BIM技術在深基坑工程領域的應用
——以中國農業科技國際交流中心項目基坑工程為例

馮俊銘

(中國新興建設開發有限責任公司，北京 100039)

0 引言

在深基坑工程中，支護形式的選擇極為重要，不僅關系到工程邊坡的穩定性，周圍建筑物、地下管線、周邊道路的安全性，還影響在建項目的正常施工及基坑變形控制。因此，在深基坑支護施工中，要根據現場情況選擇最佳的支護形式，確保深基坑支護工程的牢固可靠及持久耐用。深基坑支護工程的可靠性與建筑自身的質量和耐久性有密切聯系，要根據工程的實際情況選擇合理的支護方案。應用BIM技術指導深基坑工程施工，有助于合理規劃施工工序、降低施工成本及安全風險，達成預期目標。

本文以中國農業科技國際交流中心項目基坑工程為例，探索如何應用BIM技術整合項目各階段的管理及信息，提供工程項目增值服務，并研究BIM 4D施工管理的有效性和實用性。

1 工程簡介

中國農業科技國際交流中心項目土護降工程位于北京市海淀區中關村南大街與學院南路兩條交通干線的東北角，地鐵東南出入口與項目地下2層銜接。該工程為中國農業科技國際交流中心項目土護降工程，基坑側壁安全等級一級，其設計使用年限不超過2年。結構類型為鋼框架+支撐，地下5層，1#樓地上16層，2#樓地上17層。建成后將成為該區域標志性建筑。

該結構地下室為5層，基坑面積約10 187m2，槽深25.5m。施工采用明挖順作法施工，支護結構為單排樁+內支撐+錨索支護，護坡樁規格為常規區域1000@1400與西側地鐵區域1200@1600兩種灌注樁，內支撐結構采用混凝土桁架撐，錨索為一樁一錨，豎向方向設置3道內支撐和1道錨索。

本基坑工程主要分為兩大施工項目：基坑土方，支護。支護包括護坡樁、內支撐、預應力錨桿、土釘墻、擋土墻、樁間土護壁等分項工程。

2 工程重難點

2.1 西側臨近地鐵的保護

該工程西側緊鄰地鐵4號線魏公村站，擬建基坑距離地鐵車站主體水平距離約12.3m(地鐵底板埋深17m)，地鐵東南口出入口距基坑僅約3.7m，因地鐵結構對邊坡變形十分敏感，稍有變形可能會影響地鐵運營，所以施工時要針對地鐵部位采取專項防塌孔措施，如采用優質膨潤土護壁、護筒跟進、遠側注漿等措施，盡量縮小每根護坡樁施工各工序間隔，成孔一根后立即完成灌注混凝土，吊裝鋼筋籠、格構柱時安排專人指揮，合理安排作業時間，盡量避開早晚高峰人流擁擠時段，確保地鐵側在護坡樁施工中不出現塌孔現象。

2.2 土方開挖難度大

該工程基坑上部支護采用三道混凝土支撐，支撐下部土方須采取掏挖，施工降效嚴重，且支撐梁對變形十分敏感，開挖時需采用科學合理的土方開挖方法，嚴格遵循“縱向分區、豎向分層、橫向分段、限時開挖、隨挖隨撐、嚴禁超挖”的施工原則。在保障挖土效率的同時確保支撐梁的整體變形受控，另外開挖時要采取專項措施保護格構柱，避免開挖碰撞格構柱，以最大限度保障邊坡安全。

2.3 嚴格控制支撐體系施工質量

該工程支撐體系工程量較大，施工時要合理布置流水段和施工縫，施工縫位置要做好模板處理，防止走模和跑漿。每段混凝土支撐應連續澆筑，下段混凝土澆筑前要先做好接茬清理，然后才能澆筑砼，以保證施工質量。

2.4 嚴格控制護坡樁、立柱樁的施工質量

施工時需準確做好定位，確保樁位偏差滿足要求。施工時應采用合適的膨潤土制作泥漿，加大對泥漿重度的控制力度，避免塌孔。施工中要對機械鉆桿垂直度進行嚴格控制，保證護坡樁垂直度偏差滿足規范要求。

2.5 嚴格控制錨桿施工質量

錨桿施工前要采取試鉆，確保錨桿順利穿過基坑與地鐵區間部位，防止對地鐵結構造成損壞。為盡量減少錨桿對地鐵的擾動，錨桿施工時采取跳鉆間隔、適當壓漿、加速凝固等措施，將錨桿施工對地鐵的影響降至最低。

2.6 格構柱與支撐梁節點部位鋼筋安裝

本工程支撐梁節點型式較多，各段支撐通過節點進行連接，鋼筋縱橫交錯、密密麻麻，且受格構柱影響，部分鋼筋穿越受阻，需采取加固、打洞等合理有效措施，并及時與設計單位溝通確定鋼筋穿越方案，確保支撐梁主筋順利穿越格構柱。

2.7 提前制訂各項預案

深基坑施工中不可預見因素較多，常常遇到邊坡局部坍塌、護坡樁及錨桿成孔異常、局部管線滲漏水、流砂及地面沉降等問題，需要制訂各種預案，一旦發生問題立即進行處理。

2.8 提前規劃施工流程

本工程施工工藝復雜，為保證工程順利進行，需在項目開工前規劃好施工流程：施工準備→場地平整→測量放線定位→土方開挖→土釘墻施工→護坡樁、立柱樁施工(先進行遠離地鐵側的施工，以便在后續施工中采用合適的膨潤土制作泥漿，且加強對泥漿重度的控制，確保地鐵側施工無塌孔現象)→冠梁及上部擋土墻施工→樁間護壁→腰梁及三道內支撐施工→預應力錨桿施工→土方開挖→清槽→基坑馬道土方收尾→工程竣工驗收及移交。

