BIM技术在山地城市基坑工程中的应用

李军心 杨 洵 高 洪 徐 刚 魏 来

(重庆南江工程勘察设计集团有限公司，重庆 401121)

0 引言

随着城市地下空间利用进程的加快，深基坑工程越来越多，建设环境越来越复杂，传统的二维设计方法在工程建设质量和效率等方面都出现了应用局限[1]。在建设行业大力推广BIM技术的背景下[1-2]，基坑工程也有了一些BIM技术应用实例：吴清平等[3]采用Revit软件建立了上海SOHO天山广场超大深基坑工程的三维几何模型，并进行了施工模拟；慕冬冬等[4]以武汉绿地中心缓冲区域的深基坑为例，建立了基坑支护三维模型，进行结构碰撞检查和开挖方案模拟，进行了复杂结点深化设计；刘 续等[5]以武汉亚洲医院基坑工程为例，建立了地质模型和族构件制作，搭建完成整体模型；谭 佩等[6]在佛山某深基坑建立了3D模型，实现了监测数据实时查看、复杂节点配筋、施工动态模拟的应用等。但是，现有的研究还没有在山地环境基坑工程中的应用经验，也没有将地质条件与设计方案耦合应用的成果。

一些研究中也提到技术标准是规范BIM应用的关键问题[5,7,8]。2018年，重庆市出台了《重庆市建筑工程信息模型设计标准》、《工程勘察信息模型设计标准》等一系列地方标准，对于本地区发展岩土BIM技术有较大的促进作用。在这样的研究环境和背景下，进行了山地城市基坑工程BIM建模全流程实践，对在现有条件下是否需要应用BIM以及怎样应用有一定的借鉴意义。

1 工程概况

场地内拟建的主体建筑物为一幢地上33层、地下2层的单体塔楼。该场地位于城市核心区，周边存在较多相邻建筑，影响比较明显的有北侧已建的电塔、东侧军事管理区的管理用房和挡墙基础及其他交错复杂的地下管线等。相邻建筑物可对基础施工造成潜在风险。如图1所示。

根据测量和钻探资料，拟建场地地势整体平缓，东侧有一段高约7～13 m的现状环境边坡，南北走向，坡度31～53°，坡顶为已建的军事管理区管理用房。建筑范围内地层由上至下分别为人工填土、粉质黏土(局部)、泥岩和砂岩。填土层厚度0.3～18.6 m，主要由粉质黏土、泥砂岩碎石块组成，呈松散—稍密状，分布不均匀。岩层呈单斜产出，产状292°∠53°，泥岩和砂岩呈软硬互层状，局部含有砂岩透镜体构造。基坑的开挖将形成多段边坡，基坑边坡高度8.8～10.5 m。

图1 建设场地及环境图

分析已有资料，认为BIM技术在本项基坑工程的应用要点如下：

(1)场地基坑呈不规则多边形，开挖形成顺向岩质边坡、切向岩质边坡、土质边坡、岩土混合边坡，岩土体分布复杂，边坡支护措施多样，连接段多，传统的设计图对此存在绘制深度不足的问题，采用BIM技术可以实现岩土体和支挡结构的完整细节描述；

(2)场地存在相互影响的相邻建筑，施工条件复杂，利用BIM碰撞检查技术，可以在设计阶段查明支护措施与已建建筑是否有位置冲突，避免拟建物对周边建筑基础安全产生影响；

(3)在岩土体分布不均匀的工程地质条件下，建立场地基础的勘察设计BIM模型，可以在方案变更时，有针对性地查看关注位置的工程地质条件，实现快速修改设计方案和出图；

(4)为了更直观地展示施工内容和工序，优化施工方案，宜建立BIM三维可视化模型。

因此，依据项目本身的特点，建立三维可视化模型，提高工程管理效率和提供施工决策支持，是本次BIM应用的目标。根据上述分析，拟定基坑工程三维建模流程，如图2所示。模型平台基于欧特克公司的Civil 3D、Revit 2019和Navisworks 2019搭建。

