BIM技術在基坑工程信息化中的應用

童希明 劉光磊

(北京中巖大地科技股份有限公司,北京 100041)

引言

BIM是建筑信息模型(Building Information Modeling)的縮寫，它是一種數據化工具，將建筑物的特性用信息化形式模擬，在工程的設計、施工、運維管理等領域得到了很好的應用。近幾年BIM技術在國內應用的熱度不斷攀升，給建筑行業帶來了從二維到三維的巨大變革，建筑行業步入了信息化發展的新階段[1]。

通過BIM技術在建筑行業各領域的不斷發展，在各項目主要參建方的實際應用中，實現對項目全生命周期的把控。在基坑工程中，通過BIM模型的創建，將二維設計圖紙以三維形式進行展現，讓工程各方參與人員直觀感受項目全貌。通過施工過程模擬，對施工方案進行可行性分析，全面把控施工過程，合理優化現有施工方案，提高施工效率。4D的施工建造過程，對于項目管理層能夠更好地管控工程進度，對于一線工人能夠更清楚施工流程，從而保證了工程施工的安全和質量。5D的施工管理，在4D的基礎上增加了成本的因素，讓項目成本控制更加高效。BIM技術的應用，為項目各參建方提供了一個信息化共享的平臺，提高了對安全、進度、質量、成本的管控效率，達到了為項目建設增值的目的[2]。

1 工程概況

擬建國家會議中心二期項目位于北京市奧林匹克公園南側，位于大屯路以北。基坑規模210×480m，開挖深度為14.3m，地上3層，高45m，設計2層地下室，結構型式為鋼筋混凝土框架—剪力墻結構，基礎型式為平板筏板基礎。設計室內±0.00標高為45.20m，設計室外地坪標高為43.80m。基坑周邊環境相當復雜，南側緊貼運營中的地鐵奧森公園F口和環隧9號匝道，西側和北側整個斷面緊鄰環隧。地鐵口位于紅線范圍內，將于基坑開挖前停運并與國會二期項目統一進行改建，南側涉及地鐵保護區施工，所有基坑側壁安全等級均為一級。

2 BIM技術應用點分析

2.1 可視化

建筑行業目前還是依賴于二維的CAD圖紙進行設計和施工，二維圖紙傳遞的信息不直觀，只有專業的技術人員才能真正明白圖紙表達的內容，造成圖紙信息的傳遞效率低下[3]。利用BIM技術，通過三維模型的創建，將二維CAD圖紙轉變為三維的可視化模型，能夠幫助管理人員直觀地了解建筑的對象、工程的進展、施工順序及前后工序的銜接等內容[4]。

模型的建立通過Revit軟件實現，依據基坑支護設計圖紙，對基坑的模型進行創建，基坑的構件主要包括鉆孔灌注樁、錨索、冠梁、腰梁、鋼支撐等。模型建好后通過轉換格式，導入專門的渲染及漫游軟件里，(本工程渲染采用的是lumion)對整體模型和相關的構件進行渲染，基坑的效果圖如圖1所示。

圖1 基坑平面圖

2.2 施工模擬

根據Revit繪制好的三維模型，將其轉換成nwf格式文件，利用Navisworks軟件對施工過程進行模擬。施工模擬的效果直接取決于三維建模的精細程度，因此，模型的構件名稱要細化，以便模型導入Navisworks里能夠通過選擇樹命令直觀明了地區分不同構件的信息。

土方的開挖順序要按照基坑開挖專項施工方案進行，土方模型采用分區分層，按照先分層后分區段的原則，將土方模型細分為塊單元，并對其進行命名區分。基坑支護各構件的施工過程設置為構造，土方的開挖過程設置為拆除[5]。施工進度計劃可以通過導入編制好的Project文件直接識別，也可通過該軟件的TimeLiner功能編制進度計劃，計劃時間和實際時間可以采用不同的顏色予以區分，方便項目管理人員直觀地對進度進行管控。其它各構件的模擬過程可以根據Animator功能設置場景文件，包括縮放、旋轉和平移，更加清晰地掌握基坑的施工過程。

4D施工模擬為項目管理人員制定工期計劃及場地布置提供了直觀的依據，優化了護坡樁的分區施工順序。結合土方的開挖進度，合理調整了錨索和噴錨施工的工作面，在一定程度上避免了窩工及工序間的制約問題，改善了施工部署，提高了施工效率。利用施工模擬可以讓管理人員對基坑工程的各項重難點產生直觀的認識，方便施工人員直接了解設計圖紙的內容和施工過程[6-8]。 協助項目管理人員提前發現施工過程中可能出現的問題，從而及時通過調整設計等手段，避免問題的出現，提升基坑的施工質量。施工模擬設置界面如圖2所示。

圖2 施工模擬界面圖

2.3 協調性

協調意味著各單元之間不會相互影響，協調性可以通過碰撞檢測功能實現。在完整的基坑模型創建過程中，可以發現大量隱藏在設計圖紙中的錯漏等問題[9]。碰撞檢測是BIM技術中應用較為廣泛的功能之一，對基坑設計和施工有一定的指導意義。在本工程中，碰撞檢查包括基坑支護體系與周邊環境的碰撞、支護體系之間的碰撞情況。檢查中共發現81處碰撞問題，具體如：在基坑的陽角位置，錨索易產生“打架”現象，通過碰撞報告，調整該區域的錨桿布置角度來減少相互間的受力影響； 鋼支撐支護處，錨索與鋼支撐位置沖突，在保證滿足設計的情況下，調整該處錨桿的高度予以避免； 錨索與原有環隧結構和環隧支護結構的位置沖突，對錨桿的角度和長度進行了相應的調整。將碰撞檢查作為一項預判的方法，為設計和施工人員提供一定的參考，通過設計優化或者通過一定的施工方法予以消除。利用BIM技術提前發現圖紙問題，在現場施工前將問題解決，避免后期窩工返工等現象，為確保工程按質按量按工期完成提供了保障。錨索碰撞情況檢查如圖3-4所示。

