基于BIM技術(shù)的深基坑工程施工運(yùn)用分析

王 佳

山西三建集團(tuán)有限公司 山西 長治 046000

在城市化建設(shè)進(jìn)程不斷推進(jìn)的背景下，高層及超高層建筑數(shù)量增多，基坑深度也越來越深。為了提高建筑工程的穩(wěn)定性、安全性，就要充分利用BIM技術(shù)，以解決深基坑施工中的問題，協(xié)調(diào)建筑工程和周圍環(huán)境的關(guān)系，提高工程的整體質(zhì)量。另外，在BIM技術(shù)的輔助下，可根據(jù)工程特征建立三維立體模型，以確保工程質(zhì)量為前提，校核并優(yōu)化施工方案，為相關(guān)工程的施工提供指導(dǎo)，提升施工管理水平。現(xiàn)結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，就BIM技術(shù)在深基坑工程中的應(yīng)用展開探討。

1 工程案例

某工程有1棟38層、2棟42層高層住宅，建筑總面積11.3萬m2。本工程中，有地下室3層，基坑坑底最深處標(biāo)高21.4m，開挖深度約13.9m，基坑面積4310m2。在基坑開挖深度內(nèi)，有中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、素填土，基底處于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中。基坑南北兩側(cè)均臨近道路，安全等級(jí)1級(jí)，重要系數(shù)1.1；東西側(cè)安全等級(jí)2級(jí)，重要系數(shù)1.0。基坑施工中，以旋挖樁為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁型800@1100旋挖樁，排水方式為明溝排水。

施工重難點(diǎn)：①本工程有3層地下室，基坑內(nèi)有格構(gòu)柱換撐體系，和結(jié)構(gòu)樓板的連接施工、底板防滲漏、土方開挖等是施工重難點(diǎn)。②支護(hù)樁和板邊緣相互重疊，此處施工面積狹小，增加基礎(chǔ)施工的難度。③地下室底板面積大，集水井、電梯井土方開挖是安全管理難點(diǎn)。為保證施工質(zhì)量和安全需求，采用BIM技術(shù)，前期策劃考慮結(jié)構(gòu)是否合理，進(jìn)行三維模型構(gòu)建、優(yōu)化設(shè)計(jì)、模擬等，并在施工過程中展開安全監(jiān)測。

2 BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)是一種基于三維數(shù)字技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字化模型的技術(shù)形式，是指運(yùn)用三維技術(shù)和軟件，根據(jù)工程特征和各構(gòu)件的關(guān)系，構(gòu)建具有高仿真度的建筑模型，使其以立體、直觀的形式呈現(xiàn)出來。在三維模型中，工程全部信息都被納入其中，包括施工設(shè)計(jì)、管理、運(yùn)營管理等，貫穿工程全生命周期，對(duì)提升工程管理效果、提高建筑質(zhì)量具有重要意義[1]。此外，運(yùn)用BIM技術(shù)能從多個(gè)角度和層面進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，具有極高的信息集成性；明確各環(huán)節(jié)間的關(guān)系，便于進(jìn)行碰撞檢驗(yàn)，避免各工序的相互沖突，強(qiáng)化工程的協(xié)同管理；基于某一環(huán)節(jié)的變化調(diào)整施工方案，增強(qiáng)各環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享，方便各參與主體對(duì)接溝通；在高度仿真可視化條件下，可跨越人腦思想的局限預(yù)演施工方案。同時(shí)，基于施工組織設(shè)計(jì)對(duì)施工過程進(jìn)行模擬，保證施工方案的合理性。

