基于BIM技術的復雜深基坑支護設計分析

姜 林 海，劉 帥，黃 鉅 君，蔡 佳 愿

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230)

隨著我國城鎮化進程不斷推進，地下空間開發迅猛發展，此背景下復雜的深基坑支護設計和施工不可避免。對復雜的深大基坑，傳統的CAD設計無法在協同和表達上更好地描述其復雜的地面、地下構筑物以及支護結構等[1]。BIM(building information modeling)利用三維數字技術，構建三維信息模型，對建(構)筑物物理特性等進行數字表達[2-3]，是一種應用于工程領域全過程的數據化工具。隨著國內相關技術規范的相繼出臺，BIM在工程建設領域得到了迅速推廣和應用[4-8]，但在復雜深基坑工程中的應用還不多。本文基于BIM技術，應用Autodesk平臺的系列軟件，針對實際工程案例建立復雜深基坑模型，分析了如何有效地將BIM技術應用到復雜深基坑的設計和施工中，以進一步提高復雜深基坑的設計效率、設計質量和施工的安全性，以期對工程實踐起到一定參考作用。

1 工程概況

一深基坑項目位于鬧市區，基坑段為市政下穿道路，道路上方有地鐵車輛段，下方有U型槽結構、管廊結構、雨水泵房結構、雨水管和污水管以及上蓋結構基礎等，各結構交叉多。基坑北側為已建地鐵高架橋，基坑東西兩側周邊為鄰近項目已建的工程樁和承臺，局部工程樁與本基坑圍護結構緊貼，基坑條件復雜。基坑開挖面積約1.4萬m2，基坑長約210 m，寬約70 m，最大開挖深度約11 m，屬于復雜深基坑。

2 基坑支護設計方案

基坑支護主要采用直徑1.0 m鉆孔灌注樁+鋼筋混凝土支撐進行支護，灌注樁之間掛網噴混凝土，在灌注樁外側設置單排水泥攪拌樁作為止水帷幕，灌注樁靠基坑內側采用攪拌樁進行坑底加固。南北兩端因預留二期施工，采用放坡，局部采用鋼板樁支護，基坑支護方案詳見圖1。

圖1 基坑支護方案示意Fig.1 Sketch of design scheme of foundation pit support

3 基坑支護設計難點

(1) 地質條件復雜。開挖范圍內原為魚塘，淤泥軟土深厚。場地土層主要以淤泥粉細砂層、淤泥層、細砂層、粉質黏土層、全風化泥質砂巖層、強風化泥質砂巖層以及中風化砂巖層為主，由北向南淤泥厚度逐漸加深。

(2) 周邊環境復雜。基坑北側為在建地鐵高架橋墩，東側和西側緊鄰基坑均為在建施工項目。

(3) 基坑平面為曲線型，呈現不規則基坑形狀，導致出土設計和施工困難。

(4) 基坑開挖后需完成U型槽結構、管廊結構、承臺結構、雨水泵房結構、污水管、雨水管等施工，基坑支護系統與各種結構易形成交叉。

(5) 如圖2所示，該基坑由于含有管廊及U型槽等結構，基坑剖面為“U”型，基坑深度由北向南逐漸變化。基坑東側坑底為承臺，深度約8 m，基坑西側坑底為管廊，最深處約11 m，基坑底非平面，開挖非對稱。

圖2 結構關系剖面示意Fig.2 Sketch of relationship between different structures

(6) 該基坑上部為地鐵車輛段上蓋，基坑的完成進度直接決定著整個項目的施工工期，為關鍵工作，施工工期短。同時基坑南側仍有部分土地未能征收，基坑開挖受到周邊環境的制約。

由于以上難點，該項目基坑支護設計采用常規的平面設計圖紙難以準確表達基坑系統復雜的關鍵節點、關鍵工序等內容，因此有必要利用BIM技術建立三維模型進行設計分析，指導施工。

