BIM技術(shù)在超深基坑工程施工中的應(yīng)用

中建一局集團(tuán)第二建筑有限公司，北京 100010

1 工程概況

1.1 超深基坑概況

依托工程位于山東省青島市李滄區(qū)，地基基礎(chǔ)呈“L”形，總占地面積為58659.8m2，建筑面積為318577.49m2，屬于框架結(jié)構(gòu)，地上共分布14棟5～9層建筑，地下5～6層，地下面積為236309.03m2。該工程基坑周長(zhǎng)為1150m，南北方向總長(zhǎng)約370m，東西方向?qū)挾燃s100m，基坑開(kāi)挖深度為19.3～33.3m，基坑北部基底絕對(duì)標(biāo)高為23.3m，基坑南部基底絕對(duì)標(biāo)高為28.6m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)。

為保證基坑支護(hù)工程的安全開(kāi)展，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)采取“支護(hù)樁+錨桿+帷幕止水（土體加固）”“支護(hù)樁+鋼管樁+錨桿和鋼管樁+錨桿支護(hù)”的支護(hù)方式，根據(jù)基坑深度、地層條件和場(chǎng)地周邊環(huán)境，劃分為17個(gè)剖面。項(xiàng)目基坑BIM模型如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目基坑BIM模型圖

1.2 地質(zhì)及水文條件

場(chǎng)區(qū)地貌為剝蝕斜坡-剝蝕堆積緩坡，后經(jīng)過(guò)人工回填改造形成現(xiàn)地貌。通過(guò)鉆探揭露，場(chǎng)區(qū)第四系主要為全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）、全新統(tǒng)洪沖積層（Q4al+pl），上更新統(tǒng)洪沖積層（Q3al+pl），基巖為燕山晚期花崗巖（γ53），局部夾有后期侵入的煌斑巖（χ53）；受構(gòu)造影響，場(chǎng)區(qū)存在部分碎裂巖（SL）。場(chǎng)地基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)主要地基土層以素填土、粉質(zhì)黏土、含黏性土粗沙礫為主，巖體以花崗巖、煌斑巖為主。

場(chǎng)地穩(wěn)定水位埋深為1.1～4.6m，穩(wěn)定水位標(biāo)高約為39.65～53.98m。地下水主要由大氣降水補(bǔ)給。地下水年變化幅度為1～2m。場(chǎng)區(qū)地下水類(lèi)型為第四系上層滯水、第四系承壓水及基巖裂隙水，各含水層間大部分相互連通。

2 BIM模型建立

2.1 BIM軟件配合應(yīng)用

當(dāng)前適用于BIM的軟件種類(lèi)較多，但大部分軟件互相導(dǎo)入?yún)f(xié)同工作的兼容性較差，因此在模型建立前，應(yīng)確定建模中不同的內(nèi)容采用哪些軟件及軟件如何配合使用，這樣才能提高各軟件之間的協(xié)作性，從而提高工作效率。在該工程中，主要使用的建模軟件為Revit、品茗施工現(xiàn)場(chǎng)三維布置軟件；模型輕量化軟件為Navisworks、Lumion；圖片處理軟件為PS。

2.2 BIM建模規(guī)劃

（1）建模標(biāo)準(zhǔn)。BIM模型建立需要從不同的需求角度出發(fā)，且具有不同的建模標(biāo)準(zhǔn)。該工程應(yīng)用BIM技術(shù)主要集中在施工方案優(yōu)化、細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面。在基坑支護(hù)階段可應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)施工方案和細(xì)部節(jié)點(diǎn)的合理優(yōu)化起到關(guān)鍵作用。隨著施工進(jìn)度的推進(jìn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際建立模型，確保模型精度能夠用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

（2）文件大小控制。該工程按照基坑支護(hù)形式將各單元模型支護(hù)結(jié)構(gòu)拆分后建立模型。要合理控制模型文件大小，單一模型文件不宜過(guò)大，以此避免出現(xiàn)后續(xù)多模型合并后硬件設(shè)施反應(yīng)過(guò)慢的問(wèn)題，同時(shí)避免給現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)瀏覽和下載帶來(lái)不便。

（3）模型坐標(biāo)系統(tǒng)。所有模型和參照模型的坐標(biāo)均與項(xiàng)目設(shè)計(jì)控制點(diǎn)保持一致。模型建立前使用Revit軟件制作各專(zhuān)業(yè)樣板文件，約定共同項(xiàng)目基點(diǎn)位置，按照設(shè)計(jì)控制點(diǎn)確定坐標(biāo)。各模型文件可直接進(jìn)行原點(diǎn)對(duì)原點(diǎn)鏈接，從而開(kāi)展BIM協(xié)同建模工作。

（4）構(gòu)件信息規(guī)劃。為方便項(xiàng)目后期進(jìn)行局部模型檢索和查詢(xún)，在開(kāi)始進(jìn)行建模前，需要統(tǒng)一規(guī)定模型構(gòu)件所包含的信息內(nèi)容。在該工程中，BIM構(gòu)件模型包含基本的尺寸、標(biāo)高信息、材料的型號(hào)以及廠(chǎng)家等信息。

（5）深基坑模型建立操作要點(diǎn)。該工程中采用Revit 2018建立深基坑模型。首先，建立建筑樣板文件、結(jié)構(gòu)樣板文件，確定項(xiàng)目基點(diǎn)，并繪制出各單元關(guān)鍵標(biāo)高和各單元軸網(wǎng)；其次，建立各類(lèi)族文件，并在族文件中定制創(chuàng)建共享參數(shù)，以便導(dǎo)出明細(xì)表時(shí)保證構(gòu)件關(guān)鍵信息的完整，例如冠梁、腰梁鋼筋配筋信息，支護(hù)樁鋼筋配筋信息等；最后，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立各單元構(gòu)件的族或模型，將各個(gè)族或模型文件導(dǎo)入項(xiàng)目樣板，并進(jìn)行定位，從而完成模型建立。

