基于BIM技术的深基坑工程施工模拟研究

虞伟良

(浙江省一建建设集团有限公司,浙江 杭州 310013)

当前国内高层建筑大兴热潮,城市的地下空间得到深层次的开发与利用,建筑工程中开挖深度超过20 m的深基坑工程逐渐增多。此类深层基坑多构建在人口密集的区域,难度大,施工环境复杂。在这样的情况下,如何科学设计深基坑支护,减少周围环境对深基坑工程质量的制约与影响,提升深基坑的施工质量成为广大建筑工程师的共识。作为一项系统而异常宏大的建筑工程,深基坑施工涉及面广,施工环境复杂,受到来自地下结构、地质条件以及施工场地等多方面影响。需要建筑师们进行科学规划、合理施工以及科学监测,BIM技术为此提供了良好的条件。作为应用于工程设计建造管理的专业化与数据化的工具,BIM技术通过建模与数据整合,在项目的设计阶段、项目建设以及管理阶段等都可运用,尤其在项目初期的设计上,利用BIM技术指导施工深化、控制施工的进度以及工程量,大幅度提升建筑工程集成化的程度,能提高整个建筑工程中的效率与质量。

1 BIM技术在深基坑施工中的优势

BIM,英文全称为Building Information Modeling,建筑信息模型的意思。具体是指以三维数字技术为底,利用数字模型,创建项目设计计划,构造并运营整个项目管理的全过程。利用计算机三维软件工具,构建包括建筑工程在内的完整数字模型,并在模型中包含详细的工程信息,同时将这些模型和信息贯穿于建筑工程的设计、施工管理及运营管理等建筑全生命周期中[1]。BIM技术在深基坑施工中的优势主要包括以下几个方面的内容。

1.1 加强工作的关联性

当前国内对于BIM技术的引进,主要集中在建筑结构领域,而地下工程中BIM技术的运用基本集中在地铁的设计与构建过程中。主要功能为协同各部门开展施工过程模拟以及管线碰撞检查,BIM尚有许多未开发的优势等待探索与发现。那么如何结合自身的优势以及国内外的运用现状, 将这项科学技术深入运用于深基坑工程的前期勘察、工程方案的设计以及施工管理等方面,充分发挥其三维可视化、协同工作、深化设计及资源共享等方面的优点,对工程建设具有重大意义[2]。

1.2 提升工作的协同性

除此之外,BIM技术还有很强的工作协同性。利用BIM技术,为建筑工程中各方的参与搭建可供同步的新型工作平台,使得各个平台之间方便合作。及时沟通业主、设计方以及施工方等多方面的信息,随时观察建筑构建过程中的各个环节,提高深基坑建筑工程的质量,提升工作效率。通过新型的BIM技术建立三维模型,进行管线与结构、其他系统方面的碰撞与检查,保证并满足各系统的碰撞检查,在满足各专业不同布设原则的基础上自动检查出各系统之间存在的冲突或影响,提升整个工程建设团队的工作效率,便于各个部门之间协同合作。

1.3 便于信息集成

BIM技术在深基坑工程中应用还便于信息的集成。BIM技术的关键是利用数字信息建立有别于传统的三维数字模型信息库,便于建筑工程师在进行方案设计的过程中随时抓取信息。这样的设计方式与之前的二维设计模式不同。此种模式中设计人员利用已经建立的数据库,模拟建筑物的真实信息。这些真实信息包括：建筑内构件的空间关系、几何形状以及诸如管线设备、梁板柱等多方面的功能特性与建筑信息。此外，对于传统二维图纸的不能深化设计复杂建筑节点的特点,也能非常合理、科学地予以解决。

2 工程案例

工程位于杭州市D09号地块金融中心项目,地下室分为3层、4层、5层,基坑挖深分三个标高,D09-1地块基坑底板开挖深度为-17.50 m,电梯井为-20.85 m、-22.65 m；D09-2地块底板开挖深度为-23.80 m,电梯井为-28.55 m；D09-3地块底板开挖深度为-24.40 m,电梯井为-27.90 m。整个区块基坑面积约为23 000 m2,同时基坑土质涉及到粉土等各土层,属典型的大、深、难基坑,严格按照“时空效应”理论分层、分段、分块开挖土方,遵循“分层开挖,先撑后挖”及“大基坑,小开挖”的原则。