4 BIM模型的建立

4.1 支護方案三維可視化模型

BIM技術可以實現直觀的可視化設計。可視化的BIM設計成果一方面幫助人們快速理解設計意圖，方便各方進行交流，增加信息交換率；另一方面可以有效地解決空間沖突等問題[9]，有利于設計人員及時發現設計方案中的缺漏、交叉和重難點。

基于BIM技術的基坑設計將傳統的二維設計轉變為三維可視化的動態設計，該設計方法所建立的BIM三維模型包含各種各樣的信息數據，可通過3D模型生成所有文檔以及圖形，且與模型保持邏輯關系。當設計人員改變基坑模型時，與其配套的文檔與圖像會同步更新[10]。

如圖3所示，根據基坑支護設計方案，利用Autodesk Revit軟件，應用自建的支護結構和承臺結構等單元族構件，建立基坑支護方案的三維可視化整體模型。

圖3 基坑支護三維模型Fig.3 3D model of foundation pit support

4.2 圍護結構模型

如圖4 所示，該項目支護樁由392根鉆孔灌注樁組成，樁的數量多、設計樁長隨軟土層厚度的變化大。傳統的二維基坑支護設計圖紙只能通過大樣圖和工程數量表來表達灌注樁的數量等信息。而應用BIM模型，可以直觀表示每根灌注樁的空間位置、間距、長度、尺寸等信息，可以查詢樁的詳細信息。在后期的施工過程中，還能通過三維模型實時指導支護樁的施工順序，進一步提高了施工質量，促進設計與施工的緊密結合。

圖4 豎向圍護結構模型Fig.4 3D model of vertical enclosure structure

4.3 支撐系統水平結構模型

支撐梁包含主撐、連梁以及角撐等，按照平面布置圖進行建模。如圖5所示，模型可單獨顯示水平支撐系統，理清水平支撐與豎向支撐構件間的空間關系，便于進行合理的支撐布置。

圖5 水平支撐結構模型Fig.5 3D model of horizontal support

4.4 支撐系統豎向結構模型

建好立柱樁、工程樁模型后，在其豎向標高頂部設置立柱，利用模型統計立柱樁及立柱工程量。立柱與立柱樁間空間關系的清晰表達對設計和施工質量控制尤為關鍵。在設計過程中，通過Revit軟件構建立柱與立柱樁的空間關系，若有碰撞或偏差能及時糾正設計，進一步提高了設計效率和質量。該基坑設計中立柱樁有以下兩種類型。

(1) 普通立柱樁。一般立柱按常規設計，底部設置直徑1 m的鉆孔灌注樁作為立柱樁，立柱樁進入非軟土持力層并且滿足計算要求。在BIM模型中準確表達出格構立柱與管廊結構、基礎承臺、支撐梁等位置關系。

(2) 工程樁兼作立柱樁，優化豎向結構設計。為節約造價，利用上蓋結構的工程樁兼作立柱樁。布置支撐梁時，需注意將支撐梁的節點置于工程樁的上方，并對中保證精度。在BIM模型中建立承臺位置，直觀地表達承臺與承臺底部的工程樁以及立柱與支撐梁的空間位置。后期施工過程中通過BIM模型能夠更準確地定位，從而進一步提高樁和支撐系統的施工精度。

5 BIM模型應用

5.1 基坑復雜節點設計

在基坑支護的施工圖設計階段，一些復雜節點常常難以靠二維平面或工程師的想象等方法來進行設計。應用BIM模型能直觀地對施工圖上的復雜節點進行三維深化設計，降低了對設計人員抽象三維想象能力的要求，既節約了深化設計耗時，又可減少因抽象考慮不足引起的錯漏或質量問題。該項目基坑復雜節點設計有以下幾方面內容。

