工程管理中BIM 虛擬施工技術(shù)的應(yīng)用分析

王宇翔

(貴陽南明城市運營發(fā)展有限責(zé)任公司)

BIM 技術(shù)能夠用于工程結(jié)構(gòu)建模、施工過程模擬、結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，在工程管理中，可依靠該技術(shù)的虛擬化特點，對設(shè)計方案進(jìn)行數(shù)值分析，從而預(yù)估潛在的設(shè)計缺陷和安全風(fēng)險。深基坑工程對支護(hù)體系的可靠性提出了較高的要求，故利用BIM 技術(shù)對深基坑的支護(hù)方案開展模擬。

1.工程概況

1.1 基坑深度及地質(zhì)條件

某建筑工程采用筏型基礎(chǔ)，地上部分為6 層，地下部分為2 層，總高度為20.01m。該項目基坑深度達(dá)到23.72m，以樁錨體系進(jìn)行支護(hù)。經(jīng)地質(zhì)勘察，按照從上到下的順序，其地層結(jié)構(gòu)為素填土、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化砂巖、強風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖以及微風(fēng)化砂巖。該項目深基坑施工的土層物理學(xué)參數(shù)見表1。

表1 基坑施工區(qū)域土層物理學(xué)參數(shù)

1.2 支護(hù)方案初步設(shè)計

此次研究的開挖剖面為深基坑的局部區(qū)域，深度為12.13m。施工場地周邊存在建筑物，傳統(tǒng)的放坡開挖方式有可能影響建筑物的基礎(chǔ)，故不宜采用[1]。初步的基坑支護(hù)方案為錨樁體系，樁體以C30 混凝土澆筑而成，單樁長度為18.20m，樁徑為1000mm，樁間距設(shè)計為1.8m。為保證樁體的變形控制要求，在樁間土設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿，其設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計參數(shù)

2.BIM 虛擬施工技術(shù)在深基坑工程管理中的應(yīng)用分析

2.1 基于BIM 技術(shù)的虛擬施工模型構(gòu)建

2.1.1 軟件工具選型

對于深基坑工程，最關(guān)鍵的管理內(nèi)容為確保支護(hù)體系的可靠性與安全性。BIM 技術(shù)能夠建立基坑的開挖及支護(hù)模型，對施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過虛擬施工提前掌握安全風(fēng)險[2]。針對施工內(nèi)容的特點，可采用結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析類BIM 軟件工具。研究過程選用Midas GTS，該軟件用于巖土工程有限元分析。

2.1.2 模型基本假設(shè)

（1）土體為彈塑性材料，各方向性質(zhì)相同，且土體均勻一致。

（2）開挖之前，土體在重力的作用下達(dá)到固結(jié)狀態(tài)。

（3）開挖之前，不考慮錨桿的橫向抗剪作用力。

（4）支護(hù)結(jié)構(gòu)為完全的彈性體。

（5）在設(shè)置止水帷幕的情況下，忽略降水和滲流問題。

（6）模擬過程不考慮施工活動對土體力學(xué)指標(biāo)的影響。

2.1.3 基坑虛擬施工模型構(gòu)建

（1）模型幾何尺寸

研究過程選用的支護(hù)剖面編號為4-4，該剖面支護(hù)樁數(shù)量為40 根，選取其中的一半用于建模，樁體直徑和間距分別為1.0、1.8m，支護(hù)剖面的建模寬度達(dá)到36m，基坑開挖時，其影響的土體范圍約為樁長的3～5 倍，包括水平和垂直兩個方向。建模過程按照樁長3 倍進(jìn)行取值，故模型高度（即開挖深度）設(shè)計為18.2×3=54.6m，取為55m。模型長度設(shè)計為110m，在樁體兩側(cè)各取55m。

（2）計算模型構(gòu)建

支護(hù)樁為不連續(xù)的結(jié)構(gòu)體，樁體和樁體之間為受擠壓的土體。在Midas GTS 軟件中，不支持對支護(hù)樁進(jìn)行單樁分析。因此，需要將錨樁體系轉(zhuǎn)化為軟件支持的地下連續(xù)墻體系，可根據(jù)等剛度理論進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，方法如下。

式中：D 為樁體直徑；t 為樁間土的寬度，即兩個支護(hù)樁之間的土體最小寬度，按照1.8-D 進(jìn)行計算，即0.8m；h 為等效的地下連續(xù)墻厚度，計算結(jié)果為0.63m。另外，建模時應(yīng)設(shè)置錨桿相關(guān)的參數(shù)，該項目在樁間土設(shè)置錨桿，分為上下2 道。關(guān)于土體壓力，可采用朗肯土壓力模型，該項目土體為粘性土，其主動土壓力的計算方法見式（3）。

式中：Pa為主動土壓力；γ 為支護(hù)結(jié)構(gòu)后方填土的重度；z 為填土表面與計算點之間的垂直距離；c 為填土的粘聚力；Ka為主動土的壓力系數(shù)[3]。若為被動土，則被動土壓力的計算方法如式（4）。

式中：Pp為被動土壓力；Kp為被動土的壓力系數(shù)。

（3）施工模型參數(shù)選取

轉(zhuǎn)換后地下連續(xù)墻的彈性模量設(shè)置為30040MPa，泊松比設(shè)置為0.2。在支護(hù)樁的外側(cè)設(shè)置有冠梁和腰梁，分別與上下2 道錨桿進(jìn)行連接，對支護(hù)樁起支承作用[4]。梁體的彈性模量設(shè)置為30000MPa，泊松比為0.2。錨桿設(shè)計有預(yù)應(yīng)力索，彈性模量可達(dá)到200000MPa，泊松比設(shè)置為0.24。表3 為土體的設(shè)計參數(shù)。

