基于BIM技術的某電視中心項目深基坑施工方案優化的應用研究

陳燕安 王 榮1,2 廖 羚1,2 鐘超瑜3 賴溯欣3 趙婕

(1.廣西科技大學 土木建筑工程學院，柳州 545006； 2.廣西科技大學BIM研究中心，柳州 545006; 3.廣西建工集團第三建筑工程有限責任公司，柳州 545002)

引言

隨著我國經濟與技術水平的不斷提升，高層建筑、地鐵工程以及地下空間的開發發展迅猛，基坑工程的深度、規模及數量日益增加，并向著更大更深的方向發展[1-2]。當前我國深基坑工程呈現出與周邊建筑距離近、對施工工藝要求高、形狀復雜、施工場地緊張等特點，這些特點決定了施工過程必然潛在各種不確定性風險[3]，這樣的不確定性可能存在重大的成本超支和延遲風險以及環境風險[4]。而傳統的二維設計及施工模式已經難以滿足基坑工程的有效管理。

近年來，BIM(building information modeling)技術在工程項目中的應用日趨廣泛。BIM是“以三維數字技術為基礎，集成建筑項目各種相關信息的產品信息模型，是對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達”[5-6]。它的提出是為了解決建筑全生命期各階段信息傳遞與應用?；贐IM的三維可視化、模擬性等優勢，突破了許多以往無法攻克的施工難題，尤其在當下建筑產品設計愈見多樣化、個性化，地質條件較為復雜多變的情況下，BIM的價值將更能體現出來[7-11]。目前BIM技術在基坑工程中的應用涌現出諸多優秀的工程案例，如劉一鳴[12]等采用BIM可視化技術對基坑周邊環境及支護方案進行設計； 吳邁[13]等基于BIM的可視化及可模擬性對大面積深基坑的土方開挖方案進行了優化； 宮培松[14]等基于BIM模型對深基坑工程施工方案自動圖審進行了研究，較傳統的人工圖審方式節約了時間和人力資源。本文基于當前BIM與基坑工程相結合的研究理論及方法，在某電視中心項目深基坑的施工全過程中引入BIM技術，致力于提高項目的施工效率和建造效益。

1 工程概況

擬開工建設的某電視中心項目位于城市中心，四周均為城市道路，路邊均有已建成的高層商住大樓。項目總投資約3.07億元，計劃于2019年5月竣工。項目建成后，將面向東盟，集電視傳播、譯制、制作、演播、影視文化交流、電視影像展示、電視節目交換于一身。工程總用地面積約為5 183.63m2，總建筑面積31 915.26m2，設地下室3層，地上21層，基坑開挖深度約為14.8～18.0m。基坑周長約257m，面積約4 068m2，地下室范圍線距紅線距離僅5m。西北側紅線外為34層某商業大廈； 東北側紅線外為商業購物中心； 東南側紅線外為20層的某技術業務綜合樓； 西南側紅線外為22層商住大廈?；又苓厽o放坡空間，基坑開挖深度較大，且受錨桿支護結構不能超出紅線范圍的限制，支護只能采用內支撐支護形式(詳見圖1)。由于現場條件較為苛刻，為保證深基坑施工的順利進行，廣西科技大學BIM研究中心與廣西建工三建聯合以“校企合作，產教融合”的模式開展BIM技術在項目深基坑施工方案優化中的研究與應用。

圖1 項目鳥瞰圖

2 參數化BIM模型創建

參數化建模是一種快速構建、快速修改的方法。通過對結構構件設置相應的參數，然后根據結構模型的實際需要，在原來的基礎上通過調節構件參數驅動構件發生改變。由于BIM模型中保存所有需要的信息，參數包含了構件的所有真實屬性，因此可以在此基礎上實現模擬計算等功能，而且參數之間能夠相互關聯，達到一處修改、處處修改的效果[15]。參數化技能在實際BIM工程中隨處可見，根據對已經完成的BIM模型的經驗總結，實際工作中搭建BIM模型的時間僅占總時間的20%， 80%的時間是在不斷地修改、變更、維護、完善BIM模型，參數化技術可以提高BIM模型修改維護效率和方便性，節省工作時間意義重大[16]。本項目應用參數化建模有效地減少了重復搭建模型的工作，提高了基于BIM的土方開挖方案論證，進度控制方案優化等應用的工作效率。

在項目開始初期，團隊就依據國家標準和項目需求編制建模標準，統一標高軸網，為項目BIM應用實施奠定良好的基礎。同時為便于實施過程中信息的修改和維護，先根據項目的需求把要建立的相關參數整理出來，再把相關族設計成參數可控制族文件，讓各參數相互關聯，降低了因設計圖紙變更等原因導致的BIM模型修改工作量，縮短信息傳遞的時間，提高工作效率和工作質量。具體參數化族創建思路如圖2所示。

