BIM技術(shù)在深基坑施工中的應(yīng)用

馬 驥 （蕪湖市建昌工程質(zhì)量檢測中心有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

隨著我國城市建設(shè)的不斷發(fā)展，高層建筑建造和地下空間開發(fā)也在不斷擴(kuò)大，特別是開挖深度和工程規(guī)模呈增長趨勢，大部分深基坑建設(shè)主要集中在建筑和人口密集的城市區(qū)域[1-3]。由于深基坑工程施工場地小、施工環(huán)境復(fù)雜，人們越來越關(guān)注如何優(yōu)化設(shè)計(jì)深基坑的支護(hù)，降低基坑施工過程中對場地環(huán)境和既有建筑物的影響，并以此提高深基坑的施工質(zhì)量[4]。

深基坑工程是一項(xiàng)重要的綜合性系統(tǒng)工程，具有涉及專業(yè)廣、施工條件復(fù)雜、地質(zhì)條件及施工現(xiàn)場影響大的特點(diǎn)[5]。因此，深基坑工程必須科學(xué)地規(guī)劃設(shè)計(jì)并建造合理的施工組織和健全的質(zhì)量體系來確保工程有序開展[6]。BIM（Build Information Modal）技術(shù)用工程設(shè)計(jì)和施工管理的數(shù)字化平臺(tái)將參數(shù)化模型與項(xiàng)目工程建設(shè)相關(guān)的各種信息高度集成，可用于項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工管理[7-8]。近年來，在深基坑施工過程中BIM 技術(shù)的使用率逐漸上升，特別是設(shè)計(jì)階段的碰撞檢查、施工圖設(shè)計(jì)和成本控制等方面[9-10]。BIM 技術(shù)的運(yùn)用可以協(xié)助項(xiàng)目工程人員對其全生命周期的管理，例如施工深化指導(dǎo)、施工進(jìn)度跟進(jìn)和工程量的控制等。

1 BIM技術(shù)概述

BIM 技術(shù)的應(yīng)用是基于三維可視化數(shù)字技術(shù)，通過建立和使用可視化模型，對項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維進(jìn)行全過程管理。使用3D 軟件工具創(chuàng)建完整的項(xiàng)目數(shù)字模型，并可以在模型中添加項(xiàng)目建設(shè)的詳細(xì)信息。BIM 技術(shù)的主要特點(diǎn)包括以下三方面內(nèi)容。

①信息集成度高

BIM 技術(shù)的核心是利用數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建工程項(xiàng)目的三維模型數(shù)據(jù)庫，當(dāng)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，可以直接從數(shù)據(jù)庫中提取項(xiàng)目相關(guān)的設(shè)計(jì)信息。這種設(shè)計(jì)方法不同于傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)模式，設(shè)計(jì)人員可以通過BIM 模型快速方便地得到建筑的真實(shí)信息，包括建筑內(nèi)各構(gòu)件的幾何尺寸、空間關(guān)系和受力特點(diǎn)等相關(guān)參數(shù)。最重要的是項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員還可以對項(xiàng)目的所有復(fù)雜建筑構(gòu)造進(jìn)行三維深化設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)具備很大優(yōu)勢。

②專業(yè)協(xié)同強(qiáng)

BIM 技術(shù)為項(xiàng)目施工過程中涉及的各方構(gòu)建同步協(xié)調(diào)平臺(tái)，建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位等可以通過平臺(tái)及時(shí)溝通項(xiàng)目建設(shè)過程中的相關(guān)信息，提高工作效率和工程質(zhì)量。在項(xiàng)目建設(shè)中，可以對結(jié)構(gòu)、管道等系統(tǒng)進(jìn)行碰撞檢查。

③信息模型與項(xiàng)目相關(guān)性

BIM 的基本特征之一是在建模過程中保持信息模型和項(xiàng)目的相關(guān)性。當(dāng)項(xiàng)目建設(shè)出現(xiàn)任何變更時(shí)，通過BIM 技術(shù)反映到三維模型，便于工程人員的審查和變更，項(xiàng)目建設(shè)人員工程師不需要逐一處理圖紙。信息集成能夠在最短的時(shí)間內(nèi)傳遞給相關(guān)專業(yè)的技術(shù)人員，從而節(jié)省了人力、降低了成本、提高了工作效率。

近年來，國內(nèi)外的BIM 技術(shù)主要應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，關(guān)于地下工程的應(yīng)用較少，基本局限于地鐵站的設(shè)計(jì)和施工，主要內(nèi)容為管道綜合碰撞檢查和施工過程仿真。為了滿足工程建設(shè)的需要，需研究BIM 技術(shù)在深基坑工程初步勘察、方案設(shè)計(jì)、施工管理等方面的深入應(yīng)用，充分發(fā)揮BIM 技術(shù)三維可視化、協(xié)同工作、深化設(shè)計(jì)和資源共享的優(yōu)勢。

