BIM技术在深基坑工程领域的应用——以中国农业科技国际交流中心项目基坑工程为例

冯俊铭

(中国新兴建设开发有限责任公司，北京 100039)

0 引言

在深基坑工程中，支护形式的选择极为重要，不仅关系到工程边坡的稳定性，周围建筑物、地下管线、周边道路的安全性，还影响在建项目的正常施工及基坑变形控制。因此，在深基坑支护施工中，要根据现场情况选择最佳的支护形式，确保深基坑支护工程的牢固可靠及持久耐用。深基坑支护工程的可靠性与建筑自身的质量和耐久性有密切联系，要根据工程的实际情况选择合理的支护方案。应用BIM技术指导深基坑工程施工，有助于合理规划施工工序、降低施工成本及安全风险，达成预期目标。

本文以中国农业科技国际交流中心项目基坑工程为例，探索如何应用BIM技术整合项目各阶段的管理及信息，提供工程项目增值服务，并研究BIM 4D施工管理的有效性和实用性。

1 工程简介

中国农业科技国际交流中心项目土护降工程位于北京市海淀区中关村南大街与学院南路两条交通干线的东北角，地铁东南出入口与项目地下2层衔接。该工程为中国农业科技国际交流中心项目土护降工程，基坑侧壁安全等级一级，其设计使用年限不超过2年。结构类型为钢框架+支撑，地下5层，1#楼地上16层，2#楼地上17层。建成后将成为该区域标志性建筑。

该结构地下室为5层，基坑面积约10 187m2，槽深25.5m。施工采用明挖顺作法施工，支护结构为单排桩+内支撑+锚索支护，护坡桩规格为常规区域1000@1400与西侧地铁区域1200@1600两种灌注桩，内支撑结构采用混凝土桁架撑，锚索为一桩一锚，竖向方向设置3道内支撑和1道锚索。

本基坑工程主要分为两大施工项目：基坑土方，支护。支护包括护坡桩、内支撑、预应力锚杆、土钉墙、挡土墙、桩间土护壁等分项工程。

2 工程重难点

2.1 西侧临近地铁的保护

该工程西侧紧邻地铁4号线魏公村站，拟建基坑距离地铁车站主体水平距离约12.3m(地铁底板埋深17m)，地铁东南口出入口距基坑仅约3.7m，因地铁结构对边坡变形十分敏感，稍有变形可能会影响地铁运营，所以施工时要针对地铁部位采取专项防塌孔措施，如采用优质膨润土护壁、护筒跟进、远侧注浆等措施，尽量缩小每根护坡桩施工各工序间隔，成孔一根后立即完成灌注混凝土，吊装钢筋笼、格构柱时安排专人指挥，合理安排作业时间，尽量避开早晚高峰人流拥挤时段，确保地铁侧在护坡桩施工中不出现塌孔现象。

2.2 土方开挖难度大

该工程基坑上部支护采用三道混凝土支撑，支撑下部土方须采取掏挖，施工降效严重，且支撑梁对变形十分敏感，开挖时需采用科学合理的土方开挖方法，严格遵循“纵向分区、竖向分层、横向分段、限时开挖、随挖随撑、严禁超挖”的施工原则。在保障挖土效率的同时确保支撑梁的整体变形受控，另外开挖时要采取专项措施保护格构柱，避免开挖碰撞格构柱，以最大限度保障边坡安全。

2.3 严格控制支撑体系施工质量

该工程支撑体系工程量较大，施工时要合理布置流水段和施工缝，施工缝位置要做好模板处理，防止走模和跑浆。每段混凝土支撑应连续浇筑，下段混凝土浇筑前要先做好接茬清理，然后才能浇筑砼，以保证施工质量。

2.4 严格控制护坡桩、立柱桩的施工质量

施工时需准确做好定位，确保桩位偏差满足要求。施工时应采用合适的膨润土制作泥浆，加大对泥浆重度的控制力度，避免塌孔。施工中要对机械钻杆垂直度进行严格控制，保证护坡桩垂直度偏差满足规范要求。

2.5 严格控制锚杆施工质量

锚杆施工前要采取试钻，确保锚杆顺利穿过基坑与地铁区间部位，防止对地铁结构造成损坏。为尽量减少锚杆对地铁的扰动，锚杆施工时采取跳钻间隔、适当压浆、加速凝固等措施，将锚杆施工对地铁的影响降至最低。

2.6 格构柱与支撑梁节点部位钢筋安装

本工程支撑梁节点型式较多，各段支撑通过节点进行连接，钢筋纵横交错、密密麻麻，且受格构柱影响，部分钢筋穿越受阻，需采取加固、打洞等合理有效措施，并及时与设计单位沟通确定钢筋穿越方案，确保支撑梁主筋顺利穿越格构柱。

2.7 提前制订各项预案

深基坑施工中不可预见因素较多，常常遇到边坡局部坍塌、护坡桩及锚杆成孔异常、局部管线渗漏水、流砂及地面沉降等问题，需要制订各种预案，一旦发生问题立即进行处理。

2.8 提前规划施工流程

本工程施工工艺复杂，为保证工程顺利进行，需在项目开工前规划好施工流程：施工准备→场地平整→测量放线定位→土方开挖→土钉墙施工→护坡桩、立柱桩施工(先进行远离地铁侧的施工，以便在后续施工中采用合适的膨润土制作泥浆，且加强对泥浆重度的控制，确保地铁侧施工无塌孔现象)→冠梁及上部挡土墙施工→桩间护壁→腰梁及三道内支撑施工→预应力锚杆施工→土方开挖→清槽→基坑马道土方收尾→工程竣工验收及移交。