3 超深基坑工程中BIM技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 辦公、生活區(qū)布置

施工項(xiàng)目準(zhǔn)備階段必須進(jìn)行辦公區(qū)與生活區(qū)的布置。布置原則是在滿(mǎn)足基坑周邊堆載要求的前提下，在有限的臨時(shí)用地面積上盡可能滿(mǎn)足辦公、生活的需求。在項(xiàng)目前期準(zhǔn)備階段利用BIM技術(shù)對(duì)辦公區(qū)、生活區(qū)進(jìn)行綜合布置，既兼顧了項(xiàng)目部的美觀(guān)性，又保證了項(xiàng)目部的實(shí)用與經(jīng)濟(jì)性。

3.2 支護(hù)樁施工方案

該工程混凝土灌注樁、高壓旋噴樁、鋼管樁數(shù)量龐大，在傳統(tǒng)文檔管理模式中存在很多缺陷，尤其是文檔之間集成性不強(qiáng)，在后期資料復(fù)雜的情況下，很難快速找到需要的支護(hù)樁信息。為解決這一問(wèn)題，可隨支護(hù)樁與止水帷幕施工進(jìn)度，利用BIM技術(shù)實(shí)時(shí)指導(dǎo)其施工順序，標(biāo)注其位置、直徑、標(biāo)高等信息。在模型中可單選或多選支護(hù)樁，查詢(xún)支護(hù)樁信息明細(xì)表。支護(hù)樁與止水帷幕如圖2所示。

圖2 支護(hù)樁與止水帷幕

3.3 基坑陽(yáng)角處錨索設(shè)計(jì)優(yōu)化

該工程基坑呈“L”形，存在陽(yáng)角，錨索施工時(shí)需要進(jìn)行錨索角度設(shè)計(jì)優(yōu)化以排除錨索交叉碰撞的問(wèn)題。建立陽(yáng)角處原錨索模型，錨索傾角為20°，設(shè)計(jì)鉆孔直徑為150mm，考慮實(shí)際施工情況，模型直徑取200mm。根據(jù)模型發(fā)現(xiàn)，互相影響的錨索主要為7單元1～15號(hào)錨索。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）第4.7.8條的規(guī)定，錨索角度可以在20°～45°進(jìn)行調(diào)整。

通過(guò)模型調(diào)整，發(fā)現(xiàn)沖突錨索每一根均調(diào)整2°～3°，即可在傾角允許范圍內(nèi)防止錨索沖突。但此種方法不利于現(xiàn)場(chǎng)施工，每一根錨索都要調(diào)整角度，即需要錨桿鉆機(jī)每施工一次就進(jìn)行一次傾角調(diào)整，施工效率低，并且易導(dǎo)致操作人員記錯(cuò)錨索傾角，出現(xiàn)人為失誤。通過(guò)多次調(diào)整模型傾角，最終將沖突錨索分為四組，1～3分為一組保持原設(shè)計(jì)角度為20°；錨索4～7分為一組調(diào)整傾角為25°；錨索8、9分為一組調(diào)整傾角為35°；錨索10～15分為一組調(diào)整傾角為25°，即可滿(mǎn)足施工要求，防止錨索之間的沖突。基坑陽(yáng)角處錨索傾角調(diào)整如圖3所示。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)此調(diào)整角度施工，施工效果良好，成功避免了錨索沖突導(dǎo)致的工期、成本損失。

圖3 基坑陽(yáng)角處錨索傾角調(diào)整示意圖

3.4 基坑陽(yáng)角處高臺(tái)銜接設(shè)計(jì)優(yōu)化

在根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行基坑支護(hù)建模過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)基坑陽(yáng)角處由于兩個(gè)剖面間支護(hù)形式不同，其銜接并不順暢，一側(cè)的高臺(tái)與另一側(cè)的放坡之間形成了8.2m高的高差，降低了基坑的局部穩(wěn)定性與安全性。

利用BIM模型對(duì)此處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將高臺(tái)截面端支護(hù)形式更改為放坡支護(hù)形式，使放坡支護(hù)截面與其順接，如圖4所示。結(jié)合基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算，此支護(hù)方式滿(mǎn)足基坑安全等級(jí)需求。利用BIM技術(shù)提前發(fā)現(xiàn)此問(wèn)題，有效地提高了基坑的安全性。

3.5 基坑安全梯籠通道設(shè)計(jì)

該工程基坑土石方開(kāi)挖深度為19.3～33.3m，為方便作業(yè)人員上下基坑，利用BIM模型配合技術(shù)部、安全部共同設(shè)計(jì)并制作裝配式安全梯籠。通過(guò)BIM建模，確定梯籠設(shè)計(jì)參數(shù)、規(guī)格，并模擬施工工序，對(duì)施工操作人員進(jìn)行可視化交底，同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，保證了梯籠的安全性、耐用性。裝配式安全防護(hù)梯籠如圖5所示。

圖4 基坑陽(yáng)角處銜接優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖5 裝配式安全防護(hù)梯籠

4 結(jié)束語(yǔ)

BIM技術(shù)的發(fā)展與推廣和我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展相輔相成，并在工程施工階段發(fā)揮著不可替代的作用。通過(guò)BIM技術(shù)的應(yīng)用，可提前發(fā)現(xiàn)并解決超深基坑施工中難以發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約工期與成本，增強(qiáng)項(xiàng)目管理的科技手段，從而為工程施工帶來(lái)增值效益。