BIM技术结合有限元分析在基坑工程中的运用

唐克

（上海市市政工程建设处，上海市 200025）

BIM技术结合有限元分析在基坑工程中的运用

唐克

（上海市市政工程建设处，上海市 200025）

传统的二维设计方法已经不能满足基坑工程的需求，引入BIM技术并结合有限元分析，既能够发挥BIM技术在可视化等方面的优势，又能运用有限元软件分析支护结构的安全性。将BIM技术引入上海某基坑工程实例，运用CATIA建立BIM基坑支护模型，结合Navisworks进行可视化施工模拟，并运用BIM模型与有限元分析软件ABAQUS结合分析，研究了基坑支护结构的稳定性。工程案例应用表明，BIM技术结合有限元分析，在基坑工程中具有广泛的应用价值。

基坑工程；BIM技术；有限元分析

0 引言

随着我国经济的增长，城市化进程不断加快，逐渐向高空与地下空间发展，基坑的数量、深度均在不断增加[1]。深基坑工程本身具有施工作业空间有限、地质条件复杂、明挖范围大、土方量大及支护结构复杂等特点，而传统的深基坑规划设计及施工管理很大程度上依靠二维CAD设计方式，这种设计方式本身存在表达不完整、不准确等问题[2]，并且使每张设计图纸相对独立。由于没有一个能有效整合所有信息以保证数据完整性的中央信息数据库，这些分散的资料必须依靠专业人员的解读才能相互联系成为一个可理解的整体[3]。随着工程的日益复杂、基坑深度的增加，传统的二维设计方案与施工管理已经不能满足基坑进度、质量、安全等要求。因此，深基坑如何进行合理的支护设计，解决传统二维图纸所存在的问题，保证施工进度，提高基坑工程质量已经引起了人们的高度重视。

建筑信息模型（Building Information Modeling）是以计算机技术为基础，运用三维软件工具，建立包含建筑工程完整信息的数字模型，从而对建筑物的真实信息进行仿真模拟，并进一步对建筑工程的设计、施工、运维等阶段进行指导[4]。建筑信息模型具有五大优点：可视化、协调性、优化性、模拟性、可出图性[5]。

将BIM技术引入到基坑工程，尤其是在设计方案优化、施工过程模拟、工程量计算、碰撞检查等方面发挥其优势，提高建筑信息的集成化程度，使各专业人员进行协同工作，在保证整个基坑工程质量的同时，显著提高规划设计与施工管理的效率。

然而，目前BIM技术各核心软件缺乏与其他建筑行业相关软件的接口，这导致BIM技术的应用仍停留在三维可视化、工程算量、工程项目管理等层面上，难以与岩土方面ABAQUS等有限元软件相结合来验证整体设计方案的安全性。传统的力学分析软件在建模能力上十分薄弱，难以绘制如钢筋、曲面等不规则图形，对于复杂节点也很难建立对应模型进行表示。因此，将BIM技术与有限元软件相结合共同应用于基坑工程中，既能保留BIM技术原有的诸多优势，发挥BIM软件强大的建模功能，又能运用有限元软件来分析支护结构的安全性。

本文基于上海某基坑工程，采用BIM核心建模软件CATIA建立基坑整体模型，采用接口软件导入有限元软件ABAQUS，对基坑支护模型进行有限元分析，验证基坑支护方案的安全性。

1 项目概况

上海某基坑工程占地面积约2 800 m2，周长约234.0 m，拟建商业楼、配套设施用房和地下车库。商业用房地上12层，配套设施用房地上3层、地下2层，采用框架-剪力墙结构体系，桩筏基础。基坑实际挖深9.6 m，基坑支护设计安全等级为一级。支护方案采用钻孔灌注桩+二层混凝土支撑+双头深搅桩止水帷幕，坑内采用管井降水。

2 BIM基坑模型

为了便于与ABAQUS有限元软件进行数据的导入，基坑支护模型采用 BIM核心建模软件Dassault CATIA进行建立。

2.1 CATIA的优越性

CATIA是达索公司旗下的先锋品牌，是世界领先的产品设计和体验解决方案，作为BIM核心建模软件中的一员和PLM协同解决方案的一个重要组成部分，CATIA支持项目从设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部流程，解决用户在工程设计中所遇到的难题。

与其他三维设计软件相比，CATIA的主要优点是：

（1）CATIA提供参数化设计功能，可以实现变量和参数化混合建模。图1为钻孔灌注桩与冠梁搭接示意图。已经定义好两者的相对位置关系，设置构件尺寸参数函数，并将其与草图中的尺寸约束相关联，从而使钻孔灌注桩桩径、桩长、冠梁截面尺寸等参数信息直观地展示在CATIA操作界面上，以便于用户高效地修改构件尺寸、约束等。