表3 施工模型土體設(shè)計參數(shù)

（4）開挖過程模擬

根據(jù)該剖面的實際開挖工況，將開挖過程劃分為四步。第一工況為支護(hù)體系施工，計算模型為地下連續(xù)墻，在這一階段，基礎(chǔ)開挖深度為0m。第二工況為第1 次開挖，將土體開挖至-1.8m，設(shè)置冠梁和第一道錨桿。第三工況為第2 次開挖，將土體開挖至-6.8m，設(shè)置腰梁和第二道錨桿。第四工況為第3 次開挖，按照設(shè)計標(biāo)高，基底深度應(yīng)達(dá)到13.10m。

2.2 基于施工模型的有限元分析

2.2.1 土體位移分析

（1）水平位移分析

表4 為基坑開挖至設(shè)計深度時，土體在水平方向上發(fā)生的位移，測點從基坑側(cè)壁開始，沿著開挖施工的影響范圍進(jìn)行布置，測點間距為5m，觀察每個測點的水平位移量。數(shù)據(jù)中的“-”表示位移方向朝著基坑側(cè)。從數(shù)據(jù)可知，靠近基坑側(cè)壁的土體位移量更大，最大位移量為5.1mm。在55m 范圍內(nèi)，最小位移量為0mm。

表4 開挖至基底時土體的水平位移量

（2）豎向位移分析

在豎向位移分析中，模擬基坑開挖至基底時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體在不同高度處的位移量。基坑開挖在垂直方向的影響范圍同樣為55m，對基坑外側(cè)土體沿著垂直方向設(shè)置監(jiān)測點，各個監(jiān)測點與地面的距離分別為0、5、10、15、……、55m，間距為5m。各個測點的豎向沉降量分別為-2.2、-6.8、-14.5、-13.1、-6.7、-4.1、-3.8、-3.6、-3.5、-3.4、-3.3、-3.1mm。從數(shù)據(jù)可知，最大沉降量出現(xiàn)在距離地表10m 處，最大豎向位移量為14.5mm，沉降量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在開挖豎向最大影響范圍處，沉降量僅為3.1mm。

2.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和彎矩分析

（1）水平位移分析

樁體總長度為18.2m，從樁頂?shù)綐兜祝?m 間隔設(shè)置10 個觀測點，觀察樁體在水平方向的位移量（見表5），數(shù)據(jù)中的“-”均表示方向。顯然，樁體最大水平位移出現(xiàn)在距離樁頂約10m 處，中下部的位移量大于中上部，最大水平位移量為14.7mm。

表5 圍護(hù)樁深度與水平位移量的關(guān)系

（2）彎矩分析

沿用樁體水平位移分析的監(jiān)測點，利用Midas GTS軟件計算出各個監(jiān)測點處的彎矩，按照從上到下的順序，彎矩計算結(jié)果分別為-20.56、-98.99、234.78、-178.44、560.23、1381.66、233.21、-101.22、-102.43、-45.38kN·m。從數(shù)據(jù)可知，10 個監(jiān)測點中，最大彎矩為1381.66kN·m。

2.2.3 模擬值與實測值對比

研究過程分別運用數(shù)值模擬法、實測法對比分析土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，實測法使用傳感器檢測水平位移和豎直沉降[5]。以圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測為例，各監(jiān)測點的實際位移量為-2.3、-7.2、-10.2、-12.7、-15.8、-16.1、-13.9、-9.9、-4.7、-3.1mm。可見，實測值的變化趨勢與數(shù)值模擬的結(jié)果高度相似，實測位移量略大于數(shù)值模擬的結(jié)果。

3.研究結(jié)果討論

根據(jù)以上研究內(nèi)容，BIM 虛擬施工技術(shù)在深基坑工程管理中的應(yīng)用價值體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）深基坑工程需要從理論層面檢驗支護(hù)方案的可靠性與安全性，BIM 技術(shù)可利用專業(yè)的軟件工具（如Midas GTS）進(jìn)行基坑及支護(hù)體系建模，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

（2）基坑開挖具有多個階段，隨著開挖的進(jìn)行，其深度不斷增加。BIM 技術(shù)能夠分階段開展基坑結(jié)構(gòu)分析和支護(hù)體系分析。

（3）BIM 結(jié)構(gòu)分析軟件能夠模擬出開挖過程的土體水平位移、土體豎向位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移以及支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同高度處的彎矩。通過虛擬施工預(yù)判風(fēng)險因素，從而優(yōu)化基坑施工方案。

4.結(jié)語

該項目屬于深基坑工程，研究過程選擇4-4 開挖剖面，利用BIM 結(jié)構(gòu)分析軟件，模擬支護(hù)體系的變形情況。通過Midas GTS 軟件構(gòu)建基坑及樁錨支護(hù)體系的有限元模型，在樁體和土體上設(shè)置監(jiān)測點，模擬出土體水平和豎直位移量、圍護(hù)樁水平位移量以及圍護(hù)樁的彎矩，再對比模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，BIM 技術(shù)能夠虛擬出施工過程，其模擬數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)非常接近，具有較高的可信度，能夠為工程管理提供依據(jù)。