图2 基于BIM技术的基坑工程三维建模流程图

2 三维地质模型

基于Civil 3D构建三维地质模型，建模步骤如下：首先采集和处理地形数据，并创建原始地形曲面；然后批量添加钻孔，在钻孔分层数据基础上，构建各地层曲面；最后利用生成实体功能建立起场地三维地质实体模型[9]，见图3。

基坑开挖操作也在Civil 3D中完成，以地形曲面为基础，根据设计放坡范围和参数(1∶0.2—直立)进行放坡，继而生成基坑曲面，最后生成三维基坑边坡模型。

运用Civil 3D纵断面或Navisworks剖分功能，可实现三维地质模型任意剖切，生成二维地质剖面图，直观查看场地任意位置和深度的地质剖面，便于后续基坑支护方案的设计和实施。

图3 三维地质实体模型图

3 三维设计模型

3.1 设计方案

基于三维地质模型，进行基坑范围岩土体总体分布情况和各个断面的查看分析，为控制基坑变形，保证项目质量，节省总工期和工程造价，采用分期开挖，分段支护。具体方案和步骤如下(见图4)：

图4 基坑工程设计方案示意图

Ⅰ期在主体建筑范围采用锚杆挡墙临时支挡，然后按层面放坡开挖，完成后即Ⅱ期开始对主体建筑部分进行基础施工，与此同时在全基坑范围按照边坡类型进行分段支挡工程施工，其中YZ段为锚拉抗滑桩支挡段，ZX段为桩板挡墙支挡段，XY段为放坡锚喷段，Ⅲ期进行全基坑开挖和桩间板的施工，完成基坑工程支护。

3.2 参数化族构件

根据设计方案，基于Revit构建三维设计模型。Revit是针对建筑、结构开发的一款较成熟的设计建模软件。在设计模型中，标高和轴网是重要的空间定位信息，是模型的骨架。参数化族构件及其组合则是模型的实体，通过参数的设置，可以蕴含方量、型号、材质、阶段等信息要素，可实现统计分析和施工模拟。通过修改族参数、构件类型和数量等，可以达到模型重构的效果。

本工程新建了抗滑桩、桩间挡土板、排水沟、锚杆、锚索等参数化族。研究发现，族参数设置不宜超过5个。若多于5个，则制作族难度大，且不便于操作。对于复杂构件，解决的办法是做成同族的不同类别。比如，锚索族为一个嵌套族，由锚头、锚墩、锚具、注浆管、止水橡胶、钢绞线等族嵌套形成，参数设计为孔径、锚固段长度、自由段长度、入射角，能满足一般设计使用，见图5。对于锚索有不同束钢绞线的情况，则制作成10束-锚索、16束-锚索等类别。同族分类可显著提高参数族构件在类似项目中的可移植性。

图5 锚索族构件图

3.3 结构配筋

支挡结构实体建立之后进行结构配筋，配筋的目的是丰富和完善模型内在，对于结构计算和统计算量有重要的意义。在本工程中，不同型号、不同种类的钢筋，使用量达到近5万根。钢筋的搭接关系、混凝土保护层、加密区范围和间距、绑扎方式、钢筋弯头等在本模型中都可以清晰地展示和统计出来。对于异性桩桩顶连接标高不一致的变截面的情况，采用自由形式钢筋，选定边界和方向、间距数量，快速配筋(见图6)。

图6 钢筋系统局部图

4 设计模型校审

设计模型初步建立后，对其系统间和结构内部的冲突校审是必要的，即碰撞检查。碰撞检查工具在Revit和Navisworks中均可调用。在建模阶段，可随时使用Revit的碰撞检查功能。对于多专业联合整体模型协同检查或者对距离有要求的“间隙碰撞”等有进一步检查需求时，则宜选择Navisworks。基坑工程一般无专业间协同需求，因此重点关注的是拟建物基础与周边相邻建筑基础的冲突。在初始方案中，把收集的相邻建筑基础数据输入模型，通过碰撞检查，发现原设计中北侧基坑边坡的ID: 2491031号锚杆侵入了电塔基础(见图7)。通过调整桩数量和桩间距，避开了电塔基础，预先解决了冲突，保证了设计质量和施工安全。