3 BIM技術研究與應用情況

結合項目實際及各項目標，在中國農業科技國際交流中心項目基坑工程應用BIM技術。

3.1 建立三維模型

在建立BIM模型初期，組織專業人員對項目應用BIM技術的關鍵環節、所要達到的效果進行了深入研討，最終確定了項目應用BIM技術的實施方法和步驟，并組織專門的BIM團隊負責模型的建立，并在后續工作中持續進行模型更新、高精度建模、設計深化、圖樣審核、施工策劃、平面布置、模擬施工、復雜節點分析、結構碰撞檢測、進度管理、動態展示等。應用BIM技術建立中國農業科技國際交流中心項目基坑工程基本模型，支護前模型如圖1所示，支護后整體模型如圖2所示。

圖1 支護前模型

圖2 支護后整體模型

3.2 設計深化及圖樣審核

在模型建立過程中，BIM團隊深刻了解細部構造及設計意圖，并對施工圖樣進行校核及必要深化，以在施工前預見和在施工中解決各種問題。

3.3 碰撞測試

以往施工過程中的內支撐梁柱與土建結構碰撞問題只能通過各專業之間協調解決，對技術人員的專業技能要求較高，容易引發空間不足等一系列問題。施工中使用BIM模型事先進行碰撞檢查，然后生成碰撞沖突檢測報告，能夠精準定位碰撞點數量及位置，提前發現問題。中國農業科技國際交流中心項目基坑工程充分利用BIM碰撞檢測的優勢，生成相應碰撞報告，與設計單位進行溝通。設計單位根據碰撞報告對設計做出相應調整，以滿足施工要求，大大提高了工作效率。中國農業科技國際交流中心項目基坑工程運用碰撞測試，妥善解決了節點碰撞問題，達到了碰撞為零的目標，節約了工期。

3.4 輸出已建模型的材料清單

通過BIM模型信息庫，能夠在施工中根據需求導出各類工程量，減少因人為失誤造成的數據偏差，提高工程量的準確性。另外，通過BIM模型數據庫能夠及時導出施工過程計量的材料清單，快速有效地提出材料采購計劃，加強對各種材料的管理，增加項目盈利。

3.5 施工進度模擬

該項目交叉作業較多，施工過程復雜，需通過施工進度模擬使項目整體施工工序之間的銜接情況更加直觀、立體，施工人員從模擬中找出進度關鍵節點，解決傳統施工過程中編制施工進度計劃理想化的問題。通過進度模擬成果，可直觀感受施工進度并持續進行進度比對，如發現進度滯后可及時糾偏，以保證施工進度滿足工期要求。第三層土方施工進度模擬如圖3所示。

圖3 第三層土方施工進度模擬

3.6 合理進行空間布局

該工程建成后是一座數字化的寫字樓，樓內采用了很多先進的設備和復雜的管線設計，因此合理優化設備和管線空間布局不僅是出于施工便利的考慮，更是為日后的運行維護打下良好基礎。BIM團隊結合該項目結構特點，全面復核了結構的布置情況，運用BIM軟件的實體功能，綜合考慮房間整體布局以及操作、維修人員的工作空間，進行深化設計，通過模擬對每一處復雜節點制訂了多個布置方案，最終從美觀、施工便利的角度確定最佳的布置方案。

3.7 模型漫游

傳統施工中無法展示建筑物的整體效果，也不能直觀評估和感受基坑布置等多方面的問題。而通過模型三維漫游能夠直觀全面地展示任意位置支護結構，帶給用戶很強的親身體驗，為項目的整體評估提供全面、科學的依據。

3.8 可視化虛擬交底

傳統的施工交底是基于圖樣及規范要求，對于復雜節點的交底多采用平面圖形式，并配合施工人員的空間想象能力進行，但因每個人的空間想象能力差別較大，交底效果一直不理想。借助BIM可視化模型，模擬展示施工效果，并對復雜節點進行三維技術交底，方便施工人員了解復雜節點及關鍵工序的成型效果。輔助漫游動畫，可以有效提升施工工藝及效率。同時，三維可視化模型實現了支護、結構信息的無損傳遞，有效控制了傳遞過程中的信息衰減。在該工程中，內部土方及錨桿施工中復雜的節點和虛擬三維交底得到應用。

4 結語

通過在中國農業科技國際交流中心項目基坑工程中應用BIM技術，得出以下結論：①BIM技術具有強大的建模功能，可更加直觀、深刻地展示圖樣，有利于對異形結構的把握；②通過三維渲染效果可以形象生動地向招標單位展示施工重點和難點，提高項目中標率；③經過分段建模可以預見并解決圖樣中存在的問題，大幅減少施工過程中的技術問題、安全問題，避免因圖樣問題造成返工整改，實現技術創效；④通過三維模型能夠更加直觀地對現場勞務人員進行交底，提高交底質量，提高現場施工管理效率；⑤通過應用BIM技術使護坡樁、內支撐、格構柱等的施工精準、合理，有效避免返工費料，優化資源配置；⑥通過對關鍵、復雜節點的模擬，可以不斷改進施工工藝，提高施工水平；⑦在模型中實時跟進施工動態，直觀反饋，一目了然；⑧BIM技術強大的信息資源整合能力，便于建筑全生命周期內的管理和維護。