BIM 技術(shù)在某工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

何梁興

（寧夏中材巖土工程有限公司，寧夏 銀川 750021）

1 概述

建筑信息建模(BuildingInformationModeling，簡稱BIM)，是一種建筑信息的三維可視化手段，其具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、出圖性等特點(diǎn)。20 世紀(jì)70 年代，喬治亞理工大學(xué)的Chuck Eastman 教授提出了BIM 概念，BIM 研究至今已經(jīng)歷了萌芽、產(chǎn)生和發(fā)展三個階段。隨著我國對BIM 研究時間的增加，國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范的陸續(xù)出臺，BIM 技術(shù)在建筑工程中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，但其在地下空間工程領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用相對比較少。對于基坑支護(hù)工程，以往的設(shè)計(jì)都是通過CAD 進(jìn)行二維平面設(shè)計(jì)，其無法直觀的反應(yīng)出擬開挖基坑的三維狀態(tài)，這使得和業(yè)主方、施工方等相關(guān)方的溝通交流很不方便，對于設(shè)計(jì)圖紙中的不合理處難以及時發(fā)現(xiàn)，對于施工過程不能進(jìn)行直觀的指導(dǎo)，將BIM 技術(shù)引入到基坑支護(hù)工程中，有利于實(shí)現(xiàn)工程信息共享，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，促進(jìn)溝通交流，提高協(xié)同工作效率，減少施工中的常見問題。本文基于BIM 技術(shù)，針對實(shí)際工程案例建立基坑支護(hù)模型，分析如何有效地將BIM 技術(shù)應(yīng)用于基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，以期對類似工程起到一定參考作用。

2 工程概況

某建筑工程由2 棟29～30 層，3 棟1～2 層的商業(yè)用房，1棟1 層的垃圾中轉(zhuǎn)站組成，均設(shè)2 層地下室，采用框剪結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)。基坑形狀為矩形，長約137.9m，寬約112m，基坑預(yù)計(jì)開挖深度9.4m。場地北側(cè)為道路，南側(cè)為1～3 層已建建筑物，西側(cè)為已建小區(qū)，東側(cè)為2 層已建售樓部。本工程地質(zhì)條件較為簡單，土層自上而下分別為：①雜填土，雜色，松散-稍密、干-稍濕，主要由砂土、爐渣、建筑垃圾、舊建筑物基礎(chǔ)及少量生活垃圾組成，厚度約0.5m；②細(xì)砂層，黃褐色-青灰色、稍密-密實(shí)，稍濕-飽和狀，其礦物成份主要為長石、石英、云母片等，巨厚層。

場區(qū)屬河漫灘平原潛水區(qū)，水位埋深約5.0m，巖土以細(xì)砂為主，地下水主要受溝、渠側(cè)向滲入補(bǔ)給，其次為大氣降水的補(bǔ)給。地下水動態(tài)類型屬黃河側(cè)補(bǔ)蒸發(fā)～徑流型。地下水位動態(tài)主要受氣象、水文、灌溉等因素影響呈季節(jié)性變化。正常年份水位變化幅度在0.5～1.0m 之間。

3 基坑支護(hù)方案

基坑距離周邊道路和建筑物較近，開挖深度大，土層以細(xì)砂為主，基于基坑開挖深度、周邊環(huán)境以及場地地質(zhì)情況，基坑安全等級為Ⅰ級。基坑支護(hù)方式采用土釘墻+錨拉式排樁，即上部一定深度采用土釘墻支護(hù)，下部采用錨拉式灌注樁進(jìn)行支護(hù)。a.土釘墻：地面下0～3m 采用1:0.5 土釘墻放坡，埋深1.5m 處設(shè)置一排注漿土釘，土釘長4.5m；b. 錨拉式排樁，土釘墻下部采用灌注樁，樁徑600mm，樁間距1.0m，樁長11.0m，灌注樁頂下1m、3.5m 各設(shè)置一般錨索，錨索長度分別為15m，腰梁采用14A 雙拼槽鋼，支護(hù)示意見圖1。

圖1 土釘墻+錨拉式排樁支護(hù)示意圖

4 BIM 模型的建立

4.1 建模準(zhǔn)備

目前進(jìn)行BIM 建模的軟件較多，本次基坑建模軟件主要使用CAD、Revit、Navisworks、Photoshop 以及會聲會影，通過各軟件配合使用進(jìn)行BIM 基坑建模，以及后期施工動畫模擬。

