長沙機(jī)場GTC項目復(fù)雜深基坑群BIM+4D進(jìn)度模擬技術(shù)*

范俊洋，周馳晴，劉 彪，陳鏡丞，黃 華，陳 達(dá)

(1.中建五局第三建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410114；2.湖南省機(jī)場管理集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410114)

0 引言

機(jī)場綜合交通樞紐是民用航空運(yùn)輸和城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是區(qū)域綜合交通運(yùn)輸體系的重要組成部分，其建設(shè)往往具有體量大、交叉復(fù)雜、建設(shè)周期長、接口多、不同標(biāo)段同步實(shí)施等特點(diǎn)[1]。綜合交通樞紐工程由多種交通方式相互連接，地上、地下建筑物相互壓覆，形成復(fù)雜的地下深基坑群。由于綜合交通樞紐的基坑開挖范圍大，且開挖深淺不一、難度大、周期長等，基坑實(shí)施階段的進(jìn)度管理成為工程按時交付的關(guān)鍵[2]。調(diào)查表明，大部分大型基礎(chǔ)工程仍采用傳統(tǒng)進(jìn)度管理模式，進(jìn)度跟蹤分析困難，難以實(shí)時跟蹤，將計劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度對比得到進(jìn)度績效指數(shù)SPI系數(shù)，導(dǎo)致進(jìn)度管理缺乏整體性、靈活性等[3]，進(jìn)而影響工程順利實(shí)施。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，BIM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中，通過項目建設(shè)全生命周期信息整合、施工方案分析，有效驗(yàn)證并解決施工部署不合理、SPI<1等弊端，提高施工效率。Ceranic等[4]在一些案例的基礎(chǔ)上，提出將BIM技術(shù)應(yīng)用于項目施工前期選擇更適合、可持續(xù)的施工方案。姚明球等[5]準(zhǔn)確地將三維BIM技術(shù)運(yùn)用在主體施工前期的場地布置與土方開挖階段，合理地組織土方開挖施工，并進(jìn)行現(xiàn)場評估，能較好地支撐后期施工。因此，基坑工程的BIM模型成為研究的重點(diǎn)[6]。基于上述分析，發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)在基坑階段的應(yīng)用已有一定基礎(chǔ)，但在多源BIM模型集成、復(fù)雜深基坑群的可視化開挖方案隨進(jìn)度計劃實(shí)時調(diào)整等方面的難題尚未得到有效解決。

鑒于以上問題，本文基于Project編制進(jìn)度計劃，利用Revit建立BIM模型，然后通過Navisworks對計劃和模型進(jìn)行整合，推演和展示機(jī)場深基坑群施工動態(tài)，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，保證施工流暢，實(shí)現(xiàn)基坑建造進(jìn)度動態(tài)、科學(xué)管控。

1 工程概況

長沙機(jī)場改擴(kuò)建工程項目位于長沙市黃花鎮(zhèn)長沙黃花國際機(jī)場T2航站樓跑道東側(cè)。本次建設(shè)的綜合交通樞紐工程總建筑面積為49.54萬m2，項目由“四類五軌”、GTC和市政配套3部分構(gòu)成?！八念愇遘墶卑ǜ哞F機(jī)場站及機(jī)場東隧道、磁浮T3站、地鐵6號線機(jī)場東站(預(yù)留10號線、S2長瀏城際)，GTC包括綜合交通中心、東(西)停車樓，市政配套含航站樓前高架橋、旅客過夜用房及部分室外工程。長沙機(jī)場綜合交通樞紐工程效果如圖1所示。

圖1 長沙機(jī)場綜合交通樞紐工程效果

2 深基坑群施工重難點(diǎn)

1)本項目基坑地層條件不利于開挖。地質(zhì)勘測報告顯示該項目現(xiàn)場土質(zhì)為泥質(zhì)粉砂巖，常態(tài)下該土體硬度較高，遇水軟化，由于現(xiàn)場風(fēng)化程度、地下水條件及施工天氣不同，機(jī)械開挖效率波動較大，且項目土石方開挖量極大(近400萬m3)，導(dǎo)致整個場地基坑開挖的進(jìn)度管理難度大。

2)“四類五軌”的基坑兩兩相互交匯，并與GTC基坑連接，形成一個異常復(fù)雜的超大型深基坑群。基坑整體東西向最長約1 090m，最短約412m；南北向最長約966m，最短約389m，基坑群總面積約為23.6萬m2，相當(dāng)于33個足球場大小。各基坑開挖深度不同，基坑坡度變化頻繁，陰陽角較多，其中GTC基坑最深處為-14.600m，地鐵最深為-21.580m、磁懸浮最深為-31.800m，高鐵最深為-38.465m，采用的基坑支護(hù)形式多達(dá)6種，包括混凝土素噴、混凝土網(wǎng)噴、懸臂排樁、樁錨外支撐支護(hù)、排樁與混凝土內(nèi)撐組合式支護(hù)及排樁與混凝土內(nèi)撐、鋼內(nèi)撐組合式支護(hù)，堪稱深基坑支護(hù)工程的博物館。