3 工程地质

项目周边为道路,拟建场区地势较平坦,整个场地的地面高程在6.15～7.11 m。根据钻探揭露及原位测试和室内试验结果,依据工程特性及成因条件,将场区地基土划分为8个工程地质层,22个亚(夹)层,各层的厚度、分布规律,各地基岩土层的分层描述及分布特征如下：

①杂填土：黄灰色,湿,松散,含较多块石、砖块及混凝土块等建筑垃圾,块径一般10～70 mm,最大超过300 mm。充填粉性土为主。层面高程为6.05～7.11 m,最大揭示层厚为3.80 m。全场分布。

②砂质粉土：灰黄色,湿,稍密,含少量氧化铁及云母屑。摇震反应迅速,切面粗糙,无光泽反应,干强度低,韧性低。层面高程为2.29～4.00 m,层厚为0.70～2.60 m。大部分布。

③淤泥质黏土：灰色,饱和,流塑,含有机质,少量腐植物及云母屑,具灵敏度,夹少量粉土薄层。无摇震反应,切面较光滑,光泽反应强,干强度中等,韧性中等。层面高程为-16.22～-11.69 m,层厚为0.60～6.30 m。全场分布。

④粉质黏土：灰黄夹灰绿色,饱和,软可塑—硬可塑,偶夹薄层粉土。无摇振反应,切面较光滑,干强度高,韧性中等。层面高程为-18.89～-14.20 m,层厚为3.70～12.8 m。全场分布。

⑤粉质黏土：灰色,饱和,软塑—软可塑,含有机质,局部夹少量粉砂(小于10%)。无摇振反应,切面较光滑,干强度高,韧性中等。层面高程为-29.48～-22.54 m,层厚为0.60～6.10 m。局部分布。

⑥粉砂：灰黄色,很湿,中密,含云母、腐植物及贝壳屑,偶有分布。层面高程为-30.84～-26.17 m,层厚为0.80～5.10 m。大部分布。

⑦含砂粉质黏土：绿灰色,灰黄色,饱和,可塑,夹少量粉砂。无摇振反应,切面略光滑,干强度中等—高,韧性中等。层面高程为-41.73～-38.82 m,层厚为0.40～2.80 m。偶有分布。

⑧强风化含钙含泥岩屑砂岩：褐红色,母岩成分与结构已大部破坏,岩芯呈碎块状。锤击声闷,合金钻头钻进平稳,进尺每米约10～20 min左右。层面高程为-54.09～-56.49 m,层厚为0.90～5.40 m。全场分布。

4 BIM技术在深基坑工程施工中的模拟

4.1 BIM技术在深基坑施工中的模型建立

相较于其他建模软件或其他种类的施工模拟软件,因为Navisworks、Revit软件与当前施工中的主流软件CAD等之间的信息交互性能较好,适用于在深基坑工程施工模拟中进行运用与推广。该工程模拟立足于此,运用Autodesk公司的BIM技术进行建模。换言之,运用核心建模软件Revit软件进行该深基坑模拟建模,用Navisworks软件进行三维施工建模。该工程案例的模拟是以CAD图纸为基础图,用Revit软件进行二次建模,其建立的模型见图1。

图1 深基坑项目整体BIM模型

该项目的锚杆运用的是内建族的方法,运用“基于面的公制常规模型”的族样板制作锚杆模型,腰梁与冠梁也采用内建模型的方法,混凝土面层运用Revit自带的墙单元进行围堵建模。BIM技术给与的基坑支护结构建模见图2。

图2 支护结构的BIM技术建模

在BIM技术建模的过程中,为了方便后续的施工模拟。在划分施工区段之后,还要对每个区段进行独立建模,该项目分为4个施工区段,因此要建立4个独立的模型。模型中的土层要严格按照对应的施工区段进行建模,对于各层各个部分的土体建模要运用参照面截取拉伸的方式进行内建模型建造,各层的各个部分之间要分离接触面,这样就方便后续编辑上的处理。该项目的深基坑模型各个部分之间的支护以及土体模型见图3，各部分进行了合理划分。