4.2 BIM 建模流程

4.2.1 高程系統(tǒng)的建立：為了方便確定不同支護(hù)構(gòu)件的空間位置，在整個三維建模前，需要在Revit 軟件中進(jìn)行高程系統(tǒng)的建立。對于建模的高程系統(tǒng)，Revit 軟件中有兩種類型，一種是軟件自帶的系統(tǒng)標(biāo)高，如結(jié)構(gòu)平面標(biāo)高、樓層平面標(biāo)高、天花板平面標(biāo)高等；另一種是用戶根據(jù)需要自行建立的標(biāo)高。Revit 軟件中關(guān)于基坑模型標(biāo)高基本沒有，用戶需要自行建立標(biāo)高。以本工程為例，根據(jù)需求劃分出項(xiàng)目所涉及到的標(biāo)高平面，如基坑底標(biāo)高、基坑頂標(biāo)高、樁端標(biāo)高、樁頂標(biāo)高、冠梁標(biāo)高、錨索標(biāo)高等，使用Revit 軟件中的“建筑”下的“標(biāo)高”命令，建立高程系統(tǒng)。

4.2.2 基坑輪廓的建立：對于基坑輪廓形狀的建立，Revit軟件中一般采用體量進(jìn)行建立，體量的創(chuàng)建一般包括內(nèi)建體量和概念體量，但是用體量創(chuàng)建基坑輪廓的速度慢，容易出錯，后期如果基坑形狀發(fā)生改變，基坑體量修改也十分麻煩，鑒于此，本工程使用Revit 軟件中的“地形表面”進(jìn)行基坑輪廓形狀的建立，將CAD 中設(shè)計(jì)好的基坑平面布置圖鏈接至Revit 軟件中，使用軟件中的“體量和場地”下的“地形表面”工具，創(chuàng)建出地形表面，通過“拆分表面”工具，將地形表面拆分成不同的區(qū)域，通過“編輯表面”命令對邊界點(diǎn)的高程進(jìn)行賦值，從而創(chuàng)建出基坑基本輪廓。

4.2.3 模型單元的建立：Revit 軟件建模過程中模型單元大體分為兩種，第一種是“系統(tǒng)族”，包含了大量的基本建筑圖元，如梁、板、柱等，系統(tǒng)族不能被創(chuàng)建、修改，無法通過外部文件載入，也不能保存在除項(xiàng)目之外的地方。第二種是“用戶自建族”，用戶可根據(jù)項(xiàng)目需要自行創(chuàng)建族，族可載入或載出到其他項(xiàng)目中，可重復(fù)利用。由于Revit“族”庫中基坑支護(hù)工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件較少，對于軟件中沒有的模型單元采用“用戶自建族”的形式進(jìn)行創(chuàng)建。以本工程為例，支護(hù)方式采用土釘墻+錨拉式排樁支護(hù)，因此需自行構(gòu)件土釘墻面層、土釘、鋼板網(wǎng)、冠梁、灌注樁、錨索、腰梁等族，建族時將相關(guān)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化編輯，方便后期建模過程中對族進(jìn)行參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，本工程中采用的灌注樁樁徑為600mm，樁長11.0m，樁間距1.0m，當(dāng)后期遇到類似工程或者需要變更樁參數(shù)時，可直接更改族類中的參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化編輯，方便基坑支護(hù)設(shè)計(jì)，灌注樁建族見圖2。

圖2 灌注樁建族示意圖

4.2.4 基坑支護(hù)模型的建立：當(dāng)基坑建模所需要各個構(gòu)件族建立完成，即開始對基坑進(jìn)行整體建模，將CAD 圖紙鏈接至Revit 軟件中，通過平面設(shè)計(jì)圖紙確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的平面位置，通過已經(jīng)建立的高程系統(tǒng)及支護(hù)結(jié)構(gòu)的立面圖確定其豎向位置，將基坑支護(hù)模型單元進(jìn)行空間組合，組合過程中可對不同支護(hù)構(gòu)件按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整，使其可以正確的放置在三維空間中。以本工程為例，基坑模型按施工工藝順序進(jìn)行模型組合，將建立好的構(gòu)件族導(dǎo)入Revit 項(xiàng)目，對其空間位置進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到支護(hù)模型與實(shí)際支護(hù)一致，支護(hù)模型見圖3。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)三維模型圖

5 BIM 技術(shù)的應(yīng)用

5.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

基坑三維模型的建立過程中，可以對基坑空間結(jié)構(gòu)具有一個立體直觀認(rèn)識，對于其中的設(shè)計(jì)不合理處，可以進(jìn)行快速檢查，及時修改。以本工程為例，通過檢查，發(fā)現(xiàn)基坑轉(zhuǎn)角處土釘墻面層連接不合理，基坑轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)了兩個轉(zhuǎn)角，而實(shí)際上基坑面層連接處應(yīng)為一個轉(zhuǎn)角，后對CAD 圖紙中的對應(yīng)位置進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中出現(xiàn)了錯誤，土釘墻面層分界線不是兩個角點(diǎn)的連線，從而對基坑平面設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行了修改。