由于該項目深基坑群具備上述特點(diǎn)，且其由不同單位組成聯(lián)合體進(jìn)行施工。各單位施工范圍相互連接重疊，無明顯分界標(biāo)志，開挖界面劃分復(fù)雜；由于各單位節(jié)點(diǎn)要求和施工部署不同，存在同時進(jìn)行基坑施工的現(xiàn)象，導(dǎo)致開挖配合困難。因此，基坑施工階段的進(jìn)度計劃管理存在策劃推演效率低、進(jìn)度分析跟蹤困難、多單位進(jìn)度計劃整合困難、進(jìn)度計劃調(diào)整工作量大等難題。

3 基于BIM的基坑階段4D進(jìn)度模擬應(yīng)用

施工前，各分包單位大多根據(jù)預(yù)估土方量進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算，從而編制本單位基坑施工的進(jìn)度計劃，隨后由總包單位根據(jù)各分包單位編制的進(jìn)度計劃進(jìn)行整合，形成基坑階段施工總進(jìn)度計劃。由于傳統(tǒng)進(jìn)度管理方式中多單位溝通協(xié)調(diào)困難，易導(dǎo)致交叉區(qū)域開挖計劃存在沖突，不能滿足各單位間工作面移交與反移交要求。為保證土方開挖順利實(shí)施，往往需反復(fù)調(diào)整多單位協(xié)作的大型基坑開挖方案，工作量大，工作效率低。

基于上述困難，將基于BIM的4D動態(tài)進(jìn)度模擬技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜深基坑群的進(jìn)度管理中。基坑4D進(jìn)度模擬是將復(fù)雜基坑群的高精度靜態(tài)三維模型與可調(diào)整的時間維度方程結(jié)合，形成在三維空間+一維時間的4個維度上均自由運(yùn)動的可視化模型動態(tài)推演技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的進(jìn)度分析方法，基于BIM的4D動態(tài)進(jìn)度模擬技術(shù)將不同進(jìn)度計劃對比結(jié)果可視化，幫助施工管理人員更直觀、清楚地掌握施工進(jìn)度偏差情況，同時根據(jù)BIM模型中工程量、成本等信息，更快速準(zhǔn)確地推算出資源協(xié)調(diào)所需費(fèi)用及工程成本間的偏差，實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度全方位仿真分析。

本項目的復(fù)雜深基坑群4D進(jìn)度模擬嚴(yán)格遵循“PDCA”的管理模式，通過現(xiàn)場實(shí)際施工與“BIM+”的虛實(shí)結(jié)合有效保障基坑開挖的時效性及準(zhǔn)確性，進(jìn)而使其滿足甚至優(yōu)于施工總控進(jìn)度。具體實(shí)施流程如圖2所示。

圖2 4D進(jìn)度模擬流程

3.1 進(jìn)度計劃編制與整合

根據(jù)施工部署，將本項目施工內(nèi)容劃分為5個工區(qū)、199個施工段，區(qū)段劃分如表1所示。

表1 區(qū)段劃分

為確保后續(xù)進(jìn)度模擬時BIM模型能準(zhǔn)確反映進(jìn)度計劃，需嚴(yán)格根據(jù)項目區(qū)段劃分命名，并科學(xué)合理地編制各區(qū)段的進(jìn)度計劃。各分包單位參考己方工區(qū)的基坑工程量，本單位人、材、機(jī)的消耗水平等相關(guān)資料，使用進(jìn)度計劃軟件編制出各工區(qū)的初步施工進(jìn)度計劃，將各分包單位的基坑施工進(jìn)度計劃導(dǎo)出為.CSV格式文件，在Project2019軟件中進(jìn)行整合，并以橫道圖的形式表現(xiàn)。

3.2 基坑模型建立與整合

編制進(jìn)度計劃的同時，由BIM小組根據(jù)設(shè)計圖紙建立基坑模型。為提高后期4D進(jìn)度模擬推演工作效率，統(tǒng)一采用Revit2019作為建模軟件，建模時以相對標(biāo)高59.300m為基準(zhǔn)標(biāo)高，(x，y)=(96 910.747，74 042.420)為建?；鶞?zhǔn)點(diǎn)，分別建立不同區(qū)域模型。為區(qū)分不同單位間的土體施工，分別用不同顏色土體表示不同開挖區(qū)域土體材質(zhì)，且在建模的同時將其土體與進(jìn)度計劃編制的開挖土體分區(qū)、開挖深度和命名統(tǒng)一。

