基于BIM 的高層建筑深基坑施工技術(shù)研究

陸祺宏

0 引言

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，高層建筑是目前城市主要建筑形式，深基坑工程技術(shù)較為復(fù)雜、多變，需要采取有針對(duì)性的質(zhì)量保障措施，避免深基坑的坍塌等問題造成的損壞。BIM 技術(shù)可視化、模擬性等方面的優(yōu)點(diǎn)，使之能夠很好的應(yīng)用到深基坑工程的施工模擬中，在施工階段能夠?qū)崿F(xiàn)工藝流程的優(yōu)化，保證施工現(xiàn)場的安全。

1 目前施工控制中關(guān)鍵問題分析

在目前進(jìn)行深基坑工程施工過程中，所采取的施工控制手段還較為不足，基本上依靠進(jìn)度控制對(duì)施工進(jìn)行管理。但是隨著深基坑施工不斷深入，很多施工技術(shù)手段難以進(jìn)行把控，實(shí)際進(jìn)度與事前的控制計(jì)劃相矛盾。通過對(duì)深基坑施工技術(shù)的研究，可以分為以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。

1.1 施工碰撞問題

深基坑是地下工程，具有較強(qiáng)的施工隱蔽性，使用了較多的土釘、錨索結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)。因此，在實(shí)際施工過程中容易發(fā)生支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的互相碰撞，同時(shí)也會(huì)與周邊的地下管線、構(gòu)筑物等發(fā)生碰撞。碰撞容易造成基坑和周邊建筑的安全危害。

1.2 進(jìn)度計(jì)劃執(zhí)行精細(xì)度較差

深基坑往往工作面較廣，工程量巨大，存在著很多平行交叉施工。因此在工序排布時(shí)，很多只依據(jù)二維圖紙的工程量進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)給出了施工工藝流程。但是通過二維圖紙的進(jìn)度規(guī)劃很難完全體現(xiàn)一些平行的施工，深基坑施工因?yàn)榈刭|(zhì)情況的不同，一直處于動(dòng)態(tài)的變化中，靜態(tài)的管理模式不能完全反映目前深基坑的實(shí)際施工狀況。

1.3 二維場地布置表現(xiàn)較差

目前深基坑場地布置圖紙主要是二維圖紙表現(xiàn)形式，但是實(shí)際場地布置主要為三維的布置模式，二維圖的局限性使得現(xiàn)場的布置很難準(zhǔn)確地表現(xiàn)出來。深基坑工程的施工隱蔽性，使得工程中可能預(yù)見的問題難以準(zhǔn)確把握，不能對(duì)深基坑的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行調(diào)整。

1.4 進(jìn)度跟蹤檢查不及時(shí)

在深基坑施工過程中，由于受到較多因素的影響，因此施工進(jìn)度檢查很多不能按照原有計(jì)劃進(jìn)行，如與實(shí)際進(jìn)度計(jì)劃產(chǎn)生了一定的偏差，不加以修正和優(yōu)化，偏差會(huì)越來越大，逐漸導(dǎo)致進(jìn)度的失控，基于深基坑的隱蔽性工程特點(diǎn)，給施工造成了很大的影響。

2 BIM 技術(shù)可視化施工控制優(yōu)勢分析

2.1 碰撞的可視化控制

BIM 技術(shù)的碰撞檢查優(yōu)勢可以使深基坑各構(gòu)件之間的碰撞問題得到一定的解決。在碰撞時(shí)可以自主選擇碰撞的類型，通過軟碰撞和硬碰撞的參數(shù)設(shè)定，保證其在碰撞點(diǎn)具體位置的不斷優(yōu)化調(diào)整，使得施工人員能夠?qū)ζ湎鄬?duì)的位置進(jìn)行精細(xì)化的調(diào)整，避免碰撞問題的出現(xiàn)。

2.2 基于BIM 的進(jìn)度計(jì)劃編制

BIM 技術(shù)在其實(shí)施過程中，對(duì)于深基坑進(jìn)度計(jì)劃的編制具有核心作用，其可以依據(jù)施工的任務(wù)分解、工程量統(tǒng)計(jì)和交叉施工等模型的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)度計(jì)劃的動(dòng)態(tài)演示，優(yōu)化了傳統(tǒng)進(jìn)度計(jì)劃表現(xiàn)不足的問題，最終形成了可視化的進(jìn)度編制。

