BIM技術(shù)在深基坑工程施工中的應(yīng)用

周 鑫 袁玉茂 陳 卓

(中國(guó)建筑第七工程局有限公司,河南 鄭州 450000)

深基坑工程實(shí)際上指的是開(kāi)挖深度大于5m的基坑土方開(kāi)挖、支護(hù)或者降水工程，在這些工程中應(yīng)用BIM技術(shù)能夠達(dá)到事半功倍的效果。除此之外基坑深度不足，但周邊地質(zhì)環(huán)境以及地下管線比較復(fù)雜的土方開(kāi)挖等也可以使用BIM技術(shù)。近幾年我國(guó)城市發(fā)展過(guò)程中，對(duì)地下空間的利用率明顯提升，在常見(jiàn)的地鐵、地下商場(chǎng)以及隧道等大規(guī)模工程開(kāi)挖時(shí)，使用BIM技術(shù)也是十分合理的選擇。

1 BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)是將三維數(shù)字技術(shù)作為基礎(chǔ)而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模型構(gòu)建的一種技術(shù)形式。在這個(gè)數(shù)字化三維模型中，所有的工程信息都將會(huì)被納入進(jìn)來(lái)。而通過(guò)這個(gè)模型的構(gòu)建與應(yīng)用，可以為工程項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)、施工和管理等提供科學(xué)的指導(dǎo)。在整個(gè)的建筑工程生命周期內(nèi)，都可以借助于BIM模型來(lái)進(jìn)行可視化的施工管理，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)整體工程項(xiàng)目管理全面性、系統(tǒng)性與直觀性的顯著提升。

相比較其他形式的建筑工程技術(shù)而言，BIM技術(shù)最為突出的特征表現(xiàn)在其信息的集成化、工作的協(xié)同性以及工作的關(guān)聯(lián)性等方面。首先是信息的集成化。在BIM技術(shù)的具體應(yīng)用過(guò)程中，其構(gòu)建出的數(shù)字化三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)和普通的二維平面設(shè)計(jì)圖紙具有本質(zhì)區(qū)別。通過(guò)這個(gè)數(shù)字化的三維模型，可將建筑工程中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)更加直觀地表現(xiàn)出來(lái)，比如荷載情況、空間關(guān)系以及相應(yīng)構(gòu)件的連接形式等，這樣便可讓建筑工程的管理效率及其精準(zhǔn)性得以顯著提升。其次是工作的協(xié)同性。借助于BIM技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效的信息化溝通平臺(tái)構(gòu)建，通過(guò)這個(gè)信息化平臺(tái)，建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位以及施工單位之間可實(shí)現(xiàn)高效的溝通。這樣不僅可實(shí)現(xiàn)整體建筑工程管理效率和管理質(zhì)量的顯著提升，同時(shí)也可以使其管理成本得到良好控制。另外，在BIM技術(shù)中，也涵蓋了科學(xué)性的碰撞檢查策略，通過(guò)該策略便可對(duì)建筑工程中各個(gè)系統(tǒng)之間的問(wèn)題與沖突加以科學(xué)判斷，可以有效避免實(shí)際施工中的諸多問(wèn)題，以此實(shí)現(xiàn)建筑工程中各個(gè)專業(yè)之間溝通的進(jìn)一步強(qiáng)化。最后是工作關(guān)聯(lián)性。在BIM技術(shù)的具體應(yīng)用中，數(shù)字化三維模型的構(gòu)建是該技術(shù)的基礎(chǔ)，而在這個(gè)模型中，所有的信息之間都存在著強(qiáng)大的關(guān)聯(lián)性。在通過(guò)該技術(shù)進(jìn)行建筑工程的具體設(shè)計(jì)與施工中，如果有技術(shù)變更情況，BIM模型中的相應(yīng)信息也會(huì)自動(dòng)同步改變，并不需要重新進(jìn)行相關(guān)圖紙的設(shè)計(jì)。通過(guò)這樣的方式，不僅可以保證施工設(shè)計(jì)、施工效率和施工質(zhì)量，也可以進(jìn)一步節(jié)約成本。憑借著這些顯著特征，BIM技術(shù)在當(dāng)今的建筑工程領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，且其應(yīng)用效果也十分明顯。