各區(qū)域模型建立完成后，利用Revit軟件中的模型鏈接整合各工區(qū)基坑模型的建模基準(zhǔn)點(diǎn)，將整合后的基坑模型輸出為BIM應(yīng)用類軟件支持進(jìn)度模擬的.NWC格式文件。各基坑Revit模型如圖3所示。

圖3 各基坑Revit模型

3.3 基坑模型導(dǎo)入及4D參數(shù)設(shè)置

Navisworks是一款三維模型可視化軟件，可對BIM模型后期進(jìn)行輕量化處理與整合。4D進(jìn)度模擬前，需將已輸出的.NWC模型文件與整合完成.CSV 進(jìn)度計劃文件作為數(shù)據(jù)源一并導(dǎo)入Navisworks2019軟件。

由于開挖土塊分區(qū)命名與進(jìn)度計劃文件命名相匹配，在Navisworks中可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件與計劃自動匹配掛接。自動掛接完畢后，對掛接后的文件關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行校核，并對其他任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抽查校核，抽查比例為5∶1，校核完畢后如存在掛接區(qū)域與進(jìn)度計劃命名不匹配的情況，應(yīng)對應(yīng)進(jìn)行手動調(diào)整，使開挖土體與進(jìn)度計劃中命名完全匹配。

完成掛接校核后，設(shè)置4D演示參數(shù)，針對構(gòu)造(計劃開挖)外觀、拆除(正在開挖)外觀、偏差部位分別設(shè)置不同的顏色(紅色為正在開挖，綠色為預(yù)計開挖，橘黃色為進(jìn)度計劃沖突區(qū)段的警示色)。

3.4 總進(jìn)度計劃的4D模擬及調(diào)整

完成上述操作后，對基坑施工進(jìn)行4D進(jìn)度模擬。模擬完成后可導(dǎo)出演示動畫，此動畫包含全部工區(qū)的基坑進(jìn)度計劃推演，生成動畫時長可根據(jù)管理人員的需求進(jìn)行調(diào)整；動畫演示過程中，如對某節(jié)點(diǎn)有疑問，視頻可回溯至該節(jié)點(diǎn)暫停查看，便于進(jìn)行詳細(xì)的分析研究。根據(jù)演示動畫可直觀地發(fā)現(xiàn)和分析不同分包單位間的計劃沖突，具體表現(xiàn)為各分包單位在基坑施工時如有計劃時間上的沖突，該施工段土方將會顯示為橘黃色，對橘黃色區(qū)域進(jìn)行工期及資源配置的調(diào)整優(yōu)化，直至計劃沖突消除。

以西停車樓區(qū)域?yàn)槔邮┕?D進(jìn)度演示如圖4所示。

圖4 土方開挖演示

以本項目地鐵與磁懸浮交叉區(qū)為例，通過4D進(jìn)度模擬發(fā)現(xiàn)，地鐵開挖作業(yè)前，磁懸浮基坑已開始開挖，存在邏輯沖突，地鐵與磁懸浮交叉區(qū)位置如圖5所示。查詢進(jìn)度計劃發(fā)現(xiàn)，磁懸浮施工隊伍于2021年11月20日開始交叉區(qū)基坑施工，2022年1月10日完成；地鐵施工隊伍于2021年12月10日開始交叉區(qū)基坑施工，于2022年2月21日完成。

圖5 地鐵與磁懸浮交叉區(qū)位置

根據(jù)施工組織設(shè)計，地鐵基坑深21.58m，磁懸浮基坑深31.8m，其交叉區(qū)土方需開挖至地鐵設(shè)計坑底標(biāo)高后，再開挖至磁懸浮基坑設(shè)計坑底標(biāo)高。因此，確認(rèn)地鐵與磁懸浮交叉區(qū)進(jìn)度計劃安排存在問題，需調(diào)整。據(jù)此召集各相關(guān)負(fù)責(zé)人對后續(xù)開挖作業(yè)的時間和資源重新進(jìn)行整體優(yōu)化，調(diào)整后得到的新進(jìn)度計劃使開挖作業(yè)銜接更科學(xué)合理。

4D進(jìn)度模擬能更直觀地對進(jìn)度計劃編制進(jìn)行推演，可有效避免用傳統(tǒng)的Project編制進(jìn)度計劃在大型項目中因作業(yè)面多、管理復(fù)雜、進(jìn)度計劃信息量大而難以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)度計劃沖突的短板，對存在計劃沖突的施工段進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，有效避免施工過程中工期延誤、資源浪費(fèi)情況出現(xiàn)，從而滿足總控計劃要求。

