長沙機場GTC項目復雜深基坑群BIM+4D進度模擬技術*

范俊洋，周馳晴，劉 彪，陳鏡丞，黃 華，陳 達

(1.中建五局第三建設有限公司，湖南 長沙 410114；2.湖南省機場管理集團有限公司，湖南 長沙 410114)

0 引言

機場綜合交通樞紐是民用航空運輸和城市的重要基礎設施，是區域綜合交通運輸體系的重要組成部分，其建設往往具有體量大、交叉復雜、建設周期長、接口多、不同標段同步實施等特點[1]。綜合交通樞紐工程由多種交通方式相互連接，地上、地下建筑物相互壓覆，形成復雜的地下深基坑群。由于綜合交通樞紐的基坑開挖范圍大，且開挖深淺不一、難度大、周期長等，基坑實施階段的進度管理成為工程按時交付的關鍵[2]。調查表明，大部分大型基礎工程仍采用傳統進度管理模式，進度跟蹤分析困難，難以實時跟蹤，將計劃進度與實際進度對比得到進度績效指數SPI系數，導致進度管理缺乏整體性、靈活性等[3]，進而影響工程順利實施。

隨著信息技術的飛速發展，BIM技術被廣泛應用于工程建設中，通過項目建設全生命周期信息整合、施工方案分析，有效驗證并解決施工部署不合理、SPI<1等弊端，提高施工效率。Ceranic等[4]在一些案例的基礎上，提出將BIM技術應用于項目施工前期選擇更適合、可持續的施工方案。姚明球等[5]準確地將三維BIM技術運用在主體施工前期的場地布置與土方開挖階段，合理地組織土方開挖施工，并進行現場評估，能較好地支撐后期施工。因此，基坑工程的BIM模型成為研究的重點[6]。基于上述分析，發現BIM技術在基坑階段的應用已有一定基礎，但在多源BIM模型集成、復雜深基坑群的可視化開挖方案隨進度計劃實時調整等方面的難題尚未得到有效解決。

鑒于以上問題，本文基于Project編制進度計劃，利用Revit建立BIM模型，然后通過Navisworks對計劃和模型進行整合，推演和展示機場深基坑群施工動態，并結合實際情況進行優化，保證施工流暢，實現基坑建造進度動態、科學管控。

1 工程概況

長沙機場改擴建工程項目位于長沙市黃花鎮長沙黃花國際機場T2航站樓跑道東側。本次建設的綜合交通樞紐工程總建筑面積為49.54萬m2，項目由“四類五軌”、GTC和市政配套3部分構成。“四類五軌”包括高鐵機場站及機場東隧道、磁浮T3站、地鐵6號線機場東站(預留10號線、S2長瀏城際)，GTC包括綜合交通中心、東(西)停車樓，市政配套含航站樓前高架橋、旅客過夜用房及部分室外工程。長沙機場綜合交通樞紐工程效果如圖1所示。

圖1 長沙機場綜合交通樞紐工程效果

2 深基坑群施工重難點

1)本項目基坑地層條件不利于開挖。地質勘測報告顯示該項目現場土質為泥質粉砂巖，常態下該土體硬度較高，遇水軟化，由于現場風化程度、地下水條件及施工天氣不同，機械開挖效率波動較大，且項目土石方開挖量極大(近400萬m3)，導致整個場地基坑開挖的進度管理難度大。

2)“四類五軌”的基坑兩兩相互交匯，并與GTC基坑連接，形成一個異常復雜的超大型深基坑群。基坑整體東西向最長約1 090m，最短約412m；南北向最長約966m，最短約389m，基坑群總面積約為23.6萬m2，相當于33個足球場大小。各基坑開挖深度不同，基坑坡度變化頻繁，陰陽角較多，其中GTC基坑最深處為-14.600m，地鐵最深為-21.580m、磁懸浮最深為-31.800m，高鐵最深為-38.465m，采用的基坑支護形式多達6種，包括混凝土素噴、混凝土網噴、懸臂排樁、樁錨外支撐支護、排樁與混凝土內撐組合式支護及排樁與混凝土內撐、鋼內撐組合式支護，堪稱深基坑支護工程的博物館。

由于該項目深基坑群具備上述特點，且其由不同單位組成聯合體進行施工。各單位施工范圍相互連接重疊，無明顯分界標志，開挖界面劃分復雜；由于各單位節點要求和施工部署不同，存在同時進行基坑施工的現象，導致開挖配合困難。因此，基坑施工階段的進度計劃管理存在策劃推演效率低、進度分析跟蹤困難、多單位進度計劃整合困難、進度計劃調整工作量大等難題。