圖2 參數化族庫創建路線

在本基坑項目中，利用參數化快速建模，提高建模效率。如施工塔吊的模型構建時，常規施工塔吊族(如圖3所示)無法根據施工的實際要求對模型進行快速參數修改，以至于增加建模時間； 而本文通過建立施工塔吊可參數化族(如圖4所示)，根據施工實際要求，可對其高度、臂長等一系列參數進行快速修改。在內支撐建模時，對支撐構建采用參數化建族，節省了大量的建模時間，提高了工作效率。

圖3 常規塔吊族

圖4 參數化塔吊族

3 BIM應用

3.1 三維場地布置

傳統施工場地布置往往都是現場技術負責人根據現場CAD平面圖并結合施工經驗，進行的大致布置。因為CAD圖紙是平面二維圖，沒有具體的模型信息，項目技術負責人往往是憑經驗和感覺進行的場地布置，因此很難及時發現場地布置中存在的問題，更沒有能對場地布置方案進行合理優化的可靠依據[17-18]。借助 BIM 技術對施工場地布置進行預演，通過三維可視化模型，可以規避施工過程中可能出現的設備工作范圍碰撞、臨時設施布置缺漏、材料二次搬運距離過長等問題，促進安全文明施工，保障施工計劃實施，控制現場成本支出。

本項目地處市中心，周圍居住區密集，基坑周邊無放坡空間，基坑開挖深度較大，且受錨桿支護結構不能超出紅線范圍的限制，支護只能采用內支撐支護形式，對項目部材料堆場、施工機械放置等提出了嚴格的要求。通過初步的場地布置方案，建立施工設施構件庫，對現場施工設施進行一比一的建模，并錄入相應的材料、型號等相關信息，為場地模型的建立提供精確的族文件，在進行施工現場三維模型建模時，可以將相關族文件成批導入到三維模型中，有效提高了三維場布模型搭建速度和精度。根據三維模型來設置施工機械的進場和施工過程的行走路徑，找出并優化其行進過程中的碰撞點。同時對辦公室、生活宿舍、材料堆放、材料加工、塔吊、電梯等施工設施進行合理的布置。本項目基坑為分階段開挖，各階段現場場布變化較大，利用BIM可視化的功能，建立各開挖階段的場布模型(場布模型如圖5-圖6)，論證其合理性，如原開挖第一道支撐的方案把鋼筋加工棚設計在場地西北側，經三維場布模擬后發現其位置在后期阻礙支撐澆筑施工，需進行位置移動，方案經重新討論后，把鋼筋棚位置改在塔吊東部一側，減少了后期搬運費用，提前發現存在的問題并進行修改。

圖5 開挖階段第一道支撐場布模型

圖6 開挖階段第三道支撐場布模型

3.2 基于Revit的工程量計算

長期以來，由于施工過程的高度動態變化，施工資源及成本管理主要依靠人為控制，現有資源及成本管理軟件只能輔助管理者進行必要的計算和統計，無法對施工資源和成本進行實時監控和精細管理[19]。BIM作為新一代計算機輔助建造技術可以在3D模型的基礎上添加時間、成本信息，實現4D、5D虛擬建造，更有利于在工程設計階段去發現、分析、解決建造階段將會出現的問題。本項目通過工程造價管理的信息化，開展BIM土建算量對比工作，可更準確地確認工程的材料消耗量、材料入場時間，減少倉儲費用，降低資金占用率，提高建設資金的使用效益。

由于施工過程中圖紙變更頻繁，對現場預算工作要求高，提前計算工程量有利于現場物資管理和人力資源分配，本文利用BIM技術進行了工程量計算的探索。本文工程量計算基于Revit來進行并只涉及本項目基坑工程部分，共布置立柱樁74根，主樓區域樁底至柱頂長度約為32m，其余為27m，其中立柱樁1共45根，支撐下方的灌注樁為φ1500mm長9m，其中鋼管樁伸入鋼筋籠內3m。立柱樁2共29根，支撐下方的灌注樁為φ1500mm長13m，其中鋼管樁伸入鋼筋籠內5m。鋼立柱規格為φ609鋼管立柱，壁厚16mm，鋼立柱鋼材采用 Q345鋼。高壓旋噴樁共計768根，最大深度約為27m，最小深度約為24m。直徑800mm，間距450mm，搭接350mm。此外還包括了三層支撐及其他構件工程量計算。Revit是三維設計軟件，它與傳統的二維設計軟件的不同之處在于，Revit是在虛擬的三維空間里搭建工程實體，在搭建的過程中會自動統計實體的幾何尺寸與體積等各項參數，且軟件本身自帶明細表功能，可對模型工程量進行統計匯總。例如，根據設計資料和前期建立的參數化樁基族來建立精確的三維模型，再通過體積匯總獲得樁基混凝土用量(部分工程量統計如圖7、圖8)，可細化到每一根樁在實際的澆筑過程中混凝土的實際用量與Revit統計量進行對比，通過分析差量及時找出原因，改進施工方案，降低施工材料的不必要浪費。同時根據擬施工要求對材料供應進行科學合理的安排，使得既滿足工程實際需要也符合施工場地的應許條件，保證深基坑現場施工高效有序進行。

