BIM技術在深基坑施工中的應用

馬 驥 （蕪湖市建昌工程質量檢測中心有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

隨著我國城市建設的不斷發展，高層建筑建造和地下空間開發也在不斷擴大，特別是開挖深度和工程規模呈增長趨勢，大部分深基坑建設主要集中在建筑和人口密集的城市區域[1-3]。由于深基坑工程施工場地小、施工環境復雜，人們越來越關注如何優化設計深基坑的支護，降低基坑施工過程中對場地環境和既有建筑物的影響，并以此提高深基坑的施工質量[4]。

深基坑工程是一項重要的綜合性系統工程，具有涉及專業廣、施工條件復雜、地質條件及施工現場影響大的特點[5]。因此，深基坑工程必須科學地規劃設計并建造合理的施工組織和健全的質量體系來確保工程有序開展[6]。BIM（Build Information Modal）技術用工程設計和施工管理的數字化平臺將參數化模型與項目工程建設相關的各種信息高度集成，可用于項目設計和施工管理[7-8]。近年來，在深基坑施工過程中BIM 技術的使用率逐漸上升，特別是設計階段的碰撞檢查、施工圖設計和成本控制等方面[9-10]。BIM 技術的運用可以協助項目工程人員對其全生命周期的管理，例如施工深化指導、施工進度跟進和工程量的控制等。

1 BIM技術概述

BIM 技術的應用是基于三維可視化數字技術，通過建立和使用可視化模型，對項目的設計、施工和運維進行全過程管理。使用3D 軟件工具創建完整的項目數字模型，并可以在模型中添加項目建設的詳細信息。BIM 技術的主要特點包括以下三方面內容。

①信息集成度高

BIM 技術的核心是利用數字化技術構建工程項目的三維模型數據庫，當設計人員在進行項目設計時，可以直接從數據庫中提取項目相關的設計信息。這種設計方法不同于傳統的二維設計模式，設計人員可以通過BIM 模型快速方便地得到建筑的真實信息，包括建筑內各構件的幾何尺寸、空間關系和受力特點等相關參數。最重要的是項目設計人員還可以對項目的所有復雜建筑構造進行三維深化設計，相較于傳統的二維圖紙設計具備很大優勢。

②專業協同強

BIM 技術為項目施工過程中涉及的各方構建同步協調平臺，建設單位、設計單位、施工單位、監理單位等可以通過平臺及時溝通項目建設過程中的相關信息，提高工作效率和工程質量。在項目建設中，可以對結構、管道等系統進行碰撞檢查。

③信息模型與項目相關性

BIM 的基本特征之一是在建模過程中保持信息模型和項目的相關性。當項目建設出現任何變更時，通過BIM 技術反映到三維模型，便于工程人員的審查和變更，項目建設人員工程師不需要逐一處理圖紙。信息集成能夠在最短的時間內傳遞給相關專業的技術人員，從而節省了人力、降低了成本、提高了工作效率。

近年來，國內外的BIM 技術主要應用于建筑結構領域，關于地下工程的應用較少，基本局限于地鐵站的設計和施工，主要內容為管道綜合碰撞檢查和施工過程仿真。為了滿足工程建設的需要，需研究BIM 技術在深基坑工程初步勘察、方案設計、施工管理等方面的深入應用，充分發揮BIM 技術三維可視化、協同工作、深化設計和資源共享的優勢。

2 深基坑施工中存在的問題

2.1 施工與設計偏差

在工程項目的建設過程中，一些施工單位的施工技術人員由于未能準確理解施工圖設計，常常出現施工單位不按圖紙施工甚至是偷工減料的現象。在深基坑作業過程中，施工人員在地面以下進行復雜節點的施工，并且未遵循圖紙設計，將給項目整體帶來問題。

2.2 各專業工作不協調

隨著項目深基坑施工作業的開展，項目所需要的人力、物力呈不斷上升趨勢，導致項目管理人員難以協調各方工作。特別是關于深基坑的開挖與支護環節，在傳統深基坑施工作業中，深基坑的開挖施工作業與基坑支護需要同步進行。雖然兩項工作同步進行能夠提高工作效率、保證施工的安全性且有利于利用人力資源，但是在實際工作中，深基坑的開挖和支護常常出現不協調的情況，造成深基坑施工進度滯后，甚至是當深基坑作業完工后，邊坡支護不能滿足工程建設需要。

2.3 材料控制難度高

在深基坑施工的不同環節中，需要采購的建筑材料種類多、用料大，建筑材料的質量對深基坑工程的整體質量至關重要，以下是深基坑施工材料的管理難點。

①施工進度與材料供應混亂

當深基坑施工現場管理人員為了趕工期或缺乏施工經驗時，沒有嚴格按照施工計劃施工并及時做好材料供應，導致出現材料剩余積壓的問題，影響深基坑現場施工，不僅浪費項目人力、物力，還影響工期。

②材料供應順序錯誤

當深基坑現場施工管理對各個施工環節的施工材料順序把握存在偏差時，就會出現上一項工序完成，但下一項工序該投入使用的材料沒有到達施工現場的問題。

3 BIM技術在深基坑中的應用

本文研究項目為某辦公樓設計，項目基坑北側靠近高層建筑，南側靠近地鐵隧道。因此，項目設計較為困難，基礎基坑總面積大，對設計精度要求較高，采用BIM 技術進行設計和研究，基于Revit軟件平臺設計了辦公樓的結構模型，模型如圖1所示。