3.5 基坑實(shí)際施工的4D模擬及對比

通過4D進(jìn)度模擬完成總計劃進(jìn)度的整合與調(diào)整后，定期將現(xiàn)場的實(shí)際施工進(jìn)度參數(shù)輸入4D進(jìn)度模型，與計劃進(jìn)度進(jìn)行可視化對比分析，及時發(fā)現(xiàn)偏差部位，并進(jìn)行糾偏。

現(xiàn)場管理人員通過現(xiàn)場進(jìn)度檢查，準(zhǔn)確掌握基坑開挖的實(shí)際進(jìn)度，并記錄現(xiàn)場實(shí)際施工開始時間與結(jié)束時間，然后在原有模型基礎(chǔ)上添加實(shí)際施工時間與結(jié)束時間，在整個過程中對模型進(jìn)行定期更新，形成實(shí)際與計劃進(jìn)度的對比演示動畫。該演示動畫可直觀地對比分析實(shí)際進(jìn)度與計劃進(jìn)度，軟件將對實(shí)際進(jìn)度與計劃進(jìn)度存在偏差的區(qū)域進(jìn)行提示，即在偏差區(qū)域出現(xiàn)警示色。

管理人員需針對天氣、現(xiàn)場施工條件、資源配置、管理力度等因素對警示的偏差區(qū)域進(jìn)行分析，并及時糾偏，在調(diào)整后的進(jìn)度模型中重新模擬開挖，直至滿足進(jìn)度要求。以本項目GTC工區(qū)的西2-2單元施工區(qū)域?yàn)槔?D進(jìn)度模擬后結(jié)果如表2所示。

表2 GTC工區(qū)的西2-2單元施工進(jìn)度對比

針對GTC工區(qū)的西2-2單元出現(xiàn)計劃偏差分析工期滯后與開挖期限延長的原因，最終得出結(jié)論為：因管理力度不夠，在西2-2區(qū)域開挖前存在大量積水未及時處理，積水清理后現(xiàn)場方可進(jìn)行施工作業(yè)，導(dǎo)致工期滯后3d；在基坑施工期間出現(xiàn)2d小雨，影響了施工效率，比正常計劃每天少出土約 5.3萬m3，以及資源配置方面作業(yè)車輛不足等原因，導(dǎo)致該區(qū)域工期延長3d。對開挖不滿足計劃的施工區(qū)域進(jìn)行糾偏，采取增加施工機(jī)械、延長施工時間、優(yōu)化開挖方案等措施，直至滿足進(jìn)度總控要求，不影響后續(xù)施工。

4 基于BIM的基坑階段進(jìn)度管理效益評價

本項目通過BIM+進(jìn)度計劃進(jìn)行4D模擬演示基坑開挖全過程，從問題的發(fā)現(xiàn)到解決，從計劃的推演到現(xiàn)場實(shí)施，多維度考慮。項目開工至今，每月開展進(jìn)度推演，共計12次，發(fā)現(xiàn)進(jìn)度編排及資源配置問題80余處，其中，包括地鐵與高鐵交叉區(qū)移交、地鐵與磁懸浮交叉區(qū)移交、關(guān)鍵塔式起重機(jī)安裝、綜合交通中心壓覆區(qū)域土方開挖、三線并行區(qū)開挖、停車樓地下室完成6處關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)時間的動態(tài)優(yōu)化。通過4D進(jìn)度模擬制定完成的總進(jìn)度計劃，相較于原進(jìn)度計劃為項目縮短工期約26d。通過4D進(jìn)度模擬實(shí)時管控現(xiàn)場進(jìn)度推進(jìn)，使本項目基坑工程實(shí)際完成時間比總進(jìn)度計劃提前約16d，總計共為項目縮短工期42d?？紤]施工過程中人力及施工機(jī)械支出的資源配置，如表3所示。

表3 資源配置

5 結(jié)語

以超大深基坑群工程特點(diǎn)為立足點(diǎn)，選取適宜的BIM建模軟件，構(gòu)建深基坑高精度模型[7]，與BIM應(yīng)用類軟件相結(jié)合，結(jié)合工程實(shí)例，實(shí)現(xiàn)深基坑群的施工可視化進(jìn)度模擬和實(shí)時漫游，相對于傳統(tǒng)的進(jìn)度管理方法，4D進(jìn)度模擬可在策劃階段對基坑施工計劃進(jìn)行科學(xué)的分析和論證，避免了不合理進(jìn)度計劃造成的工期延誤和資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了在超大深基坑中施工方對進(jìn)度的有效管控、資源配置的科學(xué)化管理。同時，利用BIM技術(shù)提升深基坑工程施工進(jìn)度管理的科學(xué)性、有效性，為復(fù)雜深基坑群的施工管理提供有效參考。