BIM技術在地下深基坑支護結構施工中的應用

李鵬， 曾同， 任鵬

(中建三局基礎設施建設投資有限公司，湖北，武漢 430074)

0 引言

BIM(建筑信息模型)是工程學、土木工程學、建筑學等多個領域中的新型研究工具，可被用來形容與物件導向、三維圖形相關的建筑規劃結構，一般情況下，需要借助電腦才能夠實現對相關部件組織的設計與修改。BIM技術的核心是在數字化手段的支持下，通過構建虛擬化建筑工程三維模型的方式為相關施工單位提供完整的、與現場情況一致的建筑工程信息[1]。隨著施工時間的延長、信息大量累計，最終形成了獨立的數據庫結構，其中包含了大量可用來描述建筑物構件的幾何信息，能夠對施工專業的狀態信息及應用屬性進行匯總，而且還會涉及到一些非構件對象的狀態信息，如運動行為、空間等。

相關研究中，朱懷龍等[2]分析了坑外偏壓荷載作用下既有深基坑支護結構性狀，運用ABAQUS有限元數值建模并結合實測數據分析了坑外偏壓荷載大小、荷載位置等影響深基坑變形的因素，研究結果表明，坑外偏壓荷載大小不同情況下基坑兩側支護結構水平位移和彎矩差異較大，為深基坑支護結構施工提供了一定依據。王永剛等[3]研究了深基坑支護與地下室結構連接施工技術，總結了深基坑與地下結構連接的處理方法，以保證基坑支護體系的安全和地下室結構工程的質量。

深基坑工程具有施工難度大、風險系數高、綜合性強等多項建筑實施屬性，BIM技術作為支護結構施工中的常用有效方法，可對工程質量、成本、進度、安全等項目進行有效控制。因此，本次研究在概述深基坑工程施工意義的同時，建立全壽命期應用模型，再借助施工組織架構實現對地下深基坑支護工程施工案例的詳細分析。隨著BIM技術的應用，深基坑工程施工方案得到了有效地完善，可打破現有應用局面中的各項限制性問題，提出多項具有借鑒意義的改進性對策建議。

1 地下深基坑支護結構施工存在的問題

1.1 深基坑工程概述

由建筑物地面開始向下挖掘而形成的地下空間被稱為基坑，出于安全性考慮，在整個施工期間，地下結構始終采取土方開挖策略，且為了增強擋土結構的抗壓穩定性，需要在注重施工進度的同時，對地下水體進行有效控制。由于每個地域深基坑地下水文地質情況的不同，不同土質區間所采取的施工方案也有所不同，如砂土地基、軟土地基。支護結構施工需要在地下管網組織的支持下對周邊建筑物數量進行統計，再按照道路通道的實際連接形式確定基坑表面的實際形變數值量。隨著基坑深度的不斷增加，底部土壤所承擔的壓力數值會逐漸縮小，當土體強度低至一定數值后，支護土坡會失去穩定性，導致周圍土體出現形變從而形成全新的隆起結構，這種現象也被稱為深基坑施工工程的時空效應。一般情況下，深基坑工程的開挖深度越深，周圍土體的隆起程度也就越嚴重，因此在進行基坑開挖之前，需要嚴格遵守開槽支撐、分層開挖、先撐后挖、嚴禁超挖的應用施工原則，一方面避免時空效應對支護結構施工工程造成的影響，另一方面解決因土體形變量過大而導致的安全應用性問題。

圖1 地下深基坑支護結構施工工程

1.2 問題及原因分析

地下深基坑支護結構施工是一個相對較為復雜的系統性工程，因此在施工過程中也會出現很多問題，主要包括安全、質量、進度、成本等多個方面。

(1)安全方面

施工安全性是地下深基坑支護結構工程的最主要問題，深基坑施工質量的存在也是為了確保基坑內部的施工安全性，由于工程強度的增大，任何微小的安全性問題都會造成嚴重的經濟損失與人員傷亡情況。