5.1.1角板設計

該基坑由于周邊存在大量工程樁或承臺結構，基坑圍護結構因躲避這些結構導致基坑平面不規則，出現陰角、陽角等受力不均勻部位。通過受力分析，支撐體系在陰角、陽角等位置受力復雜，需要采取一定的加強措施。設計中考慮在角部設置200 mm厚鋼筋混凝土板，以抵抗不利變形，避免角部受拉導致支撐體系破壞，具體詳見圖6。

圖6 支撐角板模型Fig.6 3D model of slab for support

5.1.2出土口設計

項目施工工期短，基坑周邊限制條件多，基坑北端為市政道路，南端為暫未征下的村民用地，出土口設計是該基坑支護設計中的重點和難點。出土口的位置及布置形式直接決定了出土的效率，影響項目的總工期。

基坑東側為建設場地，具備出土條件，設計中考慮將出土口設置在東側。出土坡道按不小于1∶7比例設計，坡面鋪設500 mm厚碎石墊層，出土口軟土采用碎石換填。挖機行駛通過冠梁時應在梁頂上鋪設50～70 mm厚土層并壓實，再鋪設20 mm厚鋼板保護冠梁。

二維設計較難反映出土坡道與支撐梁之間的位置關系。如圖7所示，設計分析中通過建立出土坡道三維模型，用以確定出土口在基坑中的空間位置，展現出土坡道與支撐梁及支撐豎向構件的空間關系。通過三維模型發現：中部①號支撐梁與運輸車輛發生碰撞，設計中通過局部加強等措施，挪動該碰撞的支撐梁來增大空間，從而確保了出土運輸的暢通。

圖7 出土坡道設計模型Fig.7 3D model of earthwork transport ramp

5.1.3預留反壓土臺設計

基坑西側管廊結構距離坑邊有一定距離，為進一步提高支護結構的穩定性，減小支護結構水平位移，在西側坑底預留土臺用于反壓。應用BIM模型更為直觀地表達預留土臺。在基坑支護設計交底時，BIM的應用使得相關施工人員清晰理解基坑的施工工序，避免在基坑開挖過程中出現多挖、超挖現象，確保土臺預留的完整性。

1) 淮海經濟區城市綠化狀況對國內旅游收入有顯著的正相關作用,相比較而言,建成區綠化覆蓋率對旅游經濟的影響遠不及人均公園綠地面積．人均公園綠地面積和建成區綠化覆蓋率都是衡量城市綠化水平的重要指標[15]．但是，綠化覆蓋率主要表征綠地空間規模與城市建設空間的關系,更側重于綠化的生態效益,而人均公園綠地面積則側重于城市居民人均可以享有的綠地多少,是一種間接衡量綠化的指標,代表綠地產生的社會效益指標[16]．這與人均公園綠地面積對旅游收入的影響更為顯著的數據結果相吻合．

5.1.4坑底加固

設計中考慮沿著基坑長邊方向緊貼支護樁內側設置寬度約4 m、深度約4 m的坑底加固區，通過對坑底軟土進行加固以防止圍護結構發生“踢腳破壞”。

在實際施工中，攪拌樁施工質量的成敗決定著基坑支護的安全，在基坑深度較深的情況下，攪拌樁的成樁質量難以保證。在施工階段，可應用已建好的基坑BIM模型向施工單位相關人員進行交底，以便更清晰、更準確地表達設計意圖，提高施工質量。

5.2 各種結構間的碰撞檢查

在三維模型中整合基坑周邊樁基、地鐵高架、支護系統和工程樁等結構，快速核查基坑圍護樁與地鐵高架基礎及周邊工程樁之間的安全距離，可以直接在模型中修改設計，確保了后續的實際施工安全，提高了出圖效率并減少設計變更次數。