图7 基础碰撞检查图

5 模型应用

经过模型校审修改后，三维设计模型完成。实际生产中，对于一些独立构件或复杂结点仍然需要生成二维图纸进行施工指导。把这些构件或结点提出来，通过剖切查看剖面图、局部详图以及在需要时出具带有注释、标注和制图信息的标准图纸。在Revit中，将三维地质模型通过导入的方式与设计模型结合成完整的基坑模型进行二维剖切出图，或者将三维地质模型和设计模型按基准标高耦合于Navisworks平台，可以查看支护结构及其所处地质条件的二维剖面。如图8，展示的是以正视视角检验锚杆锚入岩层以及支挡结构进入地基持力层的情况。

图8 二维剖面展示图

传统的二维设计图纸用有限数量的剖面图来分段描述支挡结构，对于地下结构物几何变化经常存在着描述不清的状况，而基于BIM技术的三维模型可以弥补二维设计图纸的不足，完整展示基坑工程的细节[9]。图9呈现的是同一位置二维图纸和三维模型的效果对比，图9(a)中可见KA段转角的连接、锚索桩段和锚喷段的连接、A型桩和K型桩桩顶标高不一致情况下的连接(以及内部配筋)等细节。起伏、陡变的基坑边坡在山地城市的基坑工程中是常见的，而抗滑桩的桩长、桩顶标高随之变化，这在传统的二维设计图纸中是无法查看的，如图9(b)所示。

图9 二三维设计的对比示意图

在传统设计中，工程算量耗时费力，对于细部和连接段的材料用量，往往只能依赖工程师的经验，导致计算结果误差较大。在本次建立的模型中，做到了精细化设计和算量，建模后，可直接提取数据。经统计，基于本工程建立的三维设计模型统计出的主材钢筋的用量与工程的实际消耗量相比，误差在10%左右，准确性和效率都大大提高。

6 施工模拟

将本基坑工程三维地质-设计耦合模型在Navisworks平台中完整演示分期开挖分段支挡的设计方案。在前期设计建模过程中，先做好阶段化工作，为每一类(段)对象确定阶段；由于模型的精细化设计特点，每一个构件均有自己的编号，可设置独立的时间参数，作为施工模拟的准备。模拟的详细程度视工程要求而定。按设置的阶段和时间，通过Navisworks时间轴，将各流水段构件完整输入，即可模拟播放，便于各方沟通交流。

图10的①和②展示的是主体建筑范围和全基坑范围两次开挖；③和④展示的是跳桩施工关键节点的施工模拟截图。对施工过程预先模拟，可以科学指导施工，统筹安排建材机械设备的使用计划，了解施工重难点，做好工期和成本控制。

图10 基坑工程施工模拟图

7 结论

(1)基于BIM技术建立三维可视化基坑工程模型，对基坑支护结构及其所处的地质条件有更精细的表达和更直观的展示；在城建密集区完成相邻建筑基础的碰撞检查，有效保障施工安全；实现了二维出图、三维展示和精确算量，在岩土分布不均、边坡支挡结构多样、建设环境复杂、施工工序繁杂、工期紧张的山地基坑工程中有较高的应用价值。

(2)基于BIM技术建立的基坑工程三维地质-设计耦合模型，可实现一次建模、多次出图、一处修改、联动更新，避免了在传统二维设计中出现的各图件、算量的修改不统一、不对应，对设计施工产生误导的情况，大大提高了工程管理效率。

(3)基于Navisworks时间轴功能，完成了基坑分期开挖、分段支护的施工全过程模拟，为施工决策提供了技术支撑。

(4)本次完成了基于BIM技术的山地基坑工程三维可视化应用，下一步将进行与岩土计算分析结合的研究，进一步完善BIM技术在建筑全生命周期的应用。