(2)質量方面

由于地下深基坑支護結構工程施工對質量水平的要求相對較高，支撐材料應用能力較差可能會導致支護結構應用質量的下降，從而引發一系列的基坑安全性問題。由于工人疏忽等原因，地下深基坑施工常常會出現超挖、違章作業等情況，不僅影響了支護結構的施工質量，也會造成止水帷幕、圍護樁等施工元件加固效果的持續下降[6]。

(3)進度方面

一般情況下，地下深基坑支護結構工程的開挖廣度與開挖深度都很大，整體施工工程量也極為巨大，且工期相對緊張，在人力、物力資源均不足以支撐施工進度的同時，過長時間的基坑暴露會直接導致多項應用安全性問題，所以要盡量控制深基坑工程的施工工期，降低意外事件發生的幾率。在開挖初期階段，任何突發情況都有可能導致工期時間的延長，如長時間暴雨帶來的降排水工作、支護結構搶修工作等。由于深基坑工程的進度管理方案尚且不夠完善，所以施工進度、施工目標兩者間經常出現不完全匹配的情況，為解決此問題，相關施工單位必須進行適度的協調與配合處理。

(4)成本方面

地下深基坑支護結構工程屬于隱蔽性與臨時性并存的施工方案，在實施地下結構部分的施工前，需要對支撐頂板進行澆筑，以便相關地下腔室組織的形成。地質條件是影響地下深基坑支護工程施工成本的重要因素，由于地下施工條件相對較為復雜，因此工程成本的應用可控性相對較差，隨著平均開挖深度的加深，基坑中可能會出現地下管網、地質條件不一致的情況，從而造成工程施工成本的大幅上升。

1.3 在地下深基坑支護結構施工中引入BIM技術

BIM作為建筑信息模型的縮寫形式，由三個結構化施工技術主體共同組成，如圖2所示。其中，“B”是指“Building”，可解釋為建筑，包含土壤、水體、文化等所有與地下深基坑基礎設施相關的建造、維護與規劃行為；“I”是指“Information”，可解釋為信息，包含深基坑支護結構建筑領域中的所有施工信息，也可理解為信息化指導施工的具體手段及應用方案；“M”是指“Modeling”，可解釋為不停完善的動態工程施工模型[4]。從概念性角度來看，BIM描述了地下深基坑支護結構施工模型建立的行為與過程，但隨著信息技術、建筑技術、人類思維等因素的影響，BIM技術的應用過程也變得更加復雜，因此大多數施工單位更習慣于將BIM當作一種與建筑信息化思想相關的工程施工技術。

圖2 BIM技術原理的三個層次

建立BIM模型首先要以涵蓋地下深基坑支護結構工程的所有數據信息作為基礎，再將這些施工數據滲透進模型中，與相關模型應用條件進行關聯處理。BIM模型中包含的具體信息情況如表1所示。

表1 BIM信息一覽表

2 基于BIM技術的地下深基坑支護結構施工過程改進

2.1 全壽命期應用模型

地下深基坑支護結構施工工程的全壽命期可以劃分為可行性研究、勘察、設計、施工、地下室使用這幾個階段，具體劃分原理如圖3所示。

圖3 地下深基坑支護結構施工的全壽命期劃分原理

地下深基坑支護結構工程的可研階段重點是確定施工項目的可行性，可直接決定后續施工階段是否能夠繼續進行[5]。設計階段是整個施工工程的關鍵階段，BIM施工方案中的支護結構設計、降排水理論應用是否合理都將直接影響到地下深基坑施工時的質量與安全性水平。

2.2 基于BIM技術的施工組織架構

BIM技術的應用精髓在于各施工單位間的共同參與，需要多個組織單位的協同配合。施工單位和設計單位都可能成為主導BIM技術的團隊，以施工單位為主導的地下深基坑支護結構工程BIM團隊組織架構形式如圖4所示。該組織架構的應用優勢在于施工技術能力比較容易控制，且遇到實用性問題后的解決速度相對較快，但缺點在于BIM技術的使用很大一部分是由BIM經理直接決定的，不僅限制了該類型技術的實際應用范圍，也不太利于地下深基坑支護結構項目的長遠發展[6]。現階段BIM技術在深基坑施工領域的應用普及程度較低，缺乏相關BIM應用人才，因此不可避免地需要使用到這種傳統形式的組織架構。

