BIM技术在超深基坑工程施工中的应用

2021-03-11

工程技术研究 2021年2期

中建一局集团第二建筑有限公司，北京 100010

1 工程概况

1.1 超深基坑概况

依托工程位于山东省青岛市李沧区，地基基础呈“L”形，总占地面积为58659.8m2，建筑面积为318577.49m2，属于框架结构，地上共分布14栋5～9层建筑，地下5～6层，地下面积为236309.03m2。该工程基坑周长为1150m，南北方向总长约370m，东西方向宽度约100m，基坑开挖深度为19.3～33.3m，基坑北部基底绝对标高为23.3m，基坑南部基底绝对标高为28.6m，基坑安全等级为一级。

为保证基坑支护工程的安全开展，基坑支护设计采取“支护桩+锚杆+帷幕止水（土体加固）”“支护桩+钢管桩+锚杆和钢管桩+锚杆支护”的支护方式，根据基坑深度、地层条件和场地周边环境，划分为17个剖面。项目基坑BIM模型如图1所示。

图1 项目基坑BIM模型图

1.2 地质及水文条件

场区地貌为剥蚀斜坡-剥蚀堆积缓坡，后经过人工回填改造形成现地貌。通过钻探揭露，场区第四系主要为全新统人工填土（Q4ml）、全新统洪冲积层（Q4al+pl），上更新统洪冲积层（Q3al+pl），基岩为燕山晚期花岗岩（γ53），局部夹有后期侵入的煌斑岩（χ53）；受构造影响，场区存在部分碎裂岩（SL）。场地基坑开挖深度范围内主要地基土层以素填土、粉质黏土、含黏性土粗沙砾为主，岩体以花岗岩、煌斑岩为主。

场地稳定水位埋深为1.1～4.6m，稳定水位标高约为39.65～53.98m。地下水主要由大气降水补给。地下水年变化幅度为1～2m。场区地下水类型为第四系上层滞水、第四系承压水及基岩裂隙水，各含水层间大部分相互连通。

2 BIM模型建立

2.1 BIM软件配合应用

当前适用于BIM的软件种类较多，但大部分软件互相导入协同工作的兼容性较差，因此在模型建立前，应确定建模中不同的内容采用哪些软件及软件如何配合使用，这样才能提高各软件之间的协作性，从而提高工作效率。在该工程中，主要使用的建模软件为Revit、品茗施工现场三维布置软件；模型轻量化软件为Navisworks、Lumion；图片处理软件为PS。

2.2 BIM建模规划

（1）建模标准。BIM模型建立需要从不同的需求角度出发，且具有不同的建模标准。该工程应用BIM技术主要集中在施工方案优化、细部节点设计优化等方面。在基坑支护阶段可应用BIM技术对施工方案和细部节点的合理优化起到关键作用。随着施工进度的推进，结合现场实际建立模型，确保模型精度能够用于指导现场施工。

（2）文件大小控制。该工程按照基坑支护形式将各单元模型支护结构拆分后建立模型。要合理控制模型文件大小，单一模型文件不宜过大，以此避免出现后续多模型合并后硬件设施反应过慢的问题，同时避免给现场实时浏览和下载带来不便。

（3）模型坐标系统。所有模型和参照模型的坐标均与项目设计控制点保持一致。模型建立前使用Revit软件制作各专业样板文件，约定共同项目基点位置，按照设计控制点确定坐标。各模型文件可直接进行原点对原点链接，从而开展BIM协同建模工作。

（4）构件信息规划。为方便项目后期进行局部模型检索和查询，在开始进行建模前，需要统一规定模型构件所包含的信息内容。在该工程中，BIM构件模型包含基本的尺寸、标高信息、材料的型号以及厂家等信息。

（5）深基坑模型建立操作要点。该工程中采用Revit 2018建立深基坑模型。首先，建立建筑样板文件、结构样板文件，确定项目基点，并绘制出各单元关键标高和各单元轴网；其次，建立各类族文件，并在族文件中定制创建共享参数，以便导出明细表时保证构件关键信息的完整，例如冠梁、腰梁钢筋配筋信息，支护桩钢筋配筋信息等；最后，依据设计图纸建立各单元构件的族或模型，将各个族或模型文件导入项目样板，并进行定位，从而完成模型建立。

3 超深基坑工程中BIM技术的具体应用

3.1 办公、生活区布置

施工项目准备阶段必须进行办公区与生活区的布置。布置原则是在满足基坑周边堆载要求的前提下，在有限的临时用地面积上尽可能满足办公、生活的需求。在项目前期准备阶段利用BIM技术对办公区、生活区进行综合布置，既兼顾了项目部的美观性，又保证了项目部的实用与经济性。

3.2 支护桩施工方案

该工程混凝土灌注桩、高压旋喷桩、钢管桩数量庞大，在传统文档管理模式中存在很多缺陷，尤其是文档之间集成性不强，在后期资料复杂的情况下，很难快速找到需要的支护桩信息。为解决这一问题，可随支护桩与止水帷幕施工进度，利用BIM技术实时指导其施工顺序，标注其位置、直径、标高等信息。在模型中可单选或多选支护桩，查询支护桩信息明细表。支护桩与止水帷幕如图2所示。

图2 支护桩与止水帷幕

3.3 基坑阳角处锚索设计优化

该工程基坑呈“L”形，存在阳角，锚索施工时需要进行锚索角度设计优化以排除锚索交叉碰撞的问题。建立阳角处原锚索模型，锚索倾角为20°，设计钻孔直径为150mm，考虑实际施工情况，模型直径取200mm。根据模型发现，互相影响的锚索主要为7单元1～15号锚索。根据设计要求，结合《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）第4.7.8条的规定，锚索角度可以在20°～45°进行调整。

通过模型调整，发现冲突锚索每一根均调整2°～3°，即可在倾角允许范围内防止锚索冲突。但此种方法不利于现场施工，每一根锚索都要调整角度，即需要锚杆钻机每施工一次就进行一次倾角调整，施工效率低，并且易导致操作人员记错锚索倾角，出现人为失误。通过多次调整模型倾角，最终将冲突锚索分为四组，1～3分为一组保持原设计角度为20°；锚索4～7分为一组调整倾角为25°；锚索8、9分为一组调整倾角为35°；锚索10～15分为一组调整倾角为25°，即可满足施工要求，防止锚索之间的冲突。基坑阳角处锚索倾角调整如图3所示。现场根据此调整角度施工，施工效果良好，成功避免了锚索冲突导致的工期、成本损失。

图3 基坑阳角处锚索倾角调整示意图

3.4 基坑阳角处高台衔接设计优化

在根据设计图纸进行基坑支护建模过程中，发现基坑阳角处由于两个剖面间支护形式不同，其衔接并不顺畅，一侧的高台与另一侧的放坡之间形成了8.2m高的高差，降低了基坑的局部稳定性与安全性。

利用BIM模型对此处进行优化设计，将高台截面端支护形式更改为放坡支护形式，使放坡支护截面与其顺接，如图4所示。结合基坑支护结构计算，此支护方式满足基坑安全等级需求。利用BIM技术提前发现此问题，有效地提高了基坑的安全性。

3.5 基坑安全梯笼通道设计

该工程基坑土石方开挖深度为19.3～33.3m，为方便作业人员上下基坑，利用BIM模型配合技术部、安全部共同设计并制作装配式安全梯笼。通过BIM建模，确定梯笼设计参数、规格，并模拟施工工序，对施工操作人员进行可视化交底，同时结合结构受力计算，保证了梯笼的安全性、耐用性。装配式安全防护梯笼如图5所示。