基于BIM技術的深基坑工程施工模擬研究

虞偉良

(浙江省一建建設集團有限公司,浙江 杭州 310013)

當前國內高層建筑大興熱潮,城市的地下空間得到深層次的開發與利用,建筑工程中開挖深度超過20 m的深基坑工程逐漸增多。此類深層基坑多構建在人口密集的區域,難度大,施工環境復雜。在這樣的情況下,如何科學設計深基坑支護,減少周圍環境對深基坑工程質量的制約與影響,提升深基坑的施工質量成為廣大建筑工程師的共識。作為一項系統而異常宏大的建筑工程,深基坑施工涉及面廣,施工環境復雜,受到來自地下結構、地質條件以及施工場地等多方面影響。需要建筑師們進行科學規劃、合理施工以及科學監測,BIM技術為此提供了良好的條件。作為應用于工程設計建造管理的專業化與數據化的工具,BIM技術通過建模與數據整合,在項目的設計階段、項目建設以及管理階段等都可運用,尤其在項目初期的設計上,利用BIM技術指導施工深化、控制施工的進度以及工程量,大幅度提升建筑工程集成化的程度,能提高整個建筑工程中的效率與質量。

1 BIM技術在深基坑施工中的優勢

BIM,英文全稱為Building Information Modeling,建筑信息模型的意思。具體是指以三維數字技術為底,利用數字模型,創建項目設計計劃,構造并運營整個項目管理的全過程。利用計算機三維軟件工具,構建包括建筑工程在內的完整數字模型,并在模型中包含詳細的工程信息,同時將這些模型和信息貫穿于建筑工程的設計、施工管理及運營管理等建筑全生命周期中[1]。BIM技術在深基坑施工中的優勢主要包括以下幾個方面的內容。

1.1 加強工作的關聯性

當前國內對于BIM技術的引進,主要集中在建筑結構領域,而地下工程中BIM技術的運用基本集中在地鐵的設計與構建過程中。主要功能為協同各部門開展施工過程模擬以及管線碰撞檢查,BIM尚有許多未開發的優勢等待探索與發現。那么如何結合自身的優勢以及國內外的運用現狀, 將這項科學技術深入運用于深基坑工程的前期勘察、工程方案的設計以及施工管理等方面,充分發揮其三維可視化、協同工作、深化設計及資源共享等方面的優點,對工程建設具有重大意義[2]。

1.2 提升工作的協同性

除此之外,BIM技術還有很強的工作協同性。利用BIM技術,為建筑工程中各方的參與搭建可供同步的新型工作平臺,使得各個平臺之間方便合作。及時溝通業主、設計方以及施工方等多方面的信息,隨時觀察建筑構建過程中的各個環節,提高深基坑建筑工程的質量,提升工作效率。通過新型的BIM技術建立三維模型,進行管線與結構、其他系統方面的碰撞與檢查,保證并滿足各系統的碰撞檢查,在滿足各專業不同布設原則的基礎上自動檢查出各系統之間存在的沖突或影響,提升整個工程建設團隊的工作效率,便于各個部門之間協同合作。

1.3 便于信息集成

BIM技術在深基坑工程中應用還便于信息的集成。BIM技術的關鍵是利用數字信息建立有別于傳統的三維數字模型信息庫,便于建筑工程師在進行方案設計的過程中隨時抓取信息。這樣的設計方式與之前的二維設計模式不同。此種模式中設計人員利用已經建立的數據庫,模擬建筑物的真實信息。這些真實信息包括：建筑內構件的空間關系、幾何形狀以及諸如管線設備、梁板柱等多方面的功能特性與建筑信息。此外，對于傳統二維圖紙的不能深化設計復雜建筑節點的特點,也能非常合理、科學地予以解決。

2 工程案例

工程位于杭州市D09號地塊金融中心項目,地下室分為3層、4層、5層,基坑挖深分三個標高,D09-1地塊基坑底板開挖深度為-17.50 m,電梯井為-20.85 m、-22.65 m；D09-2地塊底板開挖深度為-23.80 m,電梯井為-28.55 m；D09-3地塊底板開挖深度為-24.40 m,電梯井為-27.90 m。整個區塊基坑面積約為23 000 m2,同時基坑土質涉及到粉土等各土層,屬典型的大、深、難基坑,嚴格按照“時空效應”理論分層、分段、分塊開挖土方,遵循“分層開挖,先撐后挖”及“大基坑,小開挖”的原則。

