BIM技术在土钉墙支护工程中的应用

都 智 刚

(山西建设投资集团有限公司，山西 太原 030002)

1 概述

BIM即建筑信息模型(Building Information Modeling)是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有可视化，协调性，模拟性，优化性和可出图性五大特点。

随着经济建设的发展，城市用地空间的日趋紧张，向地下要空间已是大势所趋，大规模超深基坑比比皆是。目前的基坑支护方法主要有排桩、地下连续墙、土钉墙、锚索、水泥土挡墙、内支撑等。其中土钉墙支护体系以其造价低、工期短、施工便捷等优势，在基坑工程领域有着非常广泛的应用。尤其是在华北地区，土质以粉土、黏土、粉质黏土为主，自稳性好，且地下水位埋深较深，土钉墙支护更是大行其道，成为市场最为认可的支护形式之一。

BIM技术是贯穿建设工程项目全生命周期的一项计算机辅助技术，一般是从基坑开挖、支护到地下结构、主体结构的建设，直至管道安装、室内装潢等过程均全程体现。但目前见到的BIM应用在基坑工程中主要是以内支撑为主，间或也有排桩、地下连续墙等的应用，而土钉墙支护体系的BIM应用却很少见到。本文就通过一个实际工程展示BIM技术在土钉墙支护中的建模、场布、碰撞检查、施工模拟等具体的应用。

2 工程概况

本工程位于山西省晋中市榆次区，地上14层，地下2层，筏板基础，基坑深度7 m。基坑采用土钉墙支护方式，设置4排土钉。开挖范围内以粉土、粉质黏土为主，无地下水。

基坑临近有2层建筑，距开挖线3 m(距开挖上口线仅0.9 m)，埋深2 m。地下管沟距开挖线1.5 m，埋深-2.2 m～-3.2 m间，宽度0.8 m。

本工程场地情况比较复杂，需要支护的部位存在地下管道与现有房屋的基础，对土钉的设置高度和角度有较大的约束，采用BIM技术可以更好的进行工程设计和施工管理。

3 BIM技术的应用

3.1 项目实施框架

本项目的开展，第一阶段是采用广联达场布软件进行场地三维布置，包括场地模型的建立、场地漫游以及车辆行走的碰撞检测；第二阶段是基坑模型的建立，这也是项目的重点和难点，包括族的建立、组装模型以及Revit应用等；第三阶段是基于Revit和Navisworks的碰撞检测；第四阶段是采用Navisworks进行模型的漫游和审阅，以及施工动画的制作；最后是BIM的施工模拟，包括施工进度模拟以及费用模拟等。

3.2 场地三维布置

利用广联达BIM施工现场布置软件，创建三维场地布置模型(见图1)，包括既有和拟建建筑物、机械、材料、仓库、堆场、安全设施、围挡等。

3D模型的现场布置可以让施工人员更直观、清晰的了解现场情况。三维漫游可以检查施工场地中建筑物、机械、堆场、道路、车辆等有无发生明显碰撞，这在二维图纸中是比较难发现的。同时模拟车辆机械进出场功能可以保证现场施工道路的畅通，各种材料的放置情况也可以在施工前安排妥当，最大限度的减少场内二次搬运。

3.3 土钉墙支护专业族的建立

三维模型的建立是BIM技术的基本工作，但在实际应用中我们发现，Revit作为目前应用最广泛的BIM建模软件之一，虽然已拥有强大的族库，包括基础、主体结构、房屋模型、安装管道等，但在支护方面却相对欠缺，尤其是土钉墙支护体系，基本上是一无所有、从零开始。这就要求我们投入了大量时间和精力创建包括土层模型、开挖模型、土方模型、成孔模型、土钉钢筋模型、钢筋网模型、注浆与混凝土扫面模型等族。

1)创建土层模型：首先是根据勘探报告在立面图定出土层标高，创建平面视图；在各视图平面创建土层轮廓，使用创建实心形状功能创建土层；为每层土赋予其材质信息，包括图纸说明和外观信息(见图2)。

2)创建开挖模型：根据土钉墙支护分层、分段开挖，逐层逐段随开挖进度进行支护施工的特点，在立面图定出开挖标高，创建平面视图，创建每一步开挖深度的开挖模型，如图2所示。

3)创建土方模型：本工程分4步开挖，根据本工程实际工况，按开挖顺序创建四层不同的土方模型，每一层都赋予其应有的材质，并可用体量体积得出土方开挖量。

4)创建成孔模型：采用洛阳铲进行人工成孔的模型建立，首先在平面图上根据CAD图纸对土钉孔洞进行定位，标出打孔位置。通过拾取参照平面画出空洞的路径和截面，利用创建空心形状实现开孔，并进行尺寸标注(见图3)。

5)创建土钉钢筋模型：利用常规模型，通过放样功能完成土钉钢筋建模。同样赋予其材质和信息，并对土钉钢筋进行标注。包括每隔2 m一个的土钉居中支架，都可以在三维模型中准确生动地展示(见图4)。