2 BIM技術(shù)在深基坑工程中的應(yīng)用流程

BIM技術(shù)在深基坑工程中的應(yīng)用流程如圖1所示。

圖1 BIM技術(shù)在深基坑工程中的應(yīng)用流程

模型建立工作的主要內(nèi)容就是收集項(xiàng)目的勘測(cè)報(bào)告、設(shè)計(jì)文件以及周邊其他建筑物相關(guān)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)作為建筑模型建立的依據(jù)。優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵在于將已經(jīng)建立好的各種專業(yè)模型整合起來(lái)，再進(jìn)行優(yōu)化測(cè)試，將其中不合理之處完善好。根據(jù)深基坑專項(xiàng)施工方案以及已經(jīng)建立好的模型進(jìn)行施工模擬工作，這樣能夠提前了解深基坑施工過(guò)程中不同階段的進(jìn)展情況，以及對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響。基坑監(jiān)測(cè)工作對(duì)智能化設(shè)備的依賴程度比較高，需要對(duì)基坑變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)及時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器當(dāng)中和BIM模型關(guān)聯(lián)，最終在BIM技術(shù)的輔助下進(jìn)行直觀展示，就能夠預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)結(jié)果并落實(shí)相應(yīng)的處理工作。

3 BIM技術(shù)在深基坑工程中的應(yīng)用

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于BIM技術(shù)的深基坑優(yōu)化設(shè)計(jì)基本流程如圖2所示。

圖2 基于BIM技術(shù)的深基坑優(yōu)化設(shè)計(jì)基本流程

在圖2當(dāng)中的深基坑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)基本流程中，具體的工作依據(jù)就是地勘報(bào)告和設(shè)計(jì)文件，后續(xù)需要使用建模軟件將地勘資料逐步轉(zhuǎn)化成為三維地勘模型，為節(jié)省建模時(shí)間，還可以同步建立支護(hù)模型，這樣能夠?qū)⒔ㄖこ痰闹ёo(hù)結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸以及材質(zhì)和空間等信息都比較直觀地在模型當(dāng)中展現(xiàn)出來(lái)。后續(xù)的優(yōu)化工作，技術(shù)人員只需要以已經(jīng)建立完成的模型作為依據(jù)，初步優(yōu)化之后進(jìn)行碰撞檢測(cè)，若檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其他問(wèn)題則要記錄下來(lái)，同時(shí)在后續(xù)的優(yōu)化過(guò)程中就存在的問(wèn)題進(jìn)行修改，若沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，則直接進(jìn)行深入優(yōu)化即可。

最終技術(shù)人員使用Revit軟件就能夠?qū)⒏鞣N模型實(shí)現(xiàn)整合，同時(shí)將相關(guān)信息導(dǎo)入到Navisworks軟件當(dāng)中，對(duì)建筑深基坑全模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)。若在此階段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，依舊可以進(jìn)行修改，若沒(méi)有問(wèn)題就要進(jìn)入成果產(chǎn)出的步驟，一般情況下的主要成果指的就是優(yōu)化報(bào)告、二維圖紙以及三維模型這三項(xiàng)內(nèi)容。

此外，需要注意的是BIM技術(shù)本身能夠?qū)⒃镜亩S信息通過(guò)三維的方式展現(xiàn)出來(lái)，模擬真實(shí)環(huán)境之后就能夠比較快速和直觀地了解到工程設(shè)計(jì)方案當(dāng)中存在的問(wèn)題，并在完成安全性和經(jīng)濟(jì)性分析之后，將模型導(dǎo)入到有限元軟件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件，常見(jiàn)的就是Midas。利用軟件功能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全性能展開(kāi)分析，對(duì)后續(xù)的工程設(shè)計(jì)工作產(chǎn)生優(yōu)化效果，也能達(dá)到降低誤差的效果。此外這種工作方式的明顯優(yōu)勢(shì)在于，一旦在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，直接在模型上進(jìn)行修改即可，能夠有效提高工作效率以及優(yōu)化效果。

3.2 施工模擬

首先，根據(jù)深基坑施工方案以及優(yōu)化之后的工程模型，技術(shù)人員只需要使用Revit軟件就能夠達(dá)到優(yōu)化深基坑工程三維場(chǎng)地布置的效果。其中，關(guān)鍵內(nèi)容包含基坑開(kāi)挖分區(qū)、土方運(yùn)輸路線、物料堆放點(diǎn)等，需要注意的是不能僅關(guān)注工作落實(shí)，還需要注意檢查是否嚴(yán)格符合工程要求，若存在不符合要求的情況，則要重新布置，反之則可以落實(shí)下一步工作。