图1 CATIA参数化设计

（2）CATIA整体功能强大，可创建任意实体，拥有强大的曲面设计模块。相较于目前建筑行业常用BIM软件Revit，CATIA能够更为方便地绘制出形如曲线、曲面、螺旋等实体构件，能够更为准确地对现场施工进行指导。图2为使用CATIA绘制出的钻孔灌注桩配筋图。

图2 钻孔灌注桩配筋图

（3）CATIA中可以采用骨架驱动的方法来进行模型的建立。骨架驱动[6]的设计方法可以理解为，事先把主体模型中关键的位置关系运用简单的几何元素（如点、线、面）来确定，并且随着整体骨架的改变，模型中部件的相对位置关系也会随之变动，免去了重新进行装配的步骤，这亦是优于Revit的一大功能。

（4）CATIA中零部件与装配体之间具有联动性。CATIA中每个部件均保存为单独的文件，将各个部件根据约束关系事先装配好形成完整的装配体文件，之后若再去修改任意单独零部件尺寸、形状，其发生的变化均会与整个装配体相关联，免去了重新进行装配的繁琐步骤。

2.2 CATIA建立BIM模型

CATIA一直定位于机械设计软件，包含的机械专业相关模块众多，很少用于建筑行业，因此，并没有类似于建筑行业专用软件Revit中自带的如“梁、板、柱”等族文件。CATIA建模步骤主要分为两大块：一个是“part”模块中的零部件的设计，类似于Revit中族文件的建立；另一个是“product”模块中装配体的设计，即将零部件按照约束要求、位置关系装配成设计要求模型。

本次BIM基坑支护模型即采用上述方式，根据设计尺寸要求先建立如“钻孔灌注桩、格构柱、冠梁、围檩”等众多构件，继而根据设计约束要求将这些单独的构件进行空间位置关系的约束，从而形成完整的基坑支护模型。图3为该基坑支护的3D模型与基坑平面图。

图3 基坑支护3D模型与基坑平面图

2.3 BIM基坑支护模型

（1）三维可视化。相较于传统的二维基坑支护设计方案，BIM基坑支护模型在保证原有设计要求的前提下，本着“所见即所得”的原则，将整个基坑支护体系直观、立体的展示在设计方、施工方、业主方面前，并且对于基坑中一些复杂构件、桩梁配筋等问题，传统的二维图纸很难表示清楚，而BIM技术能够很好地解决此类问题。图4为冠梁配筋及格构柱与二维设计对比。

图4 冠梁配筋及格构柱与二维设计对比

（2）基坑支护施工模拟。基坑支护工程现场场地狭小，各项施工交替进行，运用Navisworks软件可以直观、形象地模拟各施工工序的先后顺序，展示各工况之间的衔接情况，指导实际基坑工程施工。运用微软Project软件创建施工进度计划，将该计划导入Navisworks软件中与计划中的任务相关联，结合动画模拟施工（见图5）。施工模拟顺序遵循实际工况：搅拌桩→工程桩→降水井→格构柱→钻孔灌注桩→冠梁及第一道支撑→第一道围檩及第二道支撑。

图5 基坑工程施工模拟

3 有限元计算分析

目前市面上鲜有BIM软件用于岩土专业方向，能够将BIM技术与有限元软件相结合的接口程序亦不多见，并且目前常见的将模型文件转化为通用数据格式导入相关有限元软件的方法很容易造成模型特征的缺失，不利于进一步的分析工作。因此，本项目采用了同为Dassult旗下的两款软件CATIA与ABAQUS。运用CATIA建立BIM基坑支护模型，使用接口软件“ABAQUS for CATIA”将BIM模型无损地导入有限元软件ABAQUS中（见图6），从而进行基坑支护结构的有限元分析，保证设计方案的安全性。

图6 BIM模型导入ABAQUS

3.1 BIM模型处理

ABAQUS中对于材料参数、相互作用、接触关系等问题十分敏感，某一步设置问题将直接影响程序的运行。并且，随着模型的复杂程度的加大、节点的增多，ABAQUS对电脑的配置要求会变得很高，因此需要对模型进行适应性处理。

由于基坑长宽比比较大，且基坑在长度方向的土层分布近似，基坑中部两侧土体侧向压力较大，因此选取模型中对撑部分模拟计算基坑开挖稳定过程。同时，将钢筋等效为同等强度混凝土，视钢筋混凝土结构为整体。根据文献[7，8]揭示规律：开挖面两侧取开挖深度L的1.5～3倍，下边界沿开挖土体向下取2～3倍L作为基坑开挖的影响范围。因此选取模型计算范围为：宽19 m，高为31.4 m，长为86 m。图7为基坑支护有限元计算模型。