3 基于BIM的基坑階段4D進度模擬應用

施工前，各分包單位大多根據預估土方量進行經驗估算，從而編制本單位基坑施工的進度計劃，隨后由總包單位根據各分包單位編制的進度計劃進行整合，形成基坑階段施工總進度計劃。由于傳統進度管理方式中多單位溝通協調困難，易導致交叉區域開挖計劃存在沖突，不能滿足各單位間工作面移交與反移交要求。為保證土方開挖順利實施，往往需反復調整多單位協作的大型基坑開挖方案，工作量大，工作效率低。

基于上述困難，將基于BIM的4D動態進度模擬技術應用于復雜深基坑群的進度管理中。基坑4D進度模擬是將復雜基坑群的高精度靜態三維模型與可調整的時間維度方程結合，形成在三維空間+一維時間的4個維度上均自由運動的可視化模型動態推演技術。相比于傳統的進度分析方法，基于BIM的4D動態進度模擬技術將不同進度計劃對比結果可視化，幫助施工管理人員更直觀、清楚地掌握施工進度偏差情況，同時根據BIM模型中工程量、成本等信息，更快速準確地推算出資源協調所需費用及工程成本間的偏差，實現工程進度全方位仿真分析。

本項目的復雜深基坑群4D進度模擬嚴格遵循“PDCA”的管理模式，通過現場實際施工與“BIM+”的虛實結合有效保障基坑開挖的時效性及準確性，進而使其滿足甚至優于施工總控進度。具體實施流程如圖2所示。

圖2 4D進度模擬流程

3.1 進度計劃編制與整合

根據施工部署，將本項目施工內容劃分為5個工區、199個施工段，區段劃分如表1所示。

表1 區段劃分

為確保后續進度模擬時BIM模型能準確反映進度計劃，需嚴格根據項目區段劃分命名，并科學合理地編制各區段的進度計劃。各分包單位參考己方工區的基坑工程量，本單位人、材、機的消耗水平等相關資料，使用進度計劃軟件編制出各工區的初步施工進度計劃，將各分包單位的基坑施工進度計劃導出為.CSV格式文件，在Project2019軟件中進行整合，并以橫道圖的形式表現。

3.2 基坑模型建立與整合

編制進度計劃的同時，由BIM小組根據設計圖紙建立基坑模型。為提高后期4D進度模擬推演工作效率，統一采用Revit2019作為建模軟件，建模時以相對標高59.300m為基準標高，(x，y)=(96 910.747，74 042.420)為建模基準點，分別建立不同區域模型。為區分不同單位間的土體施工，分別用不同顏色土體表示不同開挖區域土體材質，且在建模的同時將其土體與進度計劃編制的開挖土體分區、開挖深度和命名統一。

各區域模型建立完成后，利用Revit軟件中的模型鏈接整合各工區基坑模型的建模基準點，將整合后的基坑模型輸出為BIM應用類軟件支持進度模擬的.NWC格式文件。各基坑Revit模型如圖3所示。

圖3 各基坑Revit模型

3.3 基坑模型導入及4D參數設置

Navisworks是一款三維模型可視化軟件，可對BIM模型后期進行輕量化處理與整合。4D進度模擬前，需將已輸出的.NWC模型文件與整合完成.CSV 進度計劃文件作為數據源一并導入Navisworks2019軟件。

由于開挖土塊分區命名與進度計劃文件命名相匹配，在Navisworks中可實現構件與計劃自動匹配掛接。自動掛接完畢后，對掛接后的文件關鍵節點進行校核，并對其他任意節點進行抽查校核，抽查比例為5∶1，校核完畢后如存在掛接區域與進度計劃命名不匹配的情況，應對應進行手動調整，使開挖土體與進度計劃中命名完全匹配。

完成掛接校核后，設置4D演示參數，針對構造(計劃開挖)外觀、拆除(正在開挖)外觀、偏差部位分別設置不同的顏色(紅色為正在開挖，綠色為預計開挖，橘黃色為進度計劃沖突區段的警示色)。

3.4 總進度計劃的4D模擬及調整

完成上述操作后，對基坑施工進行4D進度模擬。模擬完成后可導出演示動畫，此動畫包含全部工區的基坑進度計劃推演，生成動畫時長可根據管理人員的需求進行調整；動畫演示過程中，如對某節點有疑問，視頻可回溯至該節點暫停查看，便于進行詳細的分析研究。根據演示動畫可直觀地發現和分析不同分包單位間的計劃沖突，具體表現為各分包單位在基坑施工時如有計劃時間上的沖突，該施工段土方將會顯示為橘黃色，對橘黃色區域進行工期及資源配置的調整優化，直至計劃沖突消除。

