BIM 技術在深基坑工程設計中的應用

李景明 山西省勘察設計研究院有限公司

1 前言

深基坑工程就是開挖深度大于等于5m的基坑（槽）的土方開挖、降水、支護工程，或是開挖深度在5m內，但是周圍環境、地質條件、地下管線十分復雜的支護、開挖和降水工程，具有一些顯著的特點。如：地區性強、風險性大、臨時性大、綜合性強、環境要求很嚴格等。隨著超高層建筑和城市地下空間的開發建設，深基坑工程日益增加，這也帶動了技術的發展。但是很多深基坑都集中在人口密集以及建筑物的市區，施工場地較小、條件復雜，所以，怎樣科學的設計支護，減少施工給周圍帶去的影響，提升施工質量，就是各界廣泛關注的問題。BIM技術當前在建筑工程領域中得到了廣泛的運用，在深基坑工程設計中運用，可以充分發揮出其優勢，提升工程的集成化水平，優化設計效果，為實際施工奠定良好的基礎。

2 BIM技術的特點

BIM就是建筑信息模型，其是建立在三維數字技術基礎上的，建立和運用數字模型，對工程項目實施設計、建設、運營管理整個過程，也就是運用計算機三維軟件工具，建立涵蓋工程中完整數字模型，且在模型中包含具體的工程項目信息，把這些信息以及模型滲透到工程建設的整個階段中。如：設計、施工管理、運用管理等。該技術具有一些顯著的特點，包括信息集成、工作關聯性以及工作協同性。

2.1 信息集成

該技術就是基于數字信息構建三維模型數據庫，設計人員在設計時可以直接從數據庫中提取所需的信息，和以往的二維設計不同，設計人員可利用數字信息高效的模擬建筑物信息，涵蓋各個構件的空間、幾何關系、相關設計要素的功能特性與建筑信息、各個構件連接方式 以及荷載狀況[1]。除此之外，對于工程中復雜的節點，也能夠實施三維深化設計，打破2D圖紙的弊端。

2.2 工作關聯性

該技術的一個顯著特點就是，建筑信息在模型構建和使用中是相互關聯的，如果一項內容改變，其他方面也會跟隨變化，并體現在模型的剖面、立面、平面和3D模型中，便于相關人員查看和掌握更改情況，無需逐個處理圖紙。該特點，能夠確保建筑信息高效地傳遞給不同專業的技術人員，節省人力以及成本。

2.3 工作協同性

在工程建設中，該技術可以給參建方建立一個同步工作的平臺，為相關方和后期運營管理者的溝通提供便利，實時了解工程建設的每個環節，確保工程的質量及效率。基于該技術構建的3D模型，能夠實施碰撞檢查，在確保不同專業相應的布設原則的情況下，自動檢查系統和系統間有沒有沖突，可以提升整個設計團隊的效率，促進不同專業的交流[2]。

當前國內建筑信息化模型技術的引入、運用、開發一般都是在建筑結構方面，地下工程中的運用有限，一般用在不同專業的協同工作、模擬施工過程、管線綜合碰撞檢查中。結合該技術的優點和國內的運用情況，研究其在深基坑工程不同階段的深入運用，充分發揮出其優勢，對于工程建設有重要意義。

3 BIM技術在深基坑工程設計中的應用策略

3.1 前期綜合勘察

在前期勘察規劃環節，結合現有的地質勘查信息、周邊環境信息、建筑結構設計方案，可以初步比較選擇基坑設計方案，構建相應的環境模型，其中包含較多的信息。如，周邊特殊建構筑物、地基基礎、地質地形條件等，依據相關的模型信息，初步選擇基坑支護方案，實施計算分析[3]。

3.2 支護方案三維可視化設計

結合前期計算分析，設計支護方案，基于前期環境模型的基礎上構建基坑支護體系的3D模型，全面的考慮相關的情況，科學的布置基坑的水平和豎向圍護結構。因為3D模型直觀可視，方便業主與設計人員利用建筑信息化模型進行溝通，及時找出設計中的不足及問題，并實施論證，有針對性的實施優化。在后面施工中，若是發現方案中有不合理的地方，可以利用建筑信息化模型做出優化，提升工作的效率，充分發揮出技術的作用。

3.3 協同設計

該技術的運用，能夠給不同專業的設計人員提供較好的設計平臺，基于設置項目中心文件，共同分享，做到協同設計。每個專業的設計師可利用符合各自專業的BIM建模軟件，構建相應的模型，并把模型和中心文件鏈接進行同步，將不同專業修改以及添加的信息添加到中心文件中，方便其他專業查看，提升信息的共享性，最大限度地減少設計變更[4]。

3.4 深化設計

和2D設計對比，建筑信息化模型技術的運用，不僅能夠對常規構建實施3D設計，還能夠更好的設計部分復雜節點或是構件。復雜的構件在建筑信息化模型軟件中能夠通過參數化設計生成新的組件，可隨意在模型中布置，還可以對參數進行調整，快速修改和統計各種情況下需要材料的總量，減少物力及人力的投入，對施工管理和造價控制具有積極影響。