圖1 某辦公樓BIM結構模型

3.1 節點設計

深基坑施工相較于其他建筑主體施工，具有施工工藝復雜、施工條件差、危險系數高的特點。豎向構件和水平構件交叉設計導致施工作業產生諸多問題。在傳統施工作業中，深基坑復雜節點可以利用二維平面圖紙表達，但是利用二維圖紙難以表達深基坑中節點的外形尺寸和構造特征，造成施工人員不能按照圖紙設計準確施工，給項目工程建設帶來極大損失。然而，BIM 技術的出現可以解決現有深基坑施工中存在的問題，BIM 技術在基坑設計中對常規構件（如樁、墻、支架等）的三維設計方面具有優勢。在設計環節，利用BIM 軟件將這些復雜的節點經過參數化設計生成一個新的族。族文件類似于CAD 中的塊文件，族文件能夠在模型中任意更改。同時，通過調整參數進行快速修改，可以計算不同條件下所需材料用量。此外，在施工過程中，借助BIM 技術，施工人員可以通過三維可視化提前了解深基坑施工的全部細節，理解項目設計人員的設計方案。在深基坑的施工過程中，利用深基坑的BIM 模型及時糾正施工中的錯誤。利用BIM 技術可以解決深基坑復雜節點設計和施工中存在的問題，大大節省人力和物力，便于施工管理和成本控制。

圖2 樁基參數化族

圖3 雨棚結構模型

3.2 碰撞檢查

碰撞檢查是BIM 技術最成熟的應用之一，高層和超高層建筑存在大量復雜管道，需要解決管道或梁柱碰撞問題。但在深基坑的垂直支護結構中，存在著大量的直立立柱樁。通過BIM 模型，立柱樁與地下結構之間的空間關系可以更直觀地反饋給設計者和深基坑的施工作業人員。使用BIM 軟件構建深基坑BIM 模型，在各環節施工前進行構件、管線間的碰撞模擬，及時利用BIM 模型找出碰撞位置，優化深基坑施工設計。因此，BIM 技術加強了項目各專業間設計信息的傳遞，提高了項目的設計和施工質量。

3.3 施工模擬

深基坑施工從整個環節上來看，呈現一個動態的施工過程。隨著項目的推進和工序的開展，深基坑項目的體量和復雜程度逐漸上升，給深基坑項目施工管理人員帶來極大的挑戰。傳統的深基坑施工采用橫道圖表達施工進度，這種表示手段的專業性較強，將會給缺乏工作經驗的項目管理者帶來困難。然而，利用BIM 強大的三維可視化技術，將難以直觀表達的施工環節與現場施工的各個工序聯系起來，幫助項目管理者理清各個環節或工序之間的邏輯關系，動態了解整個深基坑項目的整體工程進度情況。此外，深基坑施工過程難以對工程量和工作量進行準確統計，導致施工現場發生混亂。然而，BIM 技術的應用能夠將項目的所有材料信息錄入BIM 軟件平臺中，采用動態管理的模式對不同環節需要的材料用量進行準確統計，方便深基坑項目管理人員實時調用相關數據，并通過BIM 軟件平臺建立時間和空間信息的4D 模型。4D 模型極大程度地方便項目管理人員把控施工作業中的物料供應以及實現對物料的統一調配管理，這對深基坑的工程質量具有重要意義。

深基坑工程與其他建筑施工工程的最大區別在于土方工程施工。土方開挖方案包括出土位置的布置、土方開挖順序等。深基坑施工由于受到周圍環境、場地或垂直支護系統的限制，在基坑設計時需要考慮土方開挖方案給施工帶來的影響。應用BIM 技術對項目施工全過程進行仿真，能夠充分演示項目各個環節的施工過程，加強各專業溝通，提高工作效率。

圖4 深基坑BIM模型數據庫結構關系

3.4 信息化管理

建立全面的深基坑BIM 模型是深基坑BIM 技術應用的基礎，以BIM 軟件平臺中項目大量數據為支撐，達到深基坑項目建設的全方位信息化管理，幫助項目建設方及各參與方對自身成本、質量及施工進度等目標嚴格把控。開放的信息化管理幫助項目各參與方精準把控施工過程中的各個環節，當深基坑工程出現突發情況時可以立刻調整方案。

在深基坑工程建設中包含大量的隱蔽工程，當工程項目竣工后，深基坑設計和施工過程中的BIM 模型將作為檔案長久保存，建筑使用者可以通過BIM 模型了解深基坑內部節點設計，為建筑后期服役及維護提供技術支持。

4 結論

BIM 技術的興起給傳統建筑行業帶來了一場新的革命，BIM 技術的三維可視化、協同設計、深化設計、施工模擬等優勢，決定了在未來建筑業發展中具有重要地位。然而，取代現有二維設計，實現BIM 技術在深基礎施工中的應用還有很長的路要走。但是，BIM 技術的應用將引領建筑行業從簡單的幾何表示向構建信息模型轉變，并從單一專業向各專業的協同設計轉變，對建筑業的未來發展具有重要意義。