2 深基坑施工中存在的問題

2.1 施工與設(shè)計(jì)偏差

在工程項(xiàng)目的建設(shè)過程中，一些施工單位的施工技術(shù)人員由于未能準(zhǔn)確理解施工圖設(shè)計(jì)，常常出現(xiàn)施工單位不按圖紙施工甚至是偷工減料的現(xiàn)象。在深基坑作業(yè)過程中，施工人員在地面以下進(jìn)行復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的施工，并且未遵循圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，將給項(xiàng)目整體帶來問題。

2.2 各專業(yè)工作不協(xié)調(diào)

隨著項(xiàng)目深基坑施工作業(yè)的開展，項(xiàng)目所需要的人力、物力呈不斷上升趨勢，導(dǎo)致項(xiàng)目管理人員難以協(xié)調(diào)各方工作。特別是關(guān)于深基坑的開挖與支護(hù)環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)深基坑施工作業(yè)中，深基坑的開挖施工作業(yè)與基坑支護(hù)需要同步進(jìn)行。雖然兩項(xiàng)工作同步進(jìn)行能夠提高工作效率、保證施工的安全性且有利于利用人力資源，但是在實(shí)際工作中，深基坑的開挖和支護(hù)常常出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的情況，造成深基坑施工進(jìn)度滯后，甚至是當(dāng)深基坑作業(yè)完工后，邊坡支護(hù)不能滿足工程建設(shè)需要。

2.3 材料控制難度高

在深基坑施工的不同環(huán)節(jié)中，需要采購的建筑材料種類多、用料大，建筑材料的質(zhì)量對深基坑工程的整體質(zhì)量至關(guān)重要，以下是深基坑施工材料的管理難點(diǎn)。

①施工進(jìn)度與材料供應(yīng)混亂

當(dāng)深基坑施工現(xiàn)場管理人員為了趕工期或缺乏施工經(jīng)驗(yàn)時(shí)，沒有嚴(yán)格按照施工計(jì)劃施工并及時(shí)做好材料供應(yīng)，導(dǎo)致出現(xiàn)材料剩余積壓的問題，影響深基坑現(xiàn)場施工，不僅浪費(fèi)項(xiàng)目人力、物力，還影響工期。

②材料供應(yīng)順序錯(cuò)誤

當(dāng)深基坑現(xiàn)場施工管理對各個(gè)施工環(huán)節(jié)的施工材料順序把握存在偏差時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)上一項(xiàng)工序完成，但下一項(xiàng)工序該投入使用的材料沒有到達(dá)施工現(xiàn)場的問題。

3 BIM技術(shù)在深基坑中的應(yīng)用

本文研究項(xiàng)目為某辦公樓設(shè)計(jì)，項(xiàng)目基坑北側(cè)靠近高層建筑，南側(cè)靠近地鐵隧道。因此，項(xiàng)目設(shè)計(jì)較為困難，基礎(chǔ)基坑總面積大，對設(shè)計(jì)精度要求較高，采用BIM 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，基于Revit軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了辦公樓的結(jié)構(gòu)模型，模型如圖1所示。

圖1 某辦公樓BIM結(jié)構(gòu)模型

3.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

深基坑施工相較于其他建筑主體施工，具有施工工藝復(fù)雜、施工條件差、危險(xiǎn)系數(shù)高的特點(diǎn)。豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件交叉設(shè)計(jì)導(dǎo)致施工作業(yè)產(chǎn)生諸多問題。在傳統(tǒng)施工作業(yè)中，深基坑復(fù)雜節(jié)點(diǎn)可以利用二維平面圖紙表達(dá)，但是利用二維圖紙難以表達(dá)深基坑中節(jié)點(diǎn)的外形尺寸和構(gòu)造特征，造成施工人員不能按照圖紙?jiān)O(shè)計(jì)準(zhǔn)確施工，給項(xiàng)目工程建設(shè)帶來極大損失。然而，BIM 技術(shù)的出現(xiàn)可以解決現(xiàn)有深基坑施工中存在的問題，BIM 技術(shù)在基坑設(shè)計(jì)中對常規(guī)構(gòu)件（如樁、墻、支架等）的三維設(shè)計(jì)方面具有優(yōu)勢。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，利用BIM 軟件將這些復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過參數(shù)化設(shè)計(jì)生成一個(gè)新的族。族文件類似于CAD 中的塊文件，族文件能夠在模型中任意更改。同時(shí)，通過調(diào)整參數(shù)進(jìn)行快速修改，可以計(jì)算不同條件下所需材料用量。此外，在施工過程中，借助BIM 技術(shù)，施工人員可以通過三維可視化提前了解深基坑施工的全部細(xì)節(jié)，理解項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)方案。在深基坑的施工過程中，利用深基坑的BIM 模型及時(shí)糾正施工中的錯(cuò)誤。利用BIM 技術(shù)可以解決深基坑復(fù)雜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工中存在的問題，大大節(jié)省人力和物力，便于施工管理和成本控制。