3 BIM技術(shù)在深基坑工程的運(yùn)用

3.1 BIM技術(shù)的應(yīng)用流程

BIM技術(shù)在深基坑工程中的應(yīng)用流程見下圖1。

圖1 BIM技術(shù)在深基坑工程中的應(yīng)用流程

3.2 BIM技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

3.2.1 施工前勘察

在深基坑工程施工前，對(duì)施工環(huán)境、地質(zhì)水文條件進(jìn)行全方位的勘察是一項(xiàng)必要且重要的工作。通過對(duì)施工現(xiàn)場環(huán)境、水文地質(zhì)的調(diào)查，判斷地貌情況，了解其是否經(jīng)過人工回填改造處理；測量施工場地穩(wěn)定水位的埋深，明確其標(biāo)高。若地下水來自降水補(bǔ)給，提示地表水年度變化介于1m-2m，且含水層間相互連通。在獲得工程相關(guān)信息后，結(jié)合工程特征和要求，對(duì)不同施工方案進(jìn)行比較，從中選擇最合適的一種。后借助BIM技術(shù)建立環(huán)境模型，使施工環(huán)境特征更加直觀、全面的顯示出來。在此基礎(chǔ)上，對(duì)環(huán)境模型進(jìn)行分析、計(jì)算，選擇最優(yōu)方案。需要注意的是，環(huán)境模型要包含地下管線分布、地形地質(zhì)、周圍環(huán)境等內(nèi)容，才能保證環(huán)境模型的適用性。

3.2.2 構(gòu)建三維可視模型

在環(huán)境模型構(gòu)建完成后，需全面考慮模型所包含的信息，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三維可視模型，確保深基坑結(jié)構(gòu)的科學(xué)性，充分發(fā)揮出深基坑的支護(hù)作用。一般來講，在深基坑施工過程中，由于各因素影響導(dǎo)致實(shí)際施工和設(shè)計(jì)方案存在偏差，所以必須充分運(yùn)用BIM技術(shù)建立三維模型，此時(shí)各工序和構(gòu)件關(guān)系一目了然[2]。如果施工過程中出現(xiàn)不足或變動(dòng)，通過該模擬展開模擬可優(yōu)化施工方案，提高方案設(shè)計(jì)的有效性。另外，經(jīng)BIM技術(shù)的可視化功能實(shí)時(shí)監(jiān)測工程，并科學(xué)設(shè)置臨界預(yù)警值，當(dāng)模型發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超出規(guī)定值后自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控的效果，確保深基坑施工安全。本工程中，深基坑監(jiān)測內(nèi)容和預(yù)警值見下表1。

表1 深基坑監(jiān)測內(nèi)容和預(yù)警值

3.2.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化和圖紙會(huì)審

（1）設(shè)計(jì)優(yōu)化。在深基坑結(jié)構(gòu)階段的優(yōu)化，通過施工前勘察資料的整合、模型建立、數(shù)據(jù)分析，幫助相關(guān)人員了解工程情況，深化地質(zhì)參數(shù)，設(shè)計(jì)施工方案，方便相關(guān)人員了解設(shè)計(jì)想法。在方案設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，通過施工場地的布置、模型的應(yīng)用，對(duì)模型中的土方展開分析，劃分開挖區(qū)域，根據(jù)開挖量、高程的區(qū)別，將基坑劃分為3個(gè)區(qū)域，然后再開挖土方。同時(shí)，參照不同的開挖作業(yè)優(yōu)化運(yùn)輸線路，經(jīng)三維模型展示施工現(xiàn)場內(nèi)的道路及開挖前后的基坑面貌[3]。（2）圖紙會(huì)審。基于BIM模型對(duì)深基坑工程進(jìn)行三維查看、圖紙輸出，并核查結(jié)構(gòu)圖紙、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、監(jiān)測點(diǎn)位布置等，輔助圖紙會(huì)審。發(fā)現(xiàn)圖紙和實(shí)際有出入后，安排人員到現(xiàn)場勘察、審核，為施工圖紙的優(yōu)化調(diào)整提供參考。