2.3 場地布置可視化控制

場地布置可視化控制是基于二維的CAD 圖紙建立三維模型，通過三維模型的布置實(shí)現(xiàn)場地漫游。通過場地內(nèi)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，避免發(fā)生碰撞和隱藏事故的檢查，使之更好的服務(wù)于深基坑多變的環(huán)境中。

2.4 可視化進(jìn)度模擬與檢查優(yōu)化

將施工模型和進(jìn)度計(jì)劃導(dǎo)入Navisworks 軟件，形成4D 進(jìn)度模型，依照模型進(jìn)行模擬施工。在三維視角下更容易發(fā)現(xiàn)原始計(jì)劃中的不合理情況，針對(duì)目前的施工偏差，找出施工的關(guān)鍵點(diǎn)。BIM 的進(jìn)度控制是以三維信息為基礎(chǔ)的，可利用施工的跟蹤模式，在發(fā)生改變時(shí)對(duì)施工進(jìn)度作出高效的調(diào)整。

3 深基坑項(xiàng)目施工周期中BIM 技術(shù)的應(yīng)用

3.1 工程概況

某工程總占地面積50 178m，項(xiàng)目的主體結(jié)構(gòu)為地埋式結(jié)構(gòu)，基坑最深處為12.5m。因本工程基坑體量大，施工較為復(fù)雜，總樁基數(shù)量為30 570 根。本工程采用“深層攪拌樁+三軸攪拌樁+雙排鉆孔灌注樁”的施工方式進(jìn)行施工。頂部設(shè)有連接板，中部設(shè)連接腰梁。在本工程的深基坑支護(hù)過程中，絕大部分為淤泥質(zhì)，多為流塑狀，施工工期較為緊張，工序較為繁瑣，涉及專業(yè)較多，因此，本工程的深基坑工程是施工過程中的重難點(diǎn)。施工總承包單位計(jì)劃在基坑施工整體過程中應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行方案的優(yōu)化與后期的處理，以信息化手段對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化、工序搭建、施工模擬、基坑監(jiān)測等重點(diǎn)問題進(jìn)行解決。

3.2 BIM 模型的構(gòu)建

BIM 模型是BIM 技術(shù)的應(yīng)用良好的體現(xiàn)方式，模型精度是工程實(shí)施的重要保證。因此，本工程采用Revit 軟件和Civil 3D軟件，通過地質(zhì)建模軟件、無人機(jī)航拍攝影、360 攝影等技術(shù)精確的創(chuàng)建模型，保證其在設(shè)計(jì)階段到最終驗(yàn)收階段的有效應(yīng)用。

3.2.1 場地布置、全景數(shù)據(jù)的構(gòu)建

使用Revit 軟件布置場地模型，通過施工中各應(yīng)用設(shè)備的構(gòu)建，等比例進(jìn)行建模，使用無人機(jī)航拍對(duì)基坑的整體形式進(jìn)行傾斜攝影，將全景技術(shù)引入到整體的深基坑建模過程中，可以通過建模實(shí)現(xiàn)全景漫游。

3.2.2 土方開挖、樁基BIM 參數(shù)化模型創(chuàng)建

采用Civil 3D 軟件良好的布置土方開挖方案，通過分層開挖模型的構(gòu)建，使用Dynamo 參數(shù)化模型方式，使得樁基模型的參數(shù)實(shí)現(xiàn)了3 萬多根樁基的快速編碼，大大提高了樁基分析的效率。同時(shí)，使樁基的模型與其編碼相互對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)良好的信息化互動(dòng)。地質(zhì)建模使用BIM 軟件進(jìn)行相應(yīng)的分析，其功能包括數(shù)據(jù)錄入、地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)庫、三維建模、三維分析、圖件繪制等多項(xiàng)功能，有效的摸清地質(zhì)條件，為后續(xù)深基坑施工打下良好的基礎(chǔ)。