图3 BIM技术下的基坑建模区域划分

图4 锚杆容易碰撞位置

根据上述的步骤,模型建立完毕之后,碰撞检查紧随其后。在碰撞检查中,要仔细寻找设计与施工过程中的构件相互碰撞的位置,分析碰撞点,排除不合理的因素,预先解决施工前存在的问题,有效规避后续的施工变更。由于该基坑案例较为复杂,极易在侧壁转折处发生锚杆碰撞冲突,因此，为了规避此类风险,需要检测有无此类的碰撞,尤其在支护结构上进行检查。可以运用三维直观图逐步逐项地检查、分析与解读碰撞点,见图4。碰撞检查结果多为锚杆杆体与冠梁、腰梁的碰撞,这是由于锚杆阵列布设时,未进行逐个结构连接,不影响正常施工,属于合理碰撞,未发现锚杆间的非合理碰撞。在碰撞检查的过程中,一旦碰撞条件设定项目不详细,就无法排除构件本应相接或与邻近构件落差等合理碰撞,BIM技术下的软件还需要对此类功能进行研究,予以解决。

4.2 深基坑工程施工模拟

该深基坑工程的施工模拟顺序为平整场地、定位放线、施工钢管桩、开挖土方、锚索、锚杆及混凝土喷射面按照开挖层配合穿插施工,上层土体开挖后进行下层支护结构施工和石方爆破。依据初定的施工方式,编制施工计划,利用数据源将施工计划导入到时间线工具之中,在Navisworks软件中添加岩土体及支护结构的场景动画整理并附着选择集合及动画,调试模拟,导出模拟文件[5]。为了优化深基坑施工中土体开挖的工程顺序,减少工期,避免窝工情况的发生，故需要严格把握土方开挖的施工连续性,以保证连续施工。在结合混凝土必要的科学养护时间下,分区、分层并且分步交叉进行流水作业,调整工程进度,进行三维施工模拟。在调整施工方案的过程中,穿插施工或者合理地进行工序搭接。一层的第三施工区段进行土体开挖的时候,同时间段的第一施工区段域第二施工段的腰梁与锚杆给与施工,形成有效的工序搭接[6]。见图5。

图5 深基坑工程开挖支护模拟动画

值得注意的是,该模拟深基坑项目濒临江河，容易受到来自场地方面的限制，在开挖土方的过程中,如果将出土的坡道设置成常规的直行坡道,在最大坡度的范围内很难避免深基坑支护结构下降,因此将其设计成曲线形状。如此一来,既可以满足最小的坡度要求,还能避免因为基坑支护结构上带来的问题,这也是BIM技术下Revit软件建模的直观优势所在。

5 结 语

总而言之,在深基坑工程施工方面运用BIM技术,模拟基坑施工过程,建立三维模型,模拟深基坑的开挖动画,便于研究与发现施工可能遇到的问题,及时给与解决,从而提高施工效率与深基坑施工质量。本文根据实际施工案例,利用Revit软件进行BIM技术在深基坑施工中模拟试验,建立了相关的数据模型,分析在施工中可能遇到的问题,以期在实际操作中规避施工问题,提高工程质量。

[1] 何清华,钱丽丽,段运峰,等.BIM在国内外的应用现状及障碍研究[J].工程管理学报,2012,26 (1)：12-16.

[2] 黄亚斌.BIM 技术在设计中的应用实现[J].土木建筑工程信息技术,2010,02(4)：71-78．

[3] 王陈远.基于BIM的深化设计研究管理[J].工程管理学报,2012(4)：12-16 ．

[4] 杨科,康登泽,车传波,等.基于BIM的碰撞检查在协同设计中的研究[J].土木建筑工程信息技术,2013,5(4)：71-75.

[5] 谭佩,陈立朝,周龙翔. BIM 技术在深基坑施工中的应用[J]. 广州大学学报,2016(1):64-68.

[6] 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(增刊)：773-776 ．