其次，需要按照深基坑專項(xiàng)的施工方案開(kāi)展工程施工模擬，同時(shí)還要合理控制施工進(jìn)度。將完成場(chǎng)地布置之后的模型導(dǎo)入到相應(yīng)的軟件內(nèi)，并利用漫游技術(shù)配合施工即可達(dá)到直觀查看深基坑施工情況以及工程對(duì)周邊環(huán)境影響的目的。該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠準(zhǔn)確把握地下管線以及建筑物的影響，還能夠預(yù)測(cè)施工完成后的效果，因此更適合多種施工方案之間的比較。若在對(duì)比階段發(fā)現(xiàn)工程內(nèi)的不合理之處，則可以進(jìn)一步優(yōu)化，原則就是更加科學(xué)合理的對(duì)基坑工程的施工工藝以及工作面等進(jìn)行調(diào)整，最終達(dá)到提高工程質(zhì)量和效率的目的。

最后一步就是要將工程優(yōu)化圖紙以及模型等進(jìn)行統(tǒng)一整理和編輯，并準(zhǔn)備最終的成果輸出工作。

3.3 智慧管理

智慧管理實(shí)際上是BIM技術(shù)在深基坑工程當(dāng)中應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)，常規(guī)的核心平臺(tái)軟件就是BIM5D管理平臺(tái)，其主要功能包含深基坑生產(chǎn)管理、安全管理、進(jìn)度管理等，其中，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)噴淋系統(tǒng)在較大程度上有效提高了建筑工程深基坑管理的精細(xì)化程度。

3.4 智能監(jiān)測(cè)

將BIM技術(shù)融入深基坑檢測(cè)工作中之后，技術(shù)人員就需要盡快建立基坑、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境相關(guān)的模型。首先，需要從布置深基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)始，即通過(guò)無(wú)人機(jī)和3D激光掃描儀等設(shè)備獲取全部的基坑變形數(shù)據(jù)，作為后續(xù)工作的參考。在落實(shí)后續(xù)其他工作時(shí)，技術(shù)人員需要將本身已經(jīng)掌握的基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳遞，并將其導(dǎo)入到已經(jīng)建立完成的BIM模型當(dāng)中，后續(xù)只需要同步與基坑相應(yīng)部位和測(cè)點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)，即可直觀地展示建筑基坑不同時(shí)段產(chǎn)生的變形，以及后續(xù)有可能產(chǎn)生的變化曲線。此外，要按照每個(gè)測(cè)點(diǎn)允許的不同變形閾值、變化速率閾值等進(jìn)行安全等級(jí)方面的評(píng)定，若變化值和速率都超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)值，在模型圖上就會(huì)產(chǎn)生高亮顯示作為提醒，若檢測(cè)結(jié)果表明存在風(fēng)險(xiǎn)，則高亮顏色為黃色，若儀器正常則是綠色。

4 BIM技術(shù)在深基坑工程施工中的應(yīng)用分析

4.1 仔細(xì)了解工程概況

為對(duì)建筑工程的基坑支護(hù)工程效果以及安全性提供穩(wěn)定保障，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)可以使用支護(hù)樁+錨桿+錨桿止水的支護(hù)方式。技術(shù)人員還可以結(jié)合基坑深度、地層條件和周邊環(huán)境，將其劃分為若干個(gè)剖面，從而為后續(xù)管理工作的落實(shí)奠定堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定的基礎(chǔ)[1]。

同時(shí)，建筑工程技術(shù)人員應(yīng)提前調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)水文條件，判斷該區(qū)域地貌情況，常見(jiàn)的地貌情況有剝蝕斜坡、剝蝕堆積緩坡等，除此之外，還要判斷其是否經(jīng)歷過(guò)人工回填改造地貌的處理。同時(shí)，還應(yīng)該考慮在建筑構(gòu)造的影響下，現(xiàn)場(chǎng)后期產(chǎn)生了部分碎裂巖，場(chǎng)地基坑開(kāi)挖的深度范圍內(nèi)，主要的地基土層也是以素填土和粉質(zhì)黏土等為主。測(cè)量出整個(gè)場(chǎng)地的穩(wěn)定水位埋深，確定穩(wěn)定水位的最終標(biāo)高。如果當(dāng)?shù)氐牡叵滤饕獊?lái)源就是降水補(bǔ)給，那么證明地表水的年變化幅度在1m～2m之間，且各含水層之間大部分都是相互連通的。只有了解清楚上述工程實(shí)際情況，才可以為后續(xù)BIM模型的建立提供完善的準(zhǔn)備工作依據(jù)。

4.2 BIM模型建立

首先是BIM軟件的配合應(yīng)用。目前常見(jiàn)的BIM技術(shù)軟件種類比較多，但其中大部分若同時(shí)導(dǎo)入進(jìn)行協(xié)同工作的兼容性不好，因此在建筑模型建立之前，技術(shù)人員就要研究哪些內(nèi)容能夠通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)相互配合使用[2]，最終的工作目的就是全面提高建筑工程落實(shí)效率。