圖2 樁基參數(shù)化族

圖3 雨棚結(jié)構(gòu)模型

3.2 碰撞檢查

碰撞檢查是BIM 技術(shù)最成熟的應(yīng)用之一，高層和超高層建筑存在大量復(fù)雜管道，需要解決管道或梁柱碰撞問題。但在深基坑的垂直支護(hù)結(jié)構(gòu)中，存在著大量的直立立柱樁。通過BIM 模型，立柱樁與地下結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系可以更直觀地反饋給設(shè)計(jì)者和深基坑的施工作業(yè)人員。使用BIM 軟件構(gòu)建深基坑BIM 模型，在各環(huán)節(jié)施工前進(jìn)行構(gòu)件、管線間的碰撞模擬，及時(shí)利用BIM 模型找出碰撞位置，優(yōu)化深基坑施工設(shè)計(jì)。因此，BIM 技術(shù)加強(qiáng)了項(xiàng)目各專業(yè)間設(shè)計(jì)信息的傳遞，提高了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量。

3.3 施工模擬

深基坑施工從整個(gè)環(huán)節(jié)上來看，呈現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)的施工過程。隨著項(xiàng)目的推進(jìn)和工序的開展，深基坑項(xiàng)目的體量和復(fù)雜程度逐漸上升，給深基坑項(xiàng)目施工管理人員帶來極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的深基坑施工采用橫道圖表達(dá)施工進(jìn)度，這種表示手段的專業(yè)性較強(qiáng)，將會(huì)給缺乏工作經(jīng)驗(yàn)的項(xiàng)目管理者帶來困難。然而，利用BIM 強(qiáng)大的三維可視化技術(shù)，將難以直觀表達(dá)的施工環(huán)節(jié)與現(xiàn)場施工的各個(gè)工序聯(lián)系起來，幫助項(xiàng)目管理者理清各個(gè)環(huán)節(jié)或工序之間的邏輯關(guān)系，動(dòng)態(tài)了解整個(gè)深基坑項(xiàng)目的整體工程進(jìn)度情況。此外，深基坑施工過程難以對工程量和工作量進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致施工現(xiàn)場發(fā)生混亂。然而，BIM 技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)㈨?xiàng)目的所有材料信息錄入BIM 軟件平臺(tái)中，采用動(dòng)態(tài)管理的模式對不同環(huán)節(jié)需要的材料用量進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，方便深基坑項(xiàng)目管理人員實(shí)時(shí)調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過BIM 軟件平臺(tái)建立時(shí)間和空間信息的4D 模型。4D 模型極大程度地方便項(xiàng)目管理人員把控施工作業(yè)中的物料供應(yīng)以及實(shí)現(xiàn)對物料的統(tǒng)一調(diào)配管理，這對深基坑的工程質(zhì)量具有重要意義。

深基坑工程與其他建筑施工工程的最大區(qū)別在于土方工程施工。土方開挖方案包括出土位置的布置、土方開挖順序等。深基坑施工由于受到周圍環(huán)境、場地或垂直支護(hù)系統(tǒng)的限制，在基坑設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮土方開挖方案給施工帶來的影響。應(yīng)用BIM 技術(shù)對項(xiàng)目施工全過程進(jìn)行仿真，能夠充分演示項(xiàng)目各個(gè)環(huán)節(jié)的施工過程，加強(qiáng)各專業(yè)溝通，提高工作效率。

圖4 深基坑BIM模型數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)關(guān)系

3.4 信息化管理

建立全面的深基坑BIM 模型是深基坑BIM 技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，以BIM 軟件平臺(tái)中項(xiàng)目大量數(shù)據(jù)為支撐，達(dá)到深基坑項(xiàng)目建設(shè)的全方位信息化管理，幫助項(xiàng)目建設(shè)方及各參與方對自身成本、質(zhì)量及施工進(jìn)度等目標(biāo)嚴(yán)格把控。開放的信息化管理幫助項(xiàng)目各參與方精準(zhǔn)把控施工過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，當(dāng)深基坑工程出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)可以立刻調(diào)整方案。

在深基坑工程建設(shè)中包含大量的隱蔽工程，當(dāng)工程項(xiàng)目竣工后，深基坑設(shè)計(jì)和施工過程中的BIM 模型將作為檔案長久保存，建筑使用者可以通過BIM 模型了解深基坑內(nèi)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，為建筑后期服役及維護(hù)提供技術(shù)支持。

4 結(jié)論

BIM 技術(shù)的興起給傳統(tǒng)建筑行業(yè)帶來了一場新的革命，BIM 技術(shù)的三維可視化、協(xié)同設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)、施工模擬等優(yōu)勢，決定了在未來建筑業(yè)發(fā)展中具有重要地位。然而，取代現(xiàn)有二維設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)BIM 技術(shù)在深基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用還有很長的路要走。但是，BIM 技術(shù)的應(yīng)用將引領(lǐng)建筑行業(yè)從簡單的幾何表示向構(gòu)建信息模型轉(zhuǎn)變，并從單一專業(yè)向各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，對建筑業(yè)的未來發(fā)展具有重要意義。