本文所舉例的項(xiàng)目所涉及的優(yōu)化設(shè)計(jì)只是BIM 技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)一個小點(diǎn)，對于基坑輪廓形狀較為復(fù)雜情況，基坑設(shè)計(jì)的優(yōu)化會更多，例如當(dāng)基坑形狀出現(xiàn)陽角的情況下，基坑陽角部位的土釘、錨索等支護(hù)結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生交叉，陽角的土體卸荷較陰角大，應(yīng)力狀態(tài)與常規(guī)開挖面、陰角開挖面不同，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力更大，對于基坑陽角土釘、錨索交叉，需要調(diào)整土釘、錨索埋置深度及入射角度，重新驗(yàn)算安全性是否滿足要求。

在三維模型中整合基坑周邊的建筑物相關(guān)信息，可快速核查基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與周建建筑物的安全距離。將周邊建筑物基礎(chǔ)的形式、埋置深度等相關(guān)信息整合到基坑三維模型中，導(dǎo)入至Navisworks 軟件中進(jìn)行碰撞檢測，通過檢測報告，核查碰撞部位并進(jìn)行調(diào)整。以本工程為例，通過碰撞檢測，發(fā)現(xiàn)基坑西側(cè)支護(hù)段部分錨索打到已建18 層商住樓地下室外墻上，這部分錨索如果按照原先入射角度、埋置深度在后期是無法施工的，這會嚴(yán)重影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，需要對該部位的支護(hù)調(diào)整，經(jīng)重新驗(yàn)算后，決定將該部位錨索埋置深度加深2m，錨索入射角度從15°變?yōu)?0°，樁長由11m 增加值16m，對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，碰撞檢測見圖4。

圖4 錨索碰撞檢測示意圖

5.2 基坑施工動畫模擬

在Revit 中建立好三維基坑模型，將模型圖導(dǎo)入Navisworks 軟件中進(jìn)行施工過程動畫模擬、漫游動畫，運(yùn)用視頻編輯軟件將三維動畫進(jìn)行剪輯拼接，即可完成施工動畫。

在與業(yè)主方進(jìn)行設(shè)計(jì)方案匯報時，設(shè)計(jì)方案以三維模型形式展現(xiàn)出來，基坑的支護(hù)形式、支護(hù)方法以及基坑與周邊的道路、管線、建筑物相對關(guān)系也會一一反應(yīng)在整個三維模型中，這可以大大提高設(shè)計(jì)人員與其他非相關(guān)專業(yè)人員的溝通效率，讓業(yè)主方對于整個技術(shù)方案有更加深入的了解，方便業(yè)主對于安全、造價、可行性、工期等多方面進(jìn)行對比分析，選取最優(yōu)方案。當(dāng)然，如果在投標(biāo)過程中通過BIM 技術(shù)進(jìn)行方案匯報，對于項(xiàng)目的成功簽約也會有一定幫助，基坑支護(hù)總體模型見圖5。

圖5 三維基坑支護(hù)總體模型展示

在與施工方進(jìn)行交底的過程中，通過BIM 技術(shù)生成基坑施工模擬動畫，可更加清晰的展示項(xiàng)目施工過程中的關(guān)鍵施工節(jié)點(diǎn)、相關(guān)重要的施工數(shù)據(jù)，對于項(xiàng)目中的技術(shù)難點(diǎn)、要點(diǎn)，施工方可更加了解，有助于施工前提前發(fā)現(xiàn)問題解決問題。以本工程為例，基坑支護(hù)施工流程分為:a.灌注樁施工;b.第一板土方開挖;c.土釘墻施工、冠梁施工;d.第二板土方開挖;d.錨索施工、樁面層施工、腰梁施工;e.第三板土方開挖;f.錨索施工、樁面層施工、腰梁施工。對于這些施工階段可以按施工順序進(jìn)行模擬施工，施工中的關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)、工序可以更加直觀的展示出來。

6 結(jié)論

目前，BIM 技術(shù)在建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用已成為一種趨勢，通過采用BIM 技術(shù)可以將的二維設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為三維立體模型，以本項(xiàng)目為例，基于BIM 技術(shù)建立三維基坑模型，得出以下結(jié)論。

6.1 可以形象直觀對工程進(jìn)行展示，在設(shè)計(jì)方案匯報時，可見設(shè)計(jì)方案直觀的展示給業(yè)主單位，方便不同專業(yè)乃至不同行業(yè)人員進(jìn)行交流，為項(xiàng)目的決策提供參考，提高各方的溝通交流效率，保障了工程項(xiàng)目的順利實(shí)施。

6.2 通過BIM 技術(shù)對基坑的可視化建模，可以使工程的關(guān)鍵部位一目了然，對各種結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行碰撞檢測，可發(fā)現(xiàn)二維圖紙中不容易發(fā)現(xiàn)的問題，避免設(shè)計(jì)錯誤，使設(shè)計(jì)更加合理。

6.3 BIM 技術(shù)的基坑可視化建模，可演示施工不同階段，有效指導(dǎo)施工，避免紙質(zhì)交底的不足，提高施工質(zhì)量，減少錯誤。