其次是BIM建模的實(shí)際規(guī)劃。在建模工作落實(shí)方面，需要從不同的需求角度深入分析問(wèn)題，且每個(gè)角度的建模標(biāo)準(zhǔn)都有所不同。建筑工程使用的BIM技術(shù)主要集中在施工方案的優(yōu)化以及細(xì)部節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。在基坑支護(hù)階段，技術(shù)人員也可以將BIM技術(shù)投入使用，并更加合理優(yōu)化建筑工程的施工細(xì)節(jié)以及節(jié)點(diǎn)部分，這項(xiàng)工作能夠起到的效果十分關(guān)鍵，技術(shù)人員本身也需要隨著施工進(jìn)度的推進(jìn)情況建立模型，最終保障模型的精度，達(dá)到指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作的效果。在文件大小的控制方面，建筑工程技術(shù)人員根據(jù)基坑支護(hù)的形式，先把各單元模型的支護(hù)結(jié)構(gòu)拆分后再建立，要點(diǎn)就是要保障模型控制工作落實(shí)的合理性，且保障文件大小規(guī)格統(tǒng)一，避免現(xiàn)場(chǎng)瀏覽以及下載產(chǎn)生卡頓的情況。

此外就是模型本身的坐標(biāo)系統(tǒng)，建筑工程技術(shù)人員應(yīng)保障全部模型和參照模型的坐標(biāo)都要和項(xiàng)目的設(shè)計(jì)點(diǎn)相一致，降低后續(xù)管理難度。在建筑構(gòu)件的信息規(guī)劃階段，技術(shù)人員考慮的主要問(wèn)題就是如何降低后期局部模型檢驗(yàn)工作落實(shí)的難度。正式開(kāi)始落實(shí)建模工作之前，還需調(diào)查整理比較統(tǒng)一的模型構(gòu)建以及其中包含的信息內(nèi)容。

在建筑工程當(dāng)中，BIM構(gòu)件模型信息主要包含基本尺寸、標(biāo)高以及材料型號(hào)等[3]，屬于基本參數(shù)內(nèi)容。具體操作要點(diǎn)也與模型建立相關(guān)，為保障規(guī)范度，技術(shù)人員先建立了建筑樣板文件和結(jié)構(gòu)樣板文件，確定項(xiàng)目基點(diǎn)之后才落實(shí)各單元標(biāo)高以及軸網(wǎng)繪制工作[4]，有效降低了后續(xù)管理難度。

4.3 超深基坑工程中BIM技術(shù)的應(yīng)用

如果超深基坑工程當(dāng)中存在L形，那么建筑中必然存在陽(yáng)角。技術(shù)人員應(yīng)該考慮到錨索施工階段的角度優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)使用BIM技術(shù)將錨索交叉碰撞問(wèn)題排除。例如，某工程使用BIM技術(shù)建立了建筑陽(yáng)角位置的錨索模型，傾角設(shè)置為20°，鉆孔直徑150mm，結(jié)合設(shè)計(jì)施工情況，最終模型的直徑為200mm。通過(guò)對(duì)模型的調(diào)整，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)沖突錨索的每一根都調(diào)整了2°～3°，在傾角的允許范圍內(nèi)能夠避免錨索產(chǎn)生沖突。但這種方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工而言并不算優(yōu)質(zhì)選擇，主要原因在于操作比較煩瑣，幾乎每一根錨索的角度都要調(diào)整，施工效率比較低。因此，技術(shù)人員選擇在模型當(dāng)中對(duì)有可能產(chǎn)生的情況進(jìn)行了模擬和調(diào)整，最終選出最適合現(xiàn)場(chǎng)施工的方案，不僅避免了錨索沖突，還保障了工程成本控制在合理范圍之內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，BIM技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于能夠?yàn)榻ㄖこ坦串嫵鐾暾穆鋵?shí)流程，同時(shí)，還能夠?qū)⒏鱾€(gè)階段需要投入使用的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，形成數(shù)據(jù)庫(kù)之后方便后續(xù)的調(diào)用。BIM技術(shù)能夠在較大程度上減少工程造價(jià)管理工作量，同時(shí)還能提升工作質(zhì)量，且當(dāng)工程造價(jià)方面產(chǎn)生了爭(zhēng)議時(shí)，利用BIM技術(shù)就能夠減少溝通過(guò)程中由于信息差帶來(lái)的矛盾，保障工程本身在滿足各方面需求的基礎(chǔ)上加快落實(shí)。