基坑工程BIM應用

何建軍 王 碩 姚守儼

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

基坑工程BIM應用

何建軍 王 碩 姚守儼

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

通過創(chuàng)建基坑工程BIM模型，直觀體現(xiàn)項目全貌，實現(xiàn)多方無障礙的信息共享，讓不同的團隊可以在同一環(huán)境下工作，實現(xiàn)BIM技術在支護結(jié)構設計、土方開挖、基坑監(jiān)測等方面應用。

基坑工程； BIM； 地質(zhì)模型； 支護模型； 變形監(jiān)測

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.06.10

圖1 基坑工程BIM應用流程

1 概述

BIM技術在基坑工程的應用目標是：通過創(chuàng)建基坑的BIM信息模型，打破基坑設計、施工和監(jiān)測之間的傳統(tǒng)隔閡，直觀體現(xiàn)項目全貌，實現(xiàn)多方無障礙的信息共享，讓不同的團隊可以在同一環(huán)境下工作。通過三維可視化溝通，全面評估基坑工程，使管理決策更科學，采取措施更有效，并加強管理團隊對成本、進度計劃及質(zhì)量的直觀控制，提高工作效率，降低差錯率，節(jié)約投資。

BIM技術在基坑工程中的應用內(nèi)容，主要包含以下幾個方面：地下基坑支護結(jié)構三維模型的建立； 項目所在環(huán)境的三維地質(zhì)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)構各部分的工程數(shù)量； 三維模型轉(zhuǎn)二維的自動成圖； 基于BIM的基坑信息化施工與檢測。

2 基坑工程BIM應用業(yè)務流程

基坑工程BIM應用業(yè)務流程，詳見圖1。

(1)收集項目相關巖土工程地勘報告和設計資料，獲取地形、地質(zhì)數(shù)據(jù)，建立三維地質(zhì)數(shù)據(jù)模型。所謂三維地質(zhì)建模，是以各種原始數(shù)據(jù)(包括鉆孔、剖面、地震數(shù)據(jù)、等深圖、地質(zhì)圖、地形圖、工程勘察數(shù)據(jù)、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)等)為基礎，建立能夠反映地質(zhì)構造形態(tài)、構造關系及地質(zhì)體內(nèi)部屬性變化規(guī)律的數(shù)字化模型，這其中包含各種物理信息如地層信息、水文地質(zhì)等信息。通過適當?shù)目梢暬绞剑摂?shù)字化模型能夠展現(xiàn)虛擬的真實地質(zhì)環(huán)境，更重要的是，基于模型的數(shù)值模擬和空間分析，能夠輔助用戶進行科學決策和規(guī)避風險。

(2)獲取周邊建筑物、道路及地下管線等設施的數(shù)據(jù)，建立施工場地布置模型。

(3)導入地形數(shù)據(jù)模型及施工場地模型數(shù)據(jù)，進行基坑工程的支護體系模型建立。模型除了對工程對象進行3D幾何信息和拓撲關系的描述外，還包括完整的工程信息描述，如對象名稱、支護類型、材料類別、工程物理力學性能等設計信息。

(4)土方開挖施工方案設計及施工模擬。通過土方開挖施工方案工程仿真，了解樁基變位，支護結(jié)構變形，地形變形對周邊設施(相鄰建筑及管線等設施)的影響等情況。

(5)根據(jù)土方開挖設計數(shù)據(jù)及地形數(shù)據(jù)進行土方算量。

(6)導入基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)存放在Excel表格中，通過讀取該數(shù)據(jù)生成基坑邊形形狀，可以查看到臨界區(qū)域和超限危險點。還可以將某時間點的變形模型與初始模型疊合并進行誤差檢驗。

(7)基坑監(jiān)測人員及管理人員確定危險點后調(diào)取基坑監(jiān)測報表，確認危險點是否屬實并及時啟動應急預案，第一時間開始基坑危險時間處置工作。

3 基坑工程BIM應用軟件方案

基坑工程BIM應用軟件方案有多種選擇[1]，本文以常用Civil3D、Revit、Navisworks、Ansys軟件組合為例介紹。

3.1 基于Autodesk軟件應用方案

圖2 基坑工程BIM應用軟件方案

利用AutoCAD Civil3D建立地質(zhì)模型，Autodesk Revit建立支護結(jié)構模型及施工場地模型，三者在Revit中整合形成基坑工程模型[3]。