3.2.4 技術(shù)交底

深基坑施工涉及眾多工序，為了保證施工質(zhì)量，對(duì)關(guān)鍵工序、重要部位采用基于BIM模型的技術(shù)交底。具體包括：（1）格構(gòu)柱調(diào)垂。在工程逆作施工區(qū)，實(shí)施“一柱一樁”支撐體系，采用于格構(gòu)柱內(nèi)插入鋼筋混凝土立柱樁支撐系統(tǒng)（豎向）。在格構(gòu)柱施工過程中，運(yùn)用氣囊法調(diào)垂處理，此工藝屬于隱蔽工程，再加上格構(gòu)柱是整個(gè)工程主要的承重構(gòu)件，故需嚴(yán)格把控其的制作和安裝；構(gòu)建格構(gòu)柱調(diào)垂模型，細(xì)度LOD300，包含氣囊調(diào)垂設(shè)備、鋼筋籠，經(jīng)模型介紹氣囊法的工作原理和組成部分[4]。（2）梁柱節(jié)點(diǎn)處理。“一柱一樁”支撐體系是永久結(jié)構(gòu)柱，位于上部梁柱節(jié)點(diǎn)的梁鋼筋需穿過鋼立柱，因此其節(jié)點(diǎn)處理比較復(fù)雜。本工程中，格構(gòu)柱橫截面（外緣）400×400，框架梁界面500×1100、800×1100，框架梁縱筋間距也比較大，擬采用鉆孔鋼筋連接法對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。（3）后澆帶細(xì)部構(gòu)造。深基坑施工作業(yè)面大，需要在多處設(shè)置后澆帶，尤其是順逆、逆作區(qū)結(jié)合處。基于此，需構(gòu)建LOD400級(jí)后澆帶模型，并在模型內(nèi)納入材料信息、施工工藝，運(yùn)用BIM模型逐一展示后澆帶細(xì)部構(gòu)建。實(shí)際施工中，為了能夠均勻傳遞后澆帶受力，于基坑西側(cè)后澆帶添加工字鋼作傳力桿件，提高結(jié)構(gòu)受力的整體性。

3.2.5 施工模擬

（1）基于優(yōu)化方案和工程模型，相關(guān)人員只需使用Revit軟件即可達(dá)到深化施工場地布置的效果，關(guān)鍵內(nèi)容有：基坑分區(qū)開挖、土方運(yùn)輸?shù)取Ｐ枰⒁猓^程中不能只關(guān)注工作開展，還要檢查是否符合要求，若發(fā)現(xiàn)和要求不符的地方，需重新設(shè)置，以免影響后續(xù)工作的開展。（2）結(jié)合專項(xiàng)施工方案進(jìn)行施工模擬，嚴(yán)格把控施工進(jìn)度。在施工場地布置完成后，在相應(yīng)軟件內(nèi)導(dǎo)入模型，輔以漫游技術(shù)觀察施工情況及對(duì)周圍環(huán)境的影響。漫游技術(shù)的應(yīng)用，不僅能把握地下管線、建筑結(jié)構(gòu)的影響，還能預(yù)測工程竣工后的效果，比較適用于不同方案的比較。對(duì)于不合理的地方，及時(shí)制定整改措施，原則上是合理調(diào)整施工工藝和作業(yè)面，以便提高施工效率和工程質(zhì)量。

以土方開挖為例，受周圍環(huán)境、支撐體系、施工場地等方面的限制，土方開挖是前期基坑設(shè)計(jì)需要關(guān)注的重點(diǎn)，如開挖順序、車道設(shè)計(jì)等。前期對(duì)施工場地進(jìn)行勘察，由于本工程基坑開挖深度較深，底板面積大，采取盆式開挖法，分區(qū)域、分層開挖；基于三維模型，模擬不同施工階段的工況，直觀展現(xiàn)施工方案，提高各工序的溝通效率；基于BIM模型、圍護(hù)體系，結(jié)合各階段的施工工序，通過擺放施工設(shè)備、模擬車輛行進(jìn)路線等，來了解施工現(xiàn)場的機(jī)械使用情況。