6)创建面层钢筋：使用体量来创建土钉墙支护面层的钢筋网、斜拉加强筋、土钉头井字形钢筋的族，并对不同种类钢筋赋予不同的材质。

7)创建面层模型：最后是土钉墙面层的模型，包括注浆模型和混凝土面层模型，同样赋予材质信息。

3.4 基坑建模

在土钉墙支护所需的各种族建立后，在Revit中新建概念体量文件，以族为基础，进行基坑建模。创建标高，并新建相应楼层平面；在各平面图中画出轴网，构建定位放置；将创建的族导入项目中，按照轴线的定位放置各类族。最终形成完整的基坑三维模型。

3.5 房建模型的创建

对基坑支护工程，该项工作主要是临近建(构)筑物的准确建立，对场部和后期碰撞检测打好基础。在基坑模型建好后，建立本工程基坑边临近建筑物的模型，这是一栋二层建筑，分为结构建模和建筑建模，基坑建模、房建模型见图5，图6。

3.6 Revit应用

模型的建立只是BIM工作的方法和途径，开展相关的应用才是我们的目的。针对Revit的应用主要从3个方面开展，即构成BIM的三要素：B建筑(Building)、I信息(Information)和M模型(Modeling)。

B：应用Revit可以使用明细表功能导出模型中建筑构件的信息，得到构件的数量、材质、施工说明、位置等具体数值，包括土方、钢筋、注浆、面层等，实现信息化施工；

I：Revit中可以为每一个工程构件加入相关的信息，依据Revit模型中的材质信息在前期做施工预算，施工中解决问题；

M：最后是模型的查看。在Revit中，可以任意剖切和隐藏图元，让设计人员和施工人员从任意角度和视图了解模型的情况。

3.7 碰撞检测

碰撞检测对于解决施工过程中可能出现的停工、返工、影响施工进度等状况起到提前规避的积极作用。对土钉墙基坑支护工程而言，碰撞检测主要一是自身土钉锚杆(比如阳角处)是否碰撞，二是支护结构与临近地下建(构)筑物、地下管线等设施的碰撞。尤其是后者，关系到支护结构对周边的影响，处理不好会造成严重的后果。

碰撞检测包括自身模型的碰撞检测和链接模型(即周边建筑物地下结构)的碰撞检测，应用了Revit和Navisworks分别进行了检测(见图7，图8)，发现土钉与建筑物地下结构及临近管线的碰撞后，修改调整了原支护设计方案，并进行了重新检测，直至消除所有碰撞。

3.8 模型的漫游和审阅

利用Navisworks进行模型的虚拟漫游，可以更真实、生动的体现基坑竣工后的模样。应用漫游中的第三人，使用审阅功能可以对模型的完整性、正确性进行检查。检查项目包括钢筋网的间距、土钉成孔的孔距、孔径、土钉的倾角和孔深等土钉墙支护的各项受控项目(见图9)。

3.9 施工模拟

施工模拟是BIM应用的一项重要功能，主要有进度计划模拟、施工费用模拟、链接施工信息等。

1)在项目进行具体施工建造之前，通过建立BIM模型，把施工计划、数据、现场环境、方案等纳入模型之中，运用Navisworks进行施工模拟，可提前发现问题，减少返工和整改；

2)在施工过程中可结合工程中的实际数据对工程实时进展与理论进展进行动态对比、考察；

3)3D模型可视化的特性利于参建各方对施工信息的直观了解掌握，打通各方沟通壁垒；

4)为后期具体实施提供强大的数据支持，并为投标增加几率；

5)公司信息、现场图片、工艺视频等链接到模型中让模型更有效的指导施工。

3.10 施工动画的制作

利用Navisworks制作图元动画，进行后续的施工模拟和施工工艺视频的展示，可以生动的展示施工过程，进行施工工艺的制作，更直观的进行技术交底。

4 应用心得总结

4.1 创新亮点

1)Revit中仅有建筑、结构、水电暖的设计，项目只能采用体量构建基坑模型，赋予体量土质的材质，实现土质和基坑模型的建立；

2)针对基坑工程新建了系列族(如土钉、钢筋网、拉结筋、注浆孔等)，为下一步的研究打下了良好的基础；

3)本项目体现了BIM的协同作用。通过Revit和Navisworks两个软件的协同应用，将Revit模型细化以实现Navisworks中的施工模拟；

4)实现技术交底形式的施工动画制作，亦采用Revit建模、Navisworks制作，而非与实际工程无关的3DMAX，不但体现了BIM的协同性，而且动画内容与模型相结合，真实准确反映了工程的实际情况。

4.2 缺点和目标

限于时间、精力、技术等原因，目前仅对简单土钉墙进行了BIM应用，对周边及地质情况更复杂的工程与止水帷幕、预应力锚杆、微型桩相结合的情况研究不足。所以我们下一步BIM工作的目标就是针对复合土钉墙及同一基坑工程存在不同安全等级的部位采取多种支护形式相结合的情况展开进一步的研究，逐步建立更加完备的岩土专业族库。将传统的二维地质勘察系统与三维软件对接，形成空间三维模型，准确表达地质构造。