BIM 技术在深基坑工程设计中的应用

李景明 山西省勘察设计研究院有限公司

1 前言

深基坑工程就是开挖深度大于等于5m的基坑（槽）的土方开挖、降水、支护工程，或是开挖深度在5m内，但是周围环境、地质条件、地下管线十分复杂的支护、开挖和降水工程，具有一些显著的特点。如：地区性强、风险性大、临时性大、综合性强、环境要求很严格等。随着超高层建筑和城市地下空间的开发建设，深基坑工程日益增加，这也带动了技术的发展。但是很多深基坑都集中在人口密集以及建筑物的市区，施工场地较小、条件复杂，所以，怎样科学的设计支护，减少施工给周围带去的影响，提升施工质量，就是各界广泛关注的问题。BIM技术当前在建筑工程领域中得到了广泛的运用，在深基坑工程设计中运用，可以充分发挥出其优势，提升工程的集成化水平，优化设计效果，为实际施工奠定良好的基础。

2 BIM技术的特点

BIM就是建筑信息模型，其是建立在三维数字技术基础上的，建立和运用数字模型，对工程项目实施设计、建设、运营管理整个过程，也就是运用计算机三维软件工具，建立涵盖工程中完整数字模型，且在模型中包含具体的工程项目信息，把这些信息以及模型渗透到工程建设的整个阶段中。如：设计、施工管理、运用管理等。该技术具有一些显著的特点，包括信息集成、工作关联性以及工作协同性。

2.1 信息集成

该技术就是基于数字信息构建三维模型数据库，设计人员在设计时可以直接从数据库中提取所需的信息，和以往的二维设计不同，设计人员可利用数字信息高效的模拟建筑物信息，涵盖各个构件的空间、几何关系、相关设计要素的功能特性与建筑信息、各个构件连接方式 以及荷载状况[1]。除此之外，对于工程中复杂的节点，也能够实施三维深化设计，打破2D图纸的弊端。

2.2 工作关联性

该技术的一个显著特点就是，建筑信息在模型构建和使用中是相互关联的，如果一项内容改变，其他方面也会跟随变化，并体现在模型的剖面、立面、平面和3D模型中，便于相关人员查看和掌握更改情况，无需逐个处理图纸。该特点，能够确保建筑信息高效地传递给不同专业的技术人员，节省人力以及成本。

2.3 工作协同性

在工程建设中，该技术可以给参建方建立一个同步工作的平台，为相关方和后期运营管理者的沟通提供便利，实时了解工程建设的每个环节，确保工程的质量及效率。基于该技术构建的3D模型，能够实施碰撞检查，在确保不同专业相应的布设原则的情况下，自动检查系统和系统间有没有冲突，可以提升整个设计团队的效率，促进不同专业的交流[2]。

当前国内建筑信息化模型技术的引入、运用、开发一般都是在建筑结构方面，地下工程中的运用有限，一般用在不同专业的协同工作、模拟施工过程、管线综合碰撞检查中。结合该技术的优点和国内的运用情况，研究其在深基坑工程不同阶段的深入运用，充分发挥出其优势，对于工程建设有重要意义。

3 BIM技术在深基坑工程设计中的应用策略

3.1 前期综合勘察

在前期勘察规划环节，结合现有的地质勘查信息、周边环境信息、建筑结构设计方案，可以初步比较选择基坑设计方案，构建相应的环境模型，其中包含较多的信息。如，周边特殊建构筑物、地基基础、地质地形条件等，依据相关的模型信息，初步选择基坑支护方案，实施计算分析[3]。

3.2 支护方案三维可视化设计

结合前期计算分析，设计支护方案，基于前期环境模型的基础上构建基坑支护体系的3D模型，全面的考虑相关的情况，科学的布置基坑的水平和竖向围护结构。因为3D模型直观可视，方便业主与设计人员利用建筑信息化模型进行沟通，及时找出设计中的不足及问题，并实施论证，有针对性的实施优化。在后面施工中，若是发现方案中有不合理的地方，可以利用建筑信息化模型做出优化，提升工作的效率，充分发挥出技术的作用。

3.3 协同设计

该技术的运用，能够给不同专业的设计人员提供较好的设计平台，基于设置项目中心文件，共同分享，做到协同设计。每个专业的设计师可利用符合各自专业的BIM建模软件，构建相应的模型，并把模型和中心文件链接进行同步，将不同专业修改以及添加的信息添加到中心文件中，方便其他专业查看，提升信息的共享性，最大限度地减少设计变更[4]。

3.4 深化设计

和2D设计对比，建筑信息化模型技术的运用，不仅能够对常规构建实施3D设计，还能够更好的设计部分复杂节点或是构件。复杂的构件在建筑信息化模型软件中能够通过参数化设计生成新的组件，可随意在模型中布置，还可以对参数进行调整，快速修改和统计各种情况下需要材料的总量，减少物力及人力的投入，对施工管理和造价控制具有积极影响。