圖4 基于BIM技術的地下建筑工程施工組織架構

2.3 BIM模型的建立

(1)

式中，g代表基于地下深基坑支護結構施工的BIM應用權限，g′代表權限指標g的補充說明條件，f代表與地下施工工程相關的建筑應用指標，ΔT代表實際施工行為在單位時間內的操作變化量。至此，完成各項模型應用條件的建立，在完整施工組織架構的支持下，實現了BIM技術在地下深基坑支護結構施工中的實際應用能力研究。

3 地下深基坑支護工程施工案例分析

3.1 工程與施工概況

某地下深基坑工程位于鬧市區內，絕對占地面積達到25 983 m2，整體呈現框架式建筑結構，由三層地下室共同組成，如圖5所示。正向、負向的絕對標高可達20 m，自然地坪場地的絕對標高保持在19 m至20 m之間，整個基坑開挖面積為27 790 m2，周長700 m，平均坑深保持在13.4 m至17.6 m之間，其中土方總量約為42萬方。

圖5 項目場地全貌圖

3.2 BIM技術在工程中的應用

在工程中應用BIM技術前，應做好如下準備工作。

(1)組建BIM技術施工團隊，明確相關項目負責人及團隊內成員的具體工作重點，如表2所示。

表2 BIM技術施工團隊組成

(2)明確各施工項目的應用目標、檢驗成果及具體工程交付標準。

(3)選取適宜的BIM技術應用軟件。

3.3 BIM技術應用效果評價

(1)可量化效果分析

按照BIM模型中的工程統計量進行施工備料，可有效避免超備料情況的出現，即便是在施工高峰時期，也并未出現周轉材料積壓的情況，解決了地下深基坑支護結構施工中的應用浪費問題。基坑周邊地表也未出現明顯的大面積沉降或土體隆起行為，可有效控制施工行為對周邊環境的影響，且在施工過程中安全性隱患問題發生的幾率大幅下降，無人員傷亡事件的出現。

(2)不可量化效果分析

對于個人組織單位來說，BIM技術的應用能夠推動個人思想的轉變，并在推動地下深基坑支護結構施工行為的不斷深入下，為企業帶來更多的實際經濟收益。對于團隊組織單位來說，BIM應用人員數量的增加能夠為企業施工打下更為堅實的基礎，且通過實踐施工環節的建立，后續地下深基坑支護結構施工的進行速率也不斷加快。

3.4 BIM技術應用局限及其對策建議

(1)BIM技術的應用局限問題：設計與施工嚴重脫節；相關BIM人才的儲備資源明顯不足；應用軟件的執行功能尚不明確。

(2)應用對策及建議

以建筑施工單位為主體對BIM應用技術進行引導：各施工企業應盡早轉變傳統的施工模式觀念，明白BIM技術的實際應用價值，并為該項技術在地下深基坑支護結構施工中的應用提供一個更為良好的發展空間。

加快專業BIM應用人才的培養：為獲得更為可觀的建筑收益，企業應當竭盡全力培養全方位型的BIM專業應用人才，并為其創造大量的社會實踐機會，使得現有地下深基坑支護結構施工工程的建筑效率得到大幅提升。

加快滿足實際建筑需求的BIM應用軟件的開發：在現有應用軟件的基礎上，統籌多方力量，開發新型BIM應用軟件，并將其投入到地下深基坑支護結構施工工程之中。

4 總結

在BIM技術的支持下，地下深基坑支護結構施工的各項實用性問題得到有效解決，不僅實現了對上部建筑結構的穩定性加固，也使其全生命使用周期得到延長。從實用性角度來看，施工環節與設計環節的嚴重脫節可直接導致工程質量的大幅下降，因此對于各施工單位組織來說，應以培養專業BIM型應用人才作為主要發展目標，在加大力度開發新型應用軟件的同時，注重對地下建筑施工環境的合理化維護。