3.2 参数设置

本文结合该基坑工程的设计要求和施工工序，采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，各土层参数值见表1。混凝土采用线弹性模型，弹性模量E=30 GPa，泊松比μ=0.2，桩土摩擦系数为0.4。

图7 基坑支护有限元计算模型

表1 土层参数及力学指标

3.3 施工过程模拟

ABAQUS是通过分析步实现施工过程模拟的。根据基坑支护设计要求，结合实际工况确定考虑4个分析步。第一步：开挖土方至冠梁底标高下0.1 m；第二步：浇筑冠梁、第一层支撑；第三步：开挖土方至第二层支撑设计标高下0.5 m处浇筑围檩、第二层支撑；第四步：继续开挖至基坑底部。

3.4 计算结果及分析

选取灌注桩桩身水平位移进行分析（见图8）。分析步一中，开挖第一层土，尚未设置第一道支撑构件，灌注桩桩身绝大部分嵌固在土体中，形成了类似于悬臂桩结构。桩身水平位移沿桩长向下呈减少趋势，最大桩身位移发生在灌注桩顶部为4.9 mm,指向开挖方向。分析步二中，施加了第一道支撑、冠梁，限制了桩身水平位移的发展，整体趋势近似于线性分布。分析步三中，由于土体的开挖和第二道支撑、围檩的浇筑，桩身位移并未像分析步二中呈近似线性分布，最大位移没有发生在灌注桩顶部，而是在两道混凝土支撑之间接近第二道支撑处，说明第二道支撑限制了灌注桩水平位移的发展，有效地抵抗了桩身的侧向变形。分析步四中，土体继续开挖至基坑底部，灌注桩水平位移逐渐增加至最大值5.7 mm后，受到了两道支撑及桩身嵌固深度的限制作用，桩身位移逐渐减小，并在基坑底部附近出现反弯点，桩身整体位移曲线呈现为S形，并最终趋于稳定值5.2 mm。对比实测数据与分析步四中的桩身水平位移曲线，两者虽然在数值上有差别，但是整体趋势却比较相似，均近似于S形曲线，并且两者桩身最大位移发生的位置基本相同，说明该计算模型基本正确。

图8 灌注桩桩身水平位移

对比相关规范及基坑支护设计方案要求，桩身最大位移允许值为30 mm。本次基坑支护有限元模拟的桩身最大位移为5.7 mm，实际监测最大桩身位移为8.9 mm，均在允许值范围内，验证了基坑支护方案的安全性，也说明了本文模拟方法的具有可信性。

4 结语

本文依托上海某基坑工程，将BIM基坑支护模型运用接口软件导入有限元软件ABAQUS中，对该基坑支护结构进行有限元分析，对比实际监测数据与相关设计规范要求，不仅确保了该基坑的安全，更证明了将BIM技术结合有限元分析共同运用在基坑工程中，既发挥了BIM模型在三维可视化、施工模拟等方面的优势，又能借助有限元软件对基坑支护结构进行安全性分析，从而深化BIM技术在基坑工程中的运用，为实际基坑工程项目提供具有实用价值的参考。

[1]龚晓南.基坑工程实例[M].北京:中囯建筑工业出版社,2006.

[2]刘一鸣,刘国楠,顾问天，等.BIM可视化技术在基坑设计中的应用[J].铁道建筑,2016(6):125-128.

[3]彭曙光.BIM技术在基坑工程设计中的应用[J].重庆科技学院学报：自然科学版,2012,14(5):129-130.

[4]慕冬冬,付晶晶,胡正欢，等.BIM技术在深基坑工程设计中的应用[J].施工技术,2015,44(S1):773-774.

[5]吴清平,时伟,戚铧钟,等.超大深基坑BIM施工全过程模拟与分析研究[J].工程建设,2013,45(5):20-24．

[6]黄俊炫,张磊,叶艺.基于CATIA的大型桥梁三维建模方法[J].土木建筑工程信息技术，2012,4(4):51-53.

[7]黄传胜,张家生.地铁深基坑三维有限元模型尺寸效应分析[J].铁道科学与工程学报,2011,7(2):59-63.

[8]陈进杰,贾金青,张明聚，等.土钉支护工作性能参数分析[J].岩土工程学报,2001,23(5):618-622.

TU17；TU47

A

1009-7716（2017）08-0289-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.091

2017-04-06

唐克(1976-)，男，江苏南京人，工程师，一级建造师，主要从事市政基础设施、轨道交通及地下基坑工程的建设和管理工作。