3.5 碰撞檢查

這是該技術運用的最成熟的技術之一，基坑工程管線雖然沒有高層建筑的管線復雜，但是還要重視管線和管線或是梁、柱間的碰撞問題，然而豎向支撐結構中有很多的格構柱以及立柱樁，借助建筑信息化模型，能夠直接地體現出立柱樁和工程樁間、地下室結構和格構柱間空間位置關系，促進不同專業間設計信息的交流，優化設計質量[5]。

3.6 施工過程模擬

基坑工程和其他建筑工程的一個顯著差異就體現在土方施工上，因為場地、周圍環境、豎向支撐體系的約束，在基坑設計中應該注重土方開挖方案。例如，車道設計、土方開挖順序等。運用建筑信息化模型技術，可以實施4D施工過程的模擬，全面的體現方案，加強交流，提升工作的效率。

4 實例分析

4.1 工程概況

某項目基坑總面積太大，所以，在施工時分成三部分，選擇中間緩沖區域的基坑，利用BIM技術進行設計。該區段基坑的寬度和長度分別是63m和123m，普遍深度為23.1m，局部區域深度為24.1m，基坑三面圍護使用地下連續墻、一面使用鉆孔灌注樁，同時設置四道內支撐實施水平支護。

4.2 BIM設計成果

基于利用BIM建模軟件Revit Architecture及Revit Struc?ture，涉及基坑支護，完成基坑的支護結構、土方開挖、地下室結構、支撐加腋節點鋼筋模型。首先，利用設計軟件，構建基坑支護結構3D模型。其次，進行結構碰撞檢查[6]。通過運用完成的基礎、地下室結構和支護結構模型，利用Revit的碰撞檢查功能，檢查支護結構布置是否和其他建筑結構存在碰撞問題，如果有這種情況，就要馬上進行調整。再次，土方開挖方案模擬。因為場地方面的限制，在開挖土方時若是把出土坡道設置成普通的直坡，在最大坡度下很難躲避開基坑支護結構且降至出土標高，所以，應該將其設置曲線形，不僅可以下降到出土的標高，還能夠適應最小坡度要求，避開支護結構。一般的2D圖紙很難清楚的說明，對此，可利用Revit軟件構建空間三維模型。最后，復雜節點深化設計。結合設計要求，在Revit中構建格構柱、支撐加腋節點處鋼筋深化設計模型、棧橋下綴板族文件，直接輸入參數，能夠自動生成三維節點模型。

5 促進BIM技術在深基坑工程設計中有效應用的策略

5.1 組建BIM團隊

為了有效地運用建筑信息化模型技術，需要不同專業技術人員間加強配合，應該組織建立一個BIM團隊，涵蓋各工程設計人員、不同專業BIM工程師、管理員。管理員應該負責BIM實施計劃的編制、任務的安排、不同專業的協調、后期模型合并、檢查、修正；工程師則要負責構建該專業的BIM模型，加強和管理員之間的交流。科學的團隊架構、清楚的分工，可以促進工作任務的高效完成，可見，BIM團隊的組建是該技術推廣以及運用的基礎[7]。

5.2 BIM軟件本地化程度的影響

當前業內推廣較多、功能較為完善的BIM軟件一般都是國外公司研發的，這就使得在國內運用中會出現較多的不方便，除了語言文字，更重要的是專業方面。例如，建筑規范不同、設計、表達習慣不一致等。拿Revit軟件來說，其對計算機硬件有很高的要求，和經常使用的設計軟件相比，操作更加復雜，缺乏靈活性，本地化較低，軟件中的族庫很少有適合我國建筑運用的，沒有和其他軟件轉換的第三方插件，且效果展示的精美度不夠。

5.3 族庫的建立和管理

在設計中運用BIM技術，族庫的構建以及文件管理，能夠全面地體現出該技術的應用程度。雖然在各種軟件中的命名不一樣，然而族庫是提升BIM設計高效性的保證。若是族庫中有大量的族文件，設計人員就能夠隨意建立復雜的建筑模型[8]。設計人員日常在使用中要注意收藏積累，不斷增加族庫中的文件，更好地體現出建筑信息化模型技術的優勢。

6 結束語

綜上所述，BIM技術在建筑工程領域得到了有效的運用，在深基坑設計中運用，借助建筑信息化模型的協同設計、三維可視化、深化設計、模擬施工過程等功能，能夠及時發現設計中的問題，不斷的優化設計方案，提升設計的科學性以及有效性。現階段BIM技術在深基坑工程中的推廣以及運用還存在一些問題，但是該技術可以促進設計行業的發展，從幾何表現變成建筑信息集成模型，從單個專業變成多專業的協同設計，提升設計的水平，為施工提供正確的指導，減少深基坑施工的影響，確保施工質量。因此，在深基坑設計階段，設計人員需要合理的運用BIM技術，充分發揮出其優勢，優化設計的效果。