在進行基坑內各種結構的碰撞檢查時，可將相關結構按構件種類拆分，Revit軟件能夠較好地查找并顯示碰撞位置及碰撞結構間的相對位置關系。

如圖8所示，對U型槽、管廊、承臺、工程樁以及立柱樁等結構進行碰撞檢查，發現碰撞及時修改、調整，避免將碰撞遺留到施工階段，產生不必要的損失。

圖8 立柱樁與管廊結構間的碰撞檢查Fig.8 3D model of clash check between erect column pile and allure structure

5.3 施工過程模擬，關鍵工序交底

基坑的BIM模型包含了基坑的整個生命周期，其豐富的信息與強大的功能可以應用于基坑設計、施工以及監測的所有階段[11-12]。

基坑工程區別于其他建筑工程的最大之處在于土方施工受到周邊環境、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，如出土口的合理布置、土方開挖先后順序、車道設計、基坑回填等。應用BIM技術進行施工過程模擬時，通過與各方溝通，在設計階段即充分考慮出土方案對基坑工程的影響，從而確保基坑工程實施的安全，加快進度，提高整體效率。

該工程基坑施工流程多，關鍵工序多，工藝復雜，施工難度大，需多工種協同配合施工。針對基坑施工的復雜工藝節點及交叉工序，利用基坑BIM模型進行三維可視化技術交底，可使復雜部位和關鍵節點一目了然。

在模擬深基坑中不斷提高的漫游場景時，可以設置一條以內支撐為視覺中心不斷盤旋上升的漫游路徑，并且漫游路徑的升高與深基坑的提高速度是一致的[13]。

該基坑開挖過程中主要關鍵工序如下：① 放坡支護；② 先撐后挖，分層開挖；③ 拆撐工序。

在具體拆除水平支撐的過程中，為了避免給深基坑支護結構的受力性能帶來負面影響，施工人員需要特別注意分區分段地進行，基坑回填至設計要求標高后方可拆除支撐系統[14]。

如圖9所示，支撐拆除需在基坑西側接近冠梁位置預留300 mm支撐用于后期U型槽抗浮壓頂。

圖9 支撐拆除預留段模型Fig.9 3D model of remained support after dismentling

回填時，填土處理應根據地質條件、建筑物結構的特點和設計要求，選擇合適的回填與壓實的施工方式[15]。該項目基坑空間復雜：① 基坑東側開挖至承臺底，西側開挖至管廊底，基坑底標高為變化值，回填要求高；② 基礎承臺的間距最小約1 m，回填難度大。基坑回填質量是保證該項目的關鍵工序之一。回填工序要求如下：① 回填過程中必須分層夯實、對稱回填。利用BIM模型對回填工序進行模擬，確保回填質量。如圖10所示，在承臺等結構施工完成后，由中間向兩邊對稱回填；② 基坑回填過程中，應采取措施保護立柱、已建承臺、樁基、管廊等結構，保證結構周邊回填壓實均勻。

圖10 基坑回填模型Fig.10 3D model of back-filling process of foundation pit

6 結論與建議

(1) 應用BIM技術，結合復雜深基坑工程實際案例，建立了基坑支護三維模型。通過可視化設計顯著提高了參建各方的溝通效率，節約了資源，加快了出圖速度，減少了設計變更成本等。

(2) 通過BIM技術對基坑的復雜節點進行詳細設計，使工程復雜部位和關鍵節點一目了然，更好地表達了設計意圖；通過對復雜節點細致精準的表達，對各種結構之間進行碰撞檢查，避免了設計錯誤，有效指導了施工。

(3) 利用基坑BIM模型進行可視化技術交底，解決了項目在施工過程中產生的復雜問題，尤其對關鍵工序的清晰表達，既加快了施工速度、提高了施工質量、減少了施工成本，又降低了深基坑工程實施的風險。

總之，BIM技術應用于復雜深基坑設計和施工中，既節約了大量的時間及資金成本，又確保了復雜深基坑工程的施工質量和安全，降低了對環境的影響，產生了顯著的經濟及社會效益。BIM技術在復雜深基坑支護工程中的應用具有先進性、優越性和必要性。