圖7 高壓旋噴樁明細表

圖8 第一道鋼筋混凝土支撐梁明細表

3.3 基于BIM的土方開挖方案論證

基坑工程區別于其他建筑工程的最大之處在于土方施工，由于受周邊環境、場地或豎向支撐體系的限制，土方開挖方案也是基坑設計時需要重視的問題，比如出土口的布置、土方開挖的先后順序、車道的設計等。使用BIM技術進行4D施工過程模擬，能夠將方案充分展現，從而達到增強溝通，提高工作效率的目的[20]。

由于工期短，場地條件限制大(地處鬧市，無放坡空間)，涉及多方協調施工，所以土方開挖方案必須進行深度優化。通過項目技術會議確定采用分段分層開挖，有五層四區法、四層四區法兩個方案。為達到節約工期、降低成本和提高方案科學性與合理性的目的，采用Revit對各方案進行三維模型搭建，再把模型導入Navisworks軟件中，通過Timeliner功能，對土方開挖進行過程模擬，可直觀地把握每個時間點的施工進度，發現開挖面布置不合理處并及時調整?；贐IM的開挖方案模擬技術核心是必須保證圖元與施工任務相互對應——即選擇集的定義。本文從以下三方面入手。

1)初步確定需要模擬的開挖方案與進度要求，明確施工任務安排；

2)在Revit上建模時，把土方開挖模型按照施工要求和進度進行分解后再導入Navisworks，確保分解后的模型能夠被定義成合理的選擇集；

3)創建任務，建立選擇集，設置任務類型，明確其在施工模擬中的表現。

在得到模擬數據結合現場各方意見最終決定采用五層四區法進行土方開挖(開挖方案模擬如圖9-10)。

圖9 五層四區法

圖10 四層四區法

3.4 進度控制方案優化

建設項目進度控制是一個動態控制過程，是用工作計劃把一個工程項目實施全過程的各階段、各承包單位按照建設規律依次組織起來，將各生產要素按照需要布置在各階段和各參與單位的物理空間內，然后啟動整個體系，讓體系按照設定好的程序運行起來。同時用一個動態的工程項目進度管理系統來控制和調整，使整個項目均衡協調有序地達到預先設定的目標[21]。

傳統進度控制雖然可對進度計劃進行優化，但是其可視性弱、協同各專業較為困難，無法使進度充分優化。當進度計劃中沒有被發現的問題在施工階段表現出來時，會對工程項目產生非常嚴重的影響?；贐IM技術的施工進度控制，利用其可視化、數據化、動態化的特點來進行科學的進度控制，把現場的人、材、機信息同時錄入，使信息得到整合，及時修正施工組織計劃中可能出現的缺陷，協助管理者制定更為合理的計劃，降低成本和風險，增強管理者對施工過程的控制力。

圖11 進度控制方案優化技術路線

圖12 進度控制方案優化模型

本項目采用Navisworks軟件進行進度控制方案優化，在Microsoft Project上編制好進度計劃后將其導入到Navisworks中，通過Timeliner、對象動畫、Clash Detective三個功能的相互鏈接，根據項目任務的開始時間和持續時間觸發各相應對象移動并安排其進度，進行工作空間和過程規劃，進行基于時間碰撞檢查和進度碰撞檢測。將提前完成、按時完成和推遲完成的施工進度進行模擬，可直觀檢查實際進度是否按進度表的要求進行，直觀地把握每個時間點的施工進度，在出現不可抗力的情況下可以及時對問題進行分析并采取補救方案，發現不合理處及時調整(技術路線如圖11，進度控制方案優化模型如圖12)。

4 結語

目前BIM技術在建筑工程各領域應用廣泛，是項目實行有效施工管理的主要輔助手段之一?；谀畴娨曋行纳罨庸こ痰靥幊鞘兄行?，施工作業空間狹小，工序復雜等一系列施工難點，本文應用BIM技術對該深基坑工程進行三維參數化建模，然后對其進行三維場地布置和工程量計算，最后把模型導入Navisworks中進行施工可視化模擬以論證基坑施工方案的可行性。結果表明，通過參數化建模可以節約大量的建模時間； 利用Revit平臺對施工現場進行三維模擬布置，提前發現場地布置不合理之處，有利于各功能區在施工全過程發揮更大的作用； 通過Revit工程量明細表，有利于項目工程量計算與核對工作； 結合Navisworks軟件對施工方案進行模擬，對施工方案進行優化，確保深基坑現場施工高效有序進行。