3.2.6 施工安全監(jiān)測

本工程基坑開挖深度在10m以上，是一項(xiàng)危險(xiǎn)性較大的工程。基坑工程不可預(yù)見性多，設(shè)計(jì)、施工首先考慮的問題是確保基坑和周圍環(huán)境安全，基于BIM技術(shù)的參數(shù)信息化、協(xié)同性等特征，不僅能快速識(shí)別基坑施工中的危險(xiǎn)點(diǎn)、敏感點(diǎn)，還能清晰直觀的展示出基坑變形情況，從而有效防范安全事故的發(fā)生[5]。在施工安全監(jiān)測中，要做好以下幾點(diǎn)：（1）布置監(jiān)測點(diǎn)位。按照監(jiān)測要求和設(shè)備類型建立監(jiān)測點(diǎn)位模型，運(yùn)用模型布置監(jiān)測點(diǎn)位、傳感器，經(jīng)第三方軟件上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)和結(jié)果，監(jiān)測系統(tǒng)整合后再將數(shù)據(jù)上傳至Revit模型，以直觀的形式完整展示監(jiān)測過程。（2）采集數(shù)據(jù)和整合。定時(shí)或不定時(shí)的采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過傳感器傳至第三方，經(jīng)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，形成完整的數(shù)據(jù)結(jié)論。（3）和BIM模型關(guān)聯(lián)。通過對(duì)基坑位移、建筑物沉降、地下水等監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)Revit軟件進(jìn)行二次開發(fā)，和三維模型顏色相關(guān)聯(lián)，運(yùn)用三維可視化功能直觀反映安全預(yù)警的區(qū)域。對(duì)于監(jiān)測點(diǎn)位，在Revit軟件內(nèi)單獨(dú)增設(shè)參數(shù)，設(shè)置警報(bào)值，在范圍內(nèi)為綠色，超出范圍為紅色，并設(shè)置預(yù)警提示。

對(duì)于深基坑工程而言，只有全方位的監(jiān)測支護(hù)結(jié)構(gòu)、周圍土體等，才能全面把控工程施工對(duì)周圍環(huán)境的影響、工程安全性，同時(shí)也能在出現(xiàn)問題后做出反饋，并基于實(shí)際情況對(duì)相關(guān)參數(shù)、施工工藝進(jìn)行調(diào)整，以此來保證深基坑施工安全順利的進(jìn)行。

3.3 BIM技術(shù)的應(yīng)用效果

在深基坑工程施工中，BIM技術(shù)的應(yīng)用具有顯著成效，主要表現(xiàn)為：（1）通過BIM模型優(yōu)化場地布置，保證材料區(qū)、設(shè)備選址的合理性，防止因場地布置不合理影響施工進(jìn)度。（2）對(duì)于難以把控的施工環(huán)節(jié)進(jìn)行模型展示，有助于相關(guān)人員了解設(shè)計(jì)意圖，防止因盲目施工頻繁出錯(cuò)，引發(fā)質(zhì)量問題[6]。（3）對(duì)施工過程進(jìn)行模擬，能夠了解各工序的施工情況，避免管理人員錯(cuò)誤估算施工情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工進(jìn)度的預(yù)測與把控。在本工程中，通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，不僅保障了深基坑工程的施工質(zhì)量，還獲得了良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，至少節(jié)約了65萬元的成本。

4 結(jié)語

綜上所述，BIM技術(shù)在深基坑工程中具有顯著優(yōu)勢，市場前景廣闊。本文通過上述分析，得出以下結(jié)論：（1）BIM技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠完整的勾畫工程落實(shí)流程，同時(shí)也能分析、存儲(chǔ)各階段的數(shù)據(jù)信息，形成完整的數(shù)據(jù)庫，方便日后調(diào)用。（2）通過前期勘察、模型構(gòu)建、設(shè)計(jì)優(yōu)化和圖紙會(huì)審等，能夠充分發(fā)揮出BIM技術(shù)的作用，為深基坑工程的順利施工提供指引。（3）目前，BIM技術(shù)日益成熟，本文BIM技術(shù)應(yīng)用只是基本的功能嘗試，還存在一些問題，全方位、全過程的BIM技術(shù)應(yīng)用有待深化。