3.3 整合基坑模型的BIM 應(yīng)用

3.3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化

設(shè)計(jì)優(yōu)化在深基坑施工之前是一個(gè)重要的階段，對(duì)于提高工程的整體施工效率和準(zhǔn)確性具有重要的保障作用。本工程從設(shè)計(jì)和施工方案兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。在設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化主要是通過前期地質(zhì)材料的分析，準(zhǔn)確的結(jié)合實(shí)際情況，深化地質(zhì)參數(shù)，保證方案的整體設(shè)計(jì)優(yōu)化，使施工單位能夠準(zhǔn)確的理解設(shè)計(jì)的意圖。在施工方案設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，主要是通過BIM 場地的模擬與布置，對(duì)基坑的基本形式和場地模型進(jìn)行區(qū)分，在進(jìn)行開挖區(qū)域的劃分過程中，分為了三個(gè)獨(dú)立的區(qū)域進(jìn)行平行施工。在不同的開挖階段，保證場地內(nèi)的線路優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了效率的提升。通過堆載和卸載土方模型的對(duì)比，使其前后的形象面貌可以實(shí)時(shí)地展現(xiàn)在項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)面前，同時(shí)對(duì)深基坑工程中的安全設(shè)施、塔吊布置等情況都能夠在模型中得以合理的應(yīng)用。

3.3.2 圖紙會(huì)審和三維交底

在本工程設(shè)計(jì)與施工方案優(yōu)化完成之后，需要進(jìn)行圖紙會(huì)審和三維交底。

一是在BIM 模型中進(jìn)行三維查看和三維輸出，有效地實(shí)現(xiàn)了圖紙會(huì)審的實(shí)施信息化，這樣對(duì)于圖紙會(huì)審效率提高創(chuàng)造了良好的條件。二是實(shí)現(xiàn)了良好的三維交底。三維交底能夠?qū)娱_挖的開挖順序、出土方式等情況進(jìn)行良好的技術(shù)說明，使得交底工作實(shí)施直觀化，使項(xiàng)目參建各方能夠準(zhǔn)確的理解設(shè)計(jì)的意圖，對(duì)于后期的整體施工準(zhǔn)確性具有重要的作用。

3.3.3 施工模擬與進(jìn)度控制

通過BIM 模型的構(gòu)建，對(duì)本工程實(shí)現(xiàn)了良好的施工模擬，結(jié)合基坑施工過程中的重難點(diǎn)在項(xiàng)目部召開施工模擬專題會(huì)議，對(duì)基坑工作的場地布置、施工進(jìn)度和工藝安排進(jìn)行三維可視化的演示。演示過程包括以下幾個(gè)方面：

（1）工程地質(zhì)模擬，場地從上到下分別為人工填土、淤泥及淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土及粗礫砂、第四系殘積層。（2）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和施工順序，保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)和施工順序的準(zhǔn)確劃分。（3）深基坑支護(hù)施工的模擬。在本工程中，三軸水泥樁主要采用了兩攪兩噴的施工工藝，深層水泥攪拌樁采用“四攪四噴”工藝，旋挖灌注樁的鉆孔、鋼筋、澆筑等工藝進(jìn)行了合理的模擬，這樣對(duì)于工程的重點(diǎn)方案有了明確的把控，制定有針對(duì)性的質(zhì)量控制措施。（4）基坑開挖模擬，通過監(jiān)測點(diǎn)的布置，有效地保證了施工現(xiàn)場各監(jiān)測點(diǎn)的有效性。通過各監(jiān)測點(diǎn)的動(dòng)畫模擬和實(shí)施參數(shù)監(jiān)控，保證在工程實(shí)施過程中實(shí)現(xiàn)良好的信息化溝通和互動(dòng)。同時(shí)，通過無人機(jī)攝影技術(shù)采集施工現(xiàn)場施工照片，保證實(shí)景模型的傳輸，將工程現(xiàn)場的各地形地貌展示在施工各參建方面前，使得各方能夠針對(duì)現(xiàn)場的實(shí)際情況提出相應(yīng)的問題，保證工程研討的準(zhǔn)確性。如圖1 所示。

