坑開挖結束后，地下連續墻底部內力最大，為2 810kN·m，說明該位置基坑變形較大，地下連續墻起支撐作用。地下連續墻內力設計最大值為12 000kN·m，因此該基坑整體處于穩定狀態。基坑開挖結束后腰梁內力如圖7b所示，第6,7道支撐的2種支護形式交界處內力最大，腰梁最大內力為3 995kN·m，說明該位置基坑變形較大，腰梁起支撐作用。腰梁設計內力最大值為12 000kN·m，符合設計規范，腰梁穩定。基坑開挖結束后支撐梁內力如圖7c所示，支撐基坑東、西方向的中間支撐梁與腰梁交界處支撐梁內力最大，為1 398kN·m，說明該位置基坑變形較大，支撐梁起支撐作用。支撐梁設計內力最大值為10 000kN·m，支撐梁較穩定，無失穩破壞現象。

圖7 基坑開挖結束后支護結構內力

4 BIM在基坑工程中的應用

4.1 基坑支護結構模型建立

首先建立符合IFC標準的三維信息模型，包含地層信息、水文地質信息，除對工程對象進行3D幾何信息和拓撲關系描述外，支護模型還包括完整的工程信息描述，如對象名稱、支護類型、材料類別、工程物理力學性能等信息。利用Revit軟件，將超大超深基坑二維設計圖紙進行三維建模，包括圍護樁、地下連續墻、內支撐、錨索、腰梁等支護構件及轉角坡道等結構。基坑支護整體模型如圖8所示。

圖8 基坑支護整體模型

4.2 土層信息及周邊環境模型建立

根據地質勘察報告創建擬建場區的3D土層模型，利用土層模型預判、分析樁體范圍內的土層信息，可直觀查詢任意一點的坐標、埋深、所處土層土體信息。

4.3 碰撞檢查

應用Fuzor軟件檢查轉角錨索碰撞，如出現交叉情況及時修改方案，檢測后，軟件自動生成檢查報告并進行保存，可返回原建模軟件進行修改。同時對難以找到的碰撞點運用一鍵查看功能，可快速查找碰撞區并進行修改。

4.4 施工模擬

將Revit模型導入Fuzor軟件中，對所建模型進行漫游、協同修改。漫游過程中可查看各構件信息，查改結構凈高、構件位置。同時將Revit模型導入Navisworks中，對相關工序進行有效排序，并生成施工橫道圖，有效管理施工進度。在項目還未建設前，通過施工模擬研究討論可能出現的問題，形成有效的施工技術方案，縮短工期、節約造價，同時可減少工程質量事故。

4.5 三維可視化交底

通過Revit建立模型，對地下連續墻、內支撐、冠梁、腰梁、柱等構件制作及施工過程進行三維可視化技術交底，可避免質量缺陷。進水泵房三維可視化交底如圖9所示。

圖9 進水泵房三維可視化交底

5 結語

BIM在深基坑設計中起至關重要的作用，在深基坑精細化管理、信息化施工中有不可替代的作用。本文采用BIM對昆明市第十四水質凈化廠建設項目超大超深基坑進行建模，在理正軟件中優化該基坑支護參數，應用Revit和Fuzor等軟件建立三維模型。BIM應用有利于形象準確地展現設計思路，還能統計工程量、進行碰撞檢查，提前對整個項目建設進行全局把控。三維可視化交底可高度統一設計圖紙信息，有利于設計方、施工方、監理方等多方協調配合，可解決項目中的各種復雜問題，既提高施工質量、節約造價、縮短工期，又降低超大超深基坑工程實施風險。