3 BIM技术研究与应用情况

结合项目实际及各项目标，在中国农业科技国际交流中心项目基坑工程应用BIM技术。

3.1 建立三维模型

在建立BIM模型初期，组织专业人员对项目应用BIM技术的关键环节、所要达到的效果进行了深入研讨，最终确定了项目应用BIM技术的实施方法和步骤，并组织专门的BIM团队负责模型的建立，并在后续工作中持续进行模型更新、高精度建模、设计深化、图样审核、施工策划、平面布置、模拟施工、复杂节点分析、结构碰撞检测、进度管理、动态展示等。应用BIM技术建立中国农业科技国际交流中心项目基坑工程基本模型，支护前模型如图1所示，支护后整体模型如图2所示。

图1 支护前模型

图2 支护后整体模型

3.2 设计深化及图样审核

在模型建立过程中，BIM团队深刻了解细部构造及设计意图，并对施工图样进行校核及必要深化，以在施工前预见和在施工中解决各种问题。

3.3 碰撞测试

以往施工过程中的内支撑梁柱与土建结构碰撞问题只能通过各专业之间协调解决，对技术人员的专业技能要求较高，容易引发空间不足等一系列问题。施工中使用BIM模型事先进行碰撞检查，然后生成碰撞冲突检测报告，能够精准定位碰撞点数量及位置，提前发现问题。中国农业科技国际交流中心项目基坑工程充分利用BIM碰撞检测的优势，生成相应碰撞报告，与设计单位进行沟通。设计单位根据碰撞报告对设计做出相应调整，以满足施工要求，大大提高了工作效率。中国农业科技国际交流中心项目基坑工程运用碰撞测试，妥善解决了节点碰撞问题，达到了碰撞为零的目标，节约了工期。

3.4 输出已建模型的材料清单

通过BIM模型信息库，能够在施工中根据需求导出各类工程量，减少因人为失误造成的数据偏差，提高工程量的准确性。另外，通过BIM模型数据库能够及时导出施工过程计量的材料清单，快速有效地提出材料采购计划，加强对各种材料的管理，增加项目盈利。

3.5 施工进度模拟

该项目交叉作业较多，施工过程复杂，需通过施工进度模拟使项目整体施工工序之间的衔接情况更加直观、立体，施工人员从模拟中找出进度关键节点，解决传统施工过程中编制施工进度计划理想化的问题。通过进度模拟成果，可直观感受施工进度并持续进行进度比对，如发现进度滞后可及时纠偏，以保证施工进度满足工期要求。第三层土方施工进度模拟如图3所示。

图3 第三层土方施工进度模拟

3.6 合理进行空间布局

该工程建成后是一座数字化的写字楼，楼内采用了很多先进的设备和复杂的管线设计，因此合理优化设备和管线空间布局不仅是出于施工便利的考虑，更是为日后的运行维护打下良好基础。BIM团队结合该项目结构特点，全面复核了结构的布置情况，运用BIM软件的实体功能，综合考虑房间整体布局以及操作、维修人员的工作空间，进行深化设计，通过模拟对每一处复杂节点制订了多个布置方案，最终从美观、施工便利的角度确定最佳的布置方案。

3.7 模型漫游

传统施工中无法展示建筑物的整体效果，也不能直观评估和感受基坑布置等多方面的问题。而通过模型三维漫游能够直观全面地展示任意位置支护结构，带给用户很强的亲身体验，为项目的整体评估提供全面、科学的依据。

3.8 可视化虚拟交底

传统的施工交底是基于图样及规范要求，对于复杂节点的交底多采用平面图形式，并配合施工人员的空间想象能力进行，但因每个人的空间想象能力差别较大，交底效果一直不理想。借助BIM可视化模型，模拟展示施工效果，并对复杂节点进行三维技术交底，方便施工人员了解复杂节点及关键工序的成型效果。辅助漫游动画，可以有效提升施工工艺及效率。同时，三维可视化模型实现了支护、结构信息的无损传递，有效控制了传递过程中的信息衰减。在该工程中，内部土方及锚杆施工中复杂的节点和虚拟三维交底得到应用。

4 结语

通过在中国农业科技国际交流中心项目基坑工程中应用BIM技术，得出以下结论：①BIM技术具有强大的建模功能，可更加直观、深刻地展示图样，有利于对异形结构的把握；②通过三维渲染效果可以形象生动地向招标单位展示施工重点和难点，提高项目中标率；③经过分段建模可以预见并解决图样中存在的问题，大幅减少施工过程中的技术问题、安全问题，避免因图样问题造成返工整改，实现技术创效；④通过三维模型能够更加直观地对现场劳务人员进行交底，提高交底质量，提高现场施工管理效率；⑤通过应用BIM技术使护坡桩、内支撑、格构柱等的施工精准、合理，有效避免返工费料，优化资源配置；⑥通过对关键、复杂节点的模拟，可以不断改进施工工艺，提高施工水平；⑦在模型中实时跟进施工动态，直观反馈，一目了然；⑧BIM技术强大的信息资源整合能力，便于建筑全生命周期内的管理和维护。