3.5 碰撞检查

这是该技术运用的最成熟的技术之一，基坑工程管线虽然没有高层建筑的管线复杂，但是还要重视管线和管线或是梁、柱间的碰撞问题，然而竖向支撑结构中有很多的格构柱以及立柱桩，借助建筑信息化模型，能够直接地体现出立柱桩和工程桩间、地下室结构和格构柱间空间位置关系，促进不同专业间设计信息的交流，优化设计质量[5]。

3.6 施工过程模拟

基坑工程和其他建筑工程的一个显著差异就体现在土方施工上，因为场地、周围环境、竖向支撑体系的约束，在基坑设计中应该注重土方开挖方案。例如，车道设计、土方开挖顺序等。运用建筑信息化模型技术，可以实施4D施工过程的模拟，全面的体现方案，加强交流，提升工作的效率。

4 实例分析

4.1 工程概况

某项目基坑总面积太大，所以，在施工时分成三部分，选择中间缓冲区域的基坑，利用BIM技术进行设计。该区段基坑的宽度和长度分别是63m和123m，普遍深度为23.1m，局部区域深度为24.1m，基坑三面围护使用地下连续墙、一面使用钻孔灌注桩，同时设置四道内支撑实施水平支护。

4.2 BIM设计成果

基于利用BIM建模软件Revit Architecture及Revit Struc⁃ture，涉及基坑支护，完成基坑的支护结构、土方开挖、地下室结构、支撑加腋节点钢筋模型。首先，利用设计软件，构建基坑支护结构3D模型。其次，进行结构碰撞检查[6]。通过运用完成的基础、地下室结构和支护结构模型，利用Revit的碰撞检查功能，检查支护结构布置是否和其他建筑结构存在碰撞问题，如果有这种情况，就要马上进行调整。再次，土方开挖方案模拟。因为场地方面的限制，在开挖土方时若是把出土坡道设置成普通的直坡，在最大坡度下很难躲避开基坑支护结构且降至出土标高，所以，应该将其设置曲线形，不仅可以下降到出土的标高，还能够适应最小坡度要求，避开支护结构。一般的2D图纸很难清楚的说明，对此，可利用Revit软件构建空间三维模型。最后，复杂节点深化设计。结合设计要求，在Revit中构建格构柱、支撑加腋节点处钢筋深化设计模型、栈桥下缀板族文件，直接输入参数，能够自动生成三维节点模型。

5 促进BIM技术在深基坑工程设计中有效应用的策略

5.1 组建BIM团队

为了有效地运用建筑信息化模型技术，需要不同专业技术人员间加强配合，应该组织建立一个BIM团队，涵盖各工程设计人员、不同专业BIM工程师、管理员。管理员应该负责BIM实施计划的编制、任务的安排、不同专业的协调、后期模型合并、检查、修正；工程师则要负责构建该专业的BIM模型，加强和管理员之间的交流。科学的团队架构、清楚的分工，可以促进工作任务的高效完成，可见，BIM团队的组建是该技术推广以及运用的基础[7]。

5.2 BIM软件本地化程度的影响

当前业内推广较多、功能较为完善的BIM软件一般都是国外公司研发的，这就使得在国内运用中会出现较多的不方便，除了语言文字，更重要的是专业方面。例如，建筑规范不同、设计、表达习惯不一致等。拿Revit软件来说，其对计算机硬件有很高的要求，和经常使用的设计软件相比，操作更加复杂，缺乏灵活性，本地化较低，软件中的族库很少有适合我国建筑运用的，没有和其他软件转换的第三方插件，且效果展示的精美度不够。

5.3 族库的建立和管理

在设计中运用BIM技术，族库的构建以及文件管理，能够全面地体现出该技术的应用程度。虽然在各种软件中的命名不一样，然而族库是提升BIM设计高效性的保证。若是族库中有大量的族文件，设计人员就能够随意建立复杂的建筑模型[8]。设计人员日常在使用中要注意收藏积累，不断增加族库中的文件，更好地体现出建筑信息化模型技术的优势。

6 结束语

综上所述，BIM技术在建筑工程领域得到了有效的运用，在深基坑设计中运用，借助建筑信息化模型的协同设计、三维可视化、深化设计、模拟施工过程等功能，能够及时发现设计中的问题，不断的优化设计方案，提升设计的科学性以及有效性。现阶段BIM技术在深基坑工程中的推广以及运用还存在一些问题，但是该技术可以促进设计行业的发展，从几何表现变成建筑信息集成模型，从单个专业变成多专业的协同设计，提升设计的水平，为施工提供正确的指导，减少深基坑施工的影响，确保施工质量。因此，在深基坑设计阶段，设计人员需要合理的运用BIM技术，充分发挥出其优势，优化设计的效果。