以西停車樓區域為例，基坑施工4D進度演示如圖4所示。

圖4 土方開挖演示

以本項目地鐵與磁懸浮交叉區為例，通過4D進度模擬發現，地鐵開挖作業前，磁懸浮基坑已開始開挖，存在邏輯沖突，地鐵與磁懸浮交叉區位置如圖5所示。查詢進度計劃發現，磁懸浮施工隊伍于2021年11月20日開始交叉區基坑施工，2022年1月10日完成；地鐵施工隊伍于2021年12月10日開始交叉區基坑施工，于2022年2月21日完成。

圖5 地鐵與磁懸浮交叉區位置

根據施工組織設計，地鐵基坑深21.58m，磁懸浮基坑深31.8m，其交叉區土方需開挖至地鐵設計坑底標高后，再開挖至磁懸浮基坑設計坑底標高。因此，確認地鐵與磁懸浮交叉區進度計劃安排存在問題，需調整。據此召集各相關負責人對后續開挖作業的時間和資源重新進行整體優化，調整后得到的新進度計劃使開挖作業銜接更科學合理。

4D進度模擬能更直觀地對進度計劃編制進行推演，可有效避免用傳統的Project編制進度計劃在大型項目中因作業面多、管理復雜、進度計劃信息量大而難以發現在進度計劃沖突的短板，對存在計劃沖突的施工段進行優化調整，有效避免施工過程中工期延誤、資源浪費情況出現，從而滿足總控計劃要求。

3.5 基坑實際施工的4D模擬及對比

通過4D進度模擬完成總計劃進度的整合與調整后，定期將現場的實際施工進度參數輸入4D進度模型，與計劃進度進行可視化對比分析，及時發現偏差部位，并進行糾偏。

現場管理人員通過現場進度檢查，準確掌握基坑開挖的實際進度，并記錄現場實際施工開始時間與結束時間，然后在原有模型基礎上添加實際施工時間與結束時間，在整個過程中對模型進行定期更新，形成實際與計劃進度的對比演示動畫。該演示動畫可直觀地對比分析實際進度與計劃進度，軟件將對實際進度與計劃進度存在偏差的區域進行提示，即在偏差區域出現警示色。

管理人員需針對天氣、現場施工條件、資源配置、管理力度等因素對警示的偏差區域進行分析，并及時糾偏，在調整后的進度模型中重新模擬開挖，直至滿足進度要求。以本項目GTC工區的西2-2單元施工區域為例，4D進度模擬后結果如表2所示。

表2 GTC工區的西2-2單元施工進度對比

針對GTC工區的西2-2單元出現計劃偏差分析工期滯后與開挖期限延長的原因，最終得出結論為：因管理力度不夠，在西2-2區域開挖前存在大量積水未及時處理，積水清理后現場方可進行施工作業，導致工期滯后3d；在基坑施工期間出現2d小雨，影響了施工效率，比正常計劃每天少出土約 5.3萬m3，以及資源配置方面作業車輛不足等原因，導致該區域工期延長3d。對開挖不滿足計劃的施工區域進行糾偏，采取增加施工機械、延長施工時間、優化開挖方案等措施，直至滿足進度總控要求，不影響后續施工。

4 基于BIM的基坑階段進度管理效益評價

本項目通過BIM+進度計劃進行4D模擬演示基坑開挖全過程，從問題的發現到解決，從計劃的推演到現場實施，多維度考慮。項目開工至今，每月開展進度推演，共計12次，發現進度編排及資源配置問題80余處，其中，包括地鐵與高鐵交叉區移交、地鐵與磁懸浮交叉區移交、關鍵塔式起重機安裝、綜合交通中心壓覆區域土方開挖、三線并行區開挖、停車樓地下室完成6處關鍵節點時間的動態優化。通過4D進度模擬制定完成的總進度計劃，相較于原進度計劃為項目縮短工期約26d。通過4D進度模擬實時管控現場進度推進，使本項目基坑工程實際完成時間比總進度計劃提前約16d，總計共為項目縮短工期42d。考慮施工過程中人力及施工機械支出的資源配置，如表3所示。

表3 資源配置

5 結語

以超大深基坑群工程特點為立足點，選取適宜的BIM建模軟件，構建深基坑高精度模型[7]，與BIM應用類軟件相結合，結合工程實例，實現深基坑群的施工可視化進度模擬和實時漫游，相對于傳統的進度管理方法，4D進度模擬可在策劃階段對基坑施工計劃進行科學的分析和論證，避免了不合理進度計劃造成的工期延誤和資源浪費，實現了在超大深基坑中施工方對進度的有效管控、資源配置的科學化管理。同時，利用BIM技術提升深基坑工程施工進度管理的科學性、有效性，為復雜深基坑群的施工管理提供有效參考。