圖3 陽角處錨索圖

圖4 錨索碰撞檢測報告圖

3 精細化管理

3.1 施工進度管理

本工程周邊環境比較復雜，在基坑支護設計階段，通過Revit的出圖功能生成平、立、剖圖，三維模型的創建在一定程度上避免了二維圖紙的構件沖突問題，改善了設計圖紙的質量[10]。通過BIM技術可視化進行4D模擬施工，有利于各參建方提前熟悉施工過程，了解與其他參建方的工序銜接等問題，確保了項目各施工階段的順利進行，在一定程度上保證了進度和減少了工程的成本。現場施工面有限，材料加工、堆放和運輸等經常出現混亂狀況，利用BIM技術對施工過程多次模擬，對現場的機械設備、人員、物料進行優化區域布置，保證物料的及時供應，提高施工單位的管理效率，利于其對施工進度的掌控。

3.2 施工質量管理

施工過程中，各專業交叉現象較為常見，往往由于溝通不暢造成窩工和返工現象。施工前利用BIM技術將二維圖紙轉化為三維模型，便于參建各方直觀了解工程全貌，使得建筑設計圖紙的意思表達更為明了。在模型修改過程中，應用BIM技術能夠實現圖紙隨著模型變化而變化，減少了圖紙設計人員的工作量，提高了圖紙的質量[9]。本工程部分周邊環境資料與實際有偏差，施工過程中進行了很多次設計變更，模型隨著圖紙變動快速更改，對變更處及時向現場人員進行可視化交底，避免盲目施工。

BIM技術的施工模擬，可以讓施工人員在施工開始就知道應該采取什么樣的施工方法，按照怎樣的先后順序進行施工，提高了施工人員的施工技術水平，保證了施工質量。現場24小時施工，夜間物料進場質量不好把控，通過相關軟件的配合，實現了物料精細化布置和管理。將物料的信息通過二維碼展現，通過手機端和電腦端對物料進行全程跟蹤，降低了物料的損耗，保證了施工質量[11]。BIM技術應用施工模擬讓各專業了解自己的施工順序，為施工過程制定精準的資源供應計劃提供了保障，避免額外費用。

3.3 施工安全管理

本工程基坑開挖深度14.3m，屬于危險性較大的分部分項工程。施工安全問題作為工程的首要任務，是保證工程進度和質量的前提。項目部通過BIM技術合理布置施工場地，對施工平面布置圖進行優化調整。通過可視化應急演練模擬，對消防設施、人員疏散等進行預判，讓施工布置更為合理。在虛擬環境中模擬高空墜落、觸電等場景，讓施工人員如同身臨其境，體驗到事故的危險性，提高現場施工人員的安全意識。結合現場實際情況，有針對性地編寫施工安全專項方案，降低事故的發生率。通過對現場施工人員進行安全考評，反饋的結果顯示，現場作業人員安全意識明顯增強。利用安全巡檢系統對現場隱患進行記錄，責任落實到人，能夠及時排除安全隱患，提高安全管理的效率。

圖5 結構框架明細表

3.4 施工成本管理

施工成本是基坑工程成本管理的核心，如何管理好成本問題成為了項目管理的關鍵。本工程主要采用樁錨支護，局部采用內支撐，涉及到鋼筋和型鋼的種類多且數量大。在建模過程中，豐富各構件信息，包含構件的類型、尺寸、成本等要素。對創建的構件族進行必要的文字描述，以便在生成的明細表里篩選統計各構件工程量。BIM模型通過相應的建模軟件直接導出工程量，而且生成的工程量較為客觀，提高工程概預算的準確性[12-13]。施工過程中，往往會由于價格波動、設計變更等因素，造成成本數據不能實時掌控，利用BIM5D技術可以很好地對成本進行管控[14-15]。現場用料尤其是鋼材，價格波動較大，項目部依據掌握的材料價格信息，對模型構件的成本信息及時更新。在模擬施工過程的基礎上，根據各階段人、材、機的預測，合理制定需求計劃，有效地避免了材料進場不足影響施工進度以及進場過多可能出現的存放和二次搬運問題，實現了成本的精細化管理。

4 結論

伴隨城市建設的不斷發展，地下空間的優勢逐步顯現，基坑開挖深度的不斷增加，基坑施工的難度也越來越大。傳統的基坑工程施工管理存在信息傳遞不及時，傳遞效率低、共享性差等問題，各參建方和各專業人員不能很好地進行溝通與配合。通過在國家會議中心二期項目上應用BIM技術，將模型和施工現場相關聯，提高了工程的質量，保證了進度，加強了施工成本的管控。BIM技術應用貫穿于基坑工程設計和施工全過程，將設計理念直觀以三維的形式展現。BIM技術對于設計人員及時修正缺陷以及協助現場管理人員制定更加有效的方案具有十分重要的意義，也為基坑工程信息化施工管理模式的形成奠定了基礎。