圖1 BIM 施工模擬圖

3.4 BIM 技術(shù)服務(wù)平臺(tái)的功能研發(fā)與應(yīng)用

3.4.1 模型和信息的集成

模型與信息的集成，是深基坑施工BIM 平臺(tái)構(gòu)建的難點(diǎn)。本工程通過實(shí)景GIS 模型的控制，使各項(xiàng)工程實(shí)施階段都能夠覆蓋。相應(yīng)的參數(shù)信息通過三維的展示，保證各參數(shù)數(shù)據(jù)能夠在信息共享平臺(tái)上進(jìn)行直觀的展示，使得二維圖紙和三維模型進(jìn)行良好的互動(dòng)。基于BIM 技術(shù)的服務(wù)平臺(tái)可以對(duì)地質(zhì)模型、樁基、土方開挖、場地布置以及支護(hù)等各項(xiàng)的參數(shù)實(shí)時(shí)的展示在共享大屏上，這樣對(duì)于實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目參建各方的信息共享性具有重要的保證作用。

3.4.2 樁基驗(yàn)收

傳統(tǒng)的樁基驗(yàn)收需要進(jìn)行較長的前期準(zhǔn)備、資料報(bào)建等方面的過程。本工程因?yàn)樯婕暗臉痘鶖?shù)量較多，有3 萬多個(gè)，因此后期的驗(yàn)收是一項(xiàng)巨大的繁瑣工程。本工程針對(duì)這一問題，結(jié)合BIM 技術(shù)對(duì)樁基驗(yàn)收資料進(jìn)行相應(yīng)的管理，通過技術(shù)服務(wù)平臺(tái)將相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行上傳與資料收集，對(duì)樁基進(jìn)行了良好的編碼。編碼過程實(shí)行了樁基實(shí)景與項(xiàng)目圖紙之間的比對(duì)，通過項(xiàng)目比對(duì)，對(duì)基礎(chǔ)的驗(yàn)收材料進(jìn)行良好的把控，支持參數(shù)的檢索和顯示功能。對(duì)于保證樁基驗(yàn)收高效率、提升準(zhǔn)確性都具有重要的保證作用，真正實(shí)現(xiàn)了無紙化辦公。

3.4.3 基坑監(jiān)測

基坑監(jiān)護(hù)是深基坑施工過程中安全和質(zhì)量監(jiān)控的重點(diǎn)措施。BIM 技術(shù)在施工監(jiān)控方面也具有覆蓋性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛、準(zhǔn)確性較高等多方面的優(yōu)勢。本工程將BIM 技術(shù)融入到施工監(jiān)測過程中，通過BIM 技術(shù)統(tǒng)一平臺(tái)，將各方的基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，通過服務(wù)器對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，保證其能夠滿足設(shè)計(jì)與規(guī)范的要求。通過監(jiān)控模塊制定數(shù)據(jù)模擬分析圖，對(duì)其水平位移、豎向位移和地下水的直觀表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)不同基坑監(jiān)測點(diǎn)的合理分析。對(duì)于出現(xiàn)問題的情況，需要有預(yù)警提示與專家的分析進(jìn)行結(jié)合，分析潛在的危險(xiǎn)，制定良好的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

4 結(jié)語

本文通過實(shí)例，將BIM 技術(shù)融合到深基坑施工過程中，通過多維度的BIM 基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)的融合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了工程的創(chuàng)新服務(wù)。具體實(shí)現(xiàn)了以下效果：

通過基坑模型的創(chuàng)建，為工程中的施工模擬、場地布置、地質(zhì)分析以及施工監(jiān)測等多項(xiàng)因素提供了良好的可視化分析。

成功搭建了施工現(xiàn)場基坑監(jiān)測、三維分析、樁基驗(yàn)收等綜合性的BIM 平臺(tái)，在可視化和數(shù)據(jù)追溯方面形成了良好的實(shí)施效果。

平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了BIM 技術(shù)的信息化應(yīng)用，拓展了BIM 應(yīng)用的深度和廣度，對(duì)于BIM 技術(shù)在建設(shè)行業(yè)中的應(yīng)用探索實(shí)現(xiàn)了有效的提升。