3 工程地質

項目周邊為道路,擬建場區地勢較平坦,整個場地的地面高程在6.15～7.11 m。根據鉆探揭露及原位測試和室內試驗結果,依據工程特性及成因條件,將場區地基土劃分為8個工程地質層,22個亞(夾)層,各層的厚度、分布規律,各地基巖土層的分層描述及分布特征如下：

①雜填土：黃灰色,濕,松散,含較多塊石、磚塊及混凝土塊等建筑垃圾,塊徑一般10～70 mm,最大超過300 mm。充填粉性土為主。層面高程為6.05～7.11 m,最大揭示層厚為3.80 m。全場分布。

②砂質粉土：灰黃色,濕,稍密,含少量氧化鐵及云母屑。搖震反應迅速,切面粗糙,無光澤反應,干強度低,韌性低。層面高程為2.29～4.00 m,層厚為0.70～2.60 m。大部分布。

③淤泥質黏土：灰色,飽和,流塑,含有機質,少量腐植物及云母屑,具靈敏度,夾少量粉土薄層。無搖震反應,切面較光滑,光澤反應強,干強度中等,韌性中等。層面高程為-16.22～-11.69 m,層厚為0.60～6.30 m。全場分布。

④粉質黏土：灰黃夾灰綠色,飽和,軟可塑—硬可塑,偶夾薄層粉土。無搖振反應,切面較光滑,干強度高,韌性中等。層面高程為-18.89～-14.20 m,層厚為3.70～12.8 m。全場分布。

⑤粉質黏土：灰色,飽和,軟塑—軟可塑,含有機質,局部夾少量粉砂(小于10%)。無搖振反應,切面較光滑,干強度高,韌性中等。層面高程為-29.48～-22.54 m,層厚為0.60～6.10 m。局部分布。

⑥粉砂：灰黃色,很濕,中密,含云母、腐植物及貝殼屑,偶有分布。層面高程為-30.84～-26.17 m,層厚為0.80～5.10 m。大部分布。

⑦含砂粉質黏土：綠灰色,灰黃色,飽和,可塑,夾少量粉砂。無搖振反應,切面略光滑,干強度中等—高,韌性中等。層面高程為-41.73～-38.82 m,層厚為0.40～2.80 m。偶有分布。

⑧強風化含鈣含泥巖屑砂巖：褐紅色,母巖成分與結構已大部破壞,巖芯呈碎塊狀。錘擊聲悶,合金鉆頭鉆進平穩,進尺每米約10～20 min左右。層面高程為-54.09～-56.49 m,層厚為0.90～5.40 m。全場分布。

4 BIM技術在深基坑工程施工中的模擬

4.1 BIM技術在深基坑施工中的模型建立

相較于其他建模軟件或其他種類的施工模擬軟件,因為Navisworks、Revit軟件與當前施工中的主流軟件CAD等之間的信息交互性能較好,適用于在深基坑工程施工模擬中進行運用與推廣。該工程模擬立足于此,運用Autodesk公司的BIM技術進行建模。換言之,運用核心建模軟件Revit軟件進行該深基坑模擬建模,用Navisworks軟件進行三維施工建模。該工程案例的模擬是以CAD圖紙為基礎圖,用Revit軟件進行二次建模,其建立的模型見圖1。

圖1 深基坑項目整體BIM模型

該項目的錨桿運用的是內建族的方法,運用“基于面的公制常規模型”的族樣板制作錨桿模型,腰梁與冠梁也采用內建模型的方法,混凝土面層運用Revit自帶的墻單元進行圍堵建模。BIM技術給與的基坑支護結構建模見圖2。

圖2 支護結構的BIM技術建模

在BIM技術建模的過程中,為了方便后續的施工模擬。在劃分施工區段之后,還要對每個區段進行獨立建模,該項目分為4個施工區段,因此要建立4個獨立的模型。模型中的土層要嚴格按照對應的施工區段進行建模,對于各層各個部分的土體建模要運用參照面截取拉伸的方式進行內建模型建造,各層的各個部分之間要分離接觸面,這樣就方便后續編輯上的處理。該項目的深基坑模型各個部分之間的支護以及土體模型見圖3，各部分進行了合理劃分。

