BIM在基坑工程中的應(yīng)用探索

■ 張燕

BIM在基坑工程中的應(yīng)用探索

■ 張燕

在鐵四院總部設(shè)計大樓基坑工程中嘗試采用BIM技術(shù)，進行基坑支護結(jié)構(gòu)的施工圖設(shè)計，模擬三維地質(zhì)地層模型，并進行基坑施工工序的模擬，同時統(tǒng)計支護結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量和開挖土石方量。

BIM；支護樁；立柱樁；內(nèi)支撐；三維地層；施工工序；開挖土石方量

建筑設(shè)計行業(yè)正發(fā)生一場變革，一種以三維模型為載體，結(jié)合參數(shù)化和信息化名為BIM的設(shè)計手段正在席卷設(shè)計行業(yè)。作為一種新興的建筑設(shè)計方法， BIM因集成建筑工程項目的各種信息，給建筑行業(yè)的設(shè)計、施工、運營全生命周期中帶來了諸多益處。

目前，BIM技術(shù)較為成熟地運用于建筑工程領(lǐng)域，鮮少運用于基坑工程中。主要依托鐵四院總部設(shè)計大樓地下室基坑項目，探索BIM技術(shù)在基坑工程中的應(yīng)用。該工程采用Revit軟件擬完成了以下幾個方面的內(nèi)容：地下室基坑支護結(jié)構(gòu)的三維模型的建立；項目所在位置的三維地層模型的建立；基坑開挖各工況施工順序的模擬；自動統(tǒng)計支護結(jié)構(gòu)各部分的工程數(shù)量；三維模型轉(zhuǎn)二維的自動成圖。

1 工程概況

鐵四院總部設(shè)計大樓Ⅰ期基坑面積約8 465 m2，基坑開挖深度10．65～11．50 m，局部坑中坑深度為13．6 m，基坑坑底至于粉砂層，且周邊緊鄰航測樓、電話所、檔案館等多個既有淺基礎(chǔ)建筑，基坑支護形式初步設(shè)計擬采用SMW工法樁+二道混凝土內(nèi)支撐的支護形式，主撐中心為兩道大的圓環(huán)結(jié)構(gòu)。

2 支護結(jié)構(gòu)的建立

在進行支護結(jié)構(gòu)模型的建立時，創(chuàng)建了基本的族構(gòu)件，即型鋼水泥土攪拌樁及格構(gòu)立柱樁兩種族構(gòu)件；采用了參數(shù)化的驅(qū)動可設(shè)置不同尺寸的兩種樁型，可運用于其他類似的支護結(jié)構(gòu)模型中。定制好族構(gòu)件后，將在平面模型中進行定位，定位出支護樁與立柱樁后，布置內(nèi)支撐體系；在支撐對應(yīng)標高平面內(nèi)進行在位構(gòu)件設(shè)置，不同類型的支撐需要分別定義屬性，對于混凝土支撐的加肋部位采用平面拾取的操作。支護結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。

圖1直觀地表達了整個支護體系結(jié)構(gòu)，在模型中可適時查看任何一構(gòu)件的參數(shù)化的信息，可適時修改。

3 三維地層的建立

根據(jù)空間點位，在平面位置定位好各勘探數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入軸線對應(yīng)的剖面位置，導(dǎo)入勘探橫剖面信息，進行各土層界面的繪制，繪制出剖面曲線后，進行地層實體和初始水位面的建立。所在區(qū)域從上至下地層依次為素填土、粉質(zhì)粘土、粉砂、細砂局部夾中砂、圓礫土、基巖（見圖2）。

三維地質(zhì)BIM模型的建立一直是巖土界較為復(fù)雜的難題，此項目在簡單地層條件下，運用空間點、線、面、體的關(guān)系，用體量的概念嘗試構(gòu)建了空間三維地質(zhì)模型。

4 開挖工況的設(shè)置

原初步設(shè)計施工工況步驟為：原地面施做支護樁、立柱樁→放坡開挖至-2．5 m施做冠梁及第一道內(nèi)支撐→繼續(xù)開挖至-7．5 m后施做腰梁及第二道混凝土內(nèi)支撐→繼續(xù)開挖至底，施做結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，封填肥槽，拆除第二道支撐→繼續(xù)施做地下室第二層頂板，換撐，拆除第一道內(nèi)支撐。將支護結(jié)構(gòu)模型與三維地質(zhì)模型進行整合，即可得到結(jié)合地層信息的支護結(jié)構(gòu)的模型，在軟件中，可通過剪切命令進行體量的差集運算，繪制多個工況下的三維視圖，也可通過在視圖中增加階段信息完成工況的模擬，開挖至底后的工況見圖3。

5 工程數(shù)量統(tǒng)計及出圖

根據(jù)各構(gòu)件定義對應(yīng)的屬性、名稱，在視圖區(qū)可自動生成工程明細表，明細表中可根據(jù)需求查看任意命名構(gòu)件的工程數(shù)量，方便、快捷、準確；對比分析原人工統(tǒng)計的工程數(shù)量表與自動統(tǒng)計支護結(jié)構(gòu)構(gòu)件工程數(shù)量，結(jié)果99%以上吻合，且自動統(tǒng)計智能、效率快、精度高。定制好對應(yīng)的字體、圖框，進行局部標注后，可進行項目的自動成圖，除配筋圖無法生成外，平面、剖面、立面均可完成。

6 結(jié)束語

此次在房建基坑工程中的運用嘗試可以看出，增加三維地質(zhì)模型可揭示連續(xù)的地層，校核和檢查支護結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)所在持力層位置；在復(fù)雜基坑開挖中（盆式、島式開挖），增加施工工況成圖，可直觀表達施工工序，指導(dǎo)實際施工；設(shè)置開挖工序，結(jié)合三維地質(zhì)模型，在土石分界面變化較大的區(qū)域，可自動統(tǒng)計較為精準的開挖土石方量；三維模型建好后，可自動轉(zhuǎn)二維視圖，自動成圖，方便快捷。

可移植于類似復(fù)雜的國鐵及城市軌道交通地下巖土支護工程設(shè)計中，用三維表達更直觀。

BIM技術(shù)是三維工程設(shè)計方法的基礎(chǔ)，具有劃時代意義。隨著建筑行業(yè)的逐步深化運用，勢必席卷到工程建設(shè)的其他領(lǐng)域。該項目在基坑工程中的應(yīng)用積累了一定的經(jīng)驗。然而，由于支護方法的多樣性（放坡、土釘墻、水泥土墻、工法樁、樁撐、樁錨等），建立所有形式的三維表達很難；在某些復(fù)雜區(qū)域， Revit軟件里三維地質(zhì)模型無法表達地質(zhì)構(gòu)造；因此，建立完備的巖土專業(yè)的族庫非常必要，能解決支護結(jié)構(gòu)樣式不足的問題，同時建議進行軟件的二次開發(fā)，將傳統(tǒng)的二維地質(zhì)勘察系統(tǒng)與三維軟件對接，通過現(xiàn)場鉆孔資料的輸入自動形成空間三維模型；該項目的開發(fā)會對復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道、橋梁、地鐵工程的BIM技術(shù)運用起到關(guān)鍵性的作用，解決巖土空間難題。

張燕：中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司地質(zhì)路基設(shè)計研究處 ，工程師，湖北 武漢，430063

責任編輯 王志明

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