圖3 BIM技術下的基坑建模區域劃分

圖4 錨桿容易碰撞位置

根據上述的步驟,模型建立完畢之后,碰撞檢查緊隨其后。在碰撞檢查中,要仔細尋找設計與施工過程中的構件相互碰撞的位置,分析碰撞點,排除不合理的因素,預先解決施工前存在的問題,有效規避后續的施工變更。由于該基坑案例較為復雜,極易在側壁轉折處發生錨桿碰撞沖突,因此，為了規避此類風險,需要檢測有無此類的碰撞,尤其在支護結構上進行檢查?？梢赃\用三維直觀圖逐步逐項地檢查、分析與解讀碰撞點,見圖4。碰撞檢查結果多為錨桿桿體與冠梁、腰梁的碰撞,這是由于錨桿陣列布設時,未進行逐個結構連接,不影響正常施工,屬于合理碰撞,未發現錨桿間的非合理碰撞。在碰撞檢查的過程中,一旦碰撞條件設定項目不詳細,就無法排除構件本應相接或與鄰近構件落差等合理碰撞,BIM技術下的軟件還需要對此類功能進行研究,予以解決。

4.2 深基坑工程施工模擬

該深基坑工程的施工模擬順序為平整場地、定位放線、施工鋼管樁、開挖土方、錨索、錨桿及混凝土噴射面按照開挖層配合穿插施工,上層土體開挖后進行下層支護結構施工和石方爆破。依據初定的施工方式,編制施工計劃,利用數據源將施工計劃導入到時間線工具之中,在Navisworks軟件中添加巖土體及支護結構的場景動畫整理并附著選擇集合及動畫,調試模擬,導出模擬文件[5]。為了優化深基坑施工中土體開挖的工程順序,減少工期,避免窩工情況的發生，故需要嚴格把握土方開挖的施工連續性,以保證連續施工。在結合混凝土必要的科學養護時間下,分區、分層并且分步交叉進行流水作業,調整工程進度,進行三維施工模擬。在調整施工方案的過程中,穿插施工或者合理地進行工序搭接。一層的第三施工區段進行土體開挖的時候,同時間段的第一施工區段域第二施工段的腰梁與錨桿給與施工,形成有效的工序搭接[6]。見圖5。

圖5 深基坑工程開挖支護模擬動畫

值得注意的是,該模擬深基坑項目瀕臨江河，容易受到來自場地方面的限制，在開挖土方的過程中,如果將出土的坡道設置成常規的直行坡道,在最大坡度的范圍內很難避免深基坑支護結構下降,因此將其設計成曲線形狀。如此一來,既可以滿足最小的坡度要求,還能避免因為基坑支護結構上帶來的問題,這也是BIM技術下Revit軟件建模的直觀優勢所在。

5 結 語

總而言之,在深基坑工程施工方面運用BIM技術,模擬基坑施工過程,建立三維模型,模擬深基坑的開挖動畫,便于研究與發現施工可能遇到的問題,及時給與解決,從而提高施工效率與深基坑施工質量。本文根據實際施工案例,利用Revit軟件進行BIM技術在深基坑施工中模擬試驗,建立了相關的數據模型,分析在施工中可能遇到的問題,以期在實際操作中規避施工問題,提高工程質量。

[1] 何清華,錢麗麗,段運峰,等.BIM在國內外的應用現狀及障礙研究[J].工程管理學報,2012,26 (1)：12-16.

[2] 黃亞斌.BIM 技術在設計中的應用實現[J].土木建筑工程信息技術,2010,02(4)：71-78．

[3] 王陳遠.基于BIM的深化設計研究管理[J].工程管理學報,2012(4)：12-16 ．

[4] 楊科,康登澤,車傳波,等.基于BIM的碰撞檢查在協同設計中的研究[J].土木建筑工程信息技術,2013,5(4)：71-75.

[5] 譚佩,陳立朝,周龍翔. BIM 技術在深基坑施工中的應用[J]. 廣州大學學報,2016(1):64-68.

[6] 慕冬冬,付晶晶,胡正歡,等.BIM技術在深基坑工程設計中的應用[J].施工技術，2015(增刊)：773-776 ．