在Revit進行基坑工程施工流水段劃分及土方算量，Navisworks進行土方開挖及支護結(jié)構施工模擬。Ansys獲取基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)存放在Excel表格中，Revit通過讀取該數(shù)據(jù)生成基坑變形形狀。

3.2 其他軟件應用方案

對于特殊基坑工程，如崖壁類基坑，軟件難以建模的，可以借助三維激光掃描儀，通過點云數(shù)據(jù)處理逆向建模，然后在Revit軟件中進行模型整合及相關應用。

4 基坑工程BIM建模方法

4.1 地形模型建模方法

常規(guī)地形建模方法，可通過勘察獲取的高程點或等高線為基礎數(shù)據(jù)，導入BIM軟件(如Autodesk Revit、Civil3D等)自動生成三維地形模型，方便快捷。

對模型精度要求高，現(xiàn)場環(huán)境比較復雜的地形，可以采用三維激光掃描方式，獲取現(xiàn)場點云數(shù)據(jù)形成三維BIM模型，實現(xiàn)逆向建模。此方法需要借助三維激光掃描儀，成本較高。

4.2 地質(zhì)模型建模方法

目前，國內(nèi)已有單位自主開發(fā)獨立三維巖土工程勘察信息系統(tǒng)，但缺乏與建筑、結(jié)構等專業(yè)數(shù)據(jù)交換接口，無法進行各專業(yè)協(xié)同工作。利用現(xiàn)有的BIM軟件(如Civil3D、Revit等)將巖土工程勘察成果建立三維可視化地質(zhì)模型并與其他專業(yè)進行協(xié)同工作是將BIM技術應用于巖土工程勘察領域的一條途徑。如圖3是通過Civil3D建立的三維地質(zhì)模型效果圖。

圖3 某地塊三維地質(zhì)模型

圖4 某項目基坑支護模型

4.3 支護結(jié)構建模方法

基坑支護結(jié)構、支撐體系或錨固體系模型，可直接用現(xiàn)有的BIM軟件(如Revit)建模，并與地質(zhì)模型在同一軟件平臺進行整合，如圖4所示。

4.4 施工場地建模方法

施工環(huán)境及場地布置模型，可直接用現(xiàn)有的BIM軟件(如Autodesk Revit)對施工現(xiàn)場進行規(guī)劃布置并建模，并與基坑模型在同一軟件平臺進行整合。

5 基坑工程BIM模型細度

基坑BIM模型的內(nèi)容主要涉及到兩大類主體：地質(zhì)結(jié)構和支護結(jié)構。模型主要內(nèi)容及細度要求詳見表1。

表1 基坑工程BIM模型內(nèi)容

模型類別模型元素及信息地質(zhì)模型地形模型、土層模型等幾何尺寸/材質(zhì)/空間位置信息支護體系模型基坑支護結(jié)構模型(鋼板樁、排樁、樁孔灌注樁、勁性混凝土攪拌樁、土釘墻、地下連續(xù)墻等)、支撐或錨固形式模型等幾何尺寸/材質(zhì)/空間位置信息基坑模型基坑、土方開挖分區(qū)、行車路線等幾何尺寸/空間位置信息場地環(huán)境模型地下管線、周邊道路與建筑、基坑臨邊防護、上下基坑通道、施工通道等幾何尺寸/材質(zhì)/空間位置信息

6 基坑工程BIM應用成果

基坑工程基于BIM技術應用成果主要有[2]：

6.1 三維可視化BIM模型

可用于指導基坑施工的BIM模型主要包含地質(zhì)結(jié)構模型、支護結(jié)構模型和施工場地模型，如圖5所示。以地勘報告為初始數(shù)據(jù)，將二維地勘資料轉(zhuǎn)換成三維地勘模型，在Revit中與基坑結(jié)構模型合并，可以實時、任意視角查看地下室結(jié)構構件地下連續(xù)墻、底板、樁等)與不同深度土層之間的關系，快速查看土層屬性信息，指導設計、施工，輔助監(jiān)理、監(jiān)測人員判斷樁基持力層和有效樁長，對比開挖實際情況與地勘報告的符合度輔助驗槽工作。通過適當?shù)目梢暬绞剑摂?shù)字化模型能夠展現(xiàn)虛擬的真實地質(zhì)環(huán)境，更重要的是，基于模型的數(shù)值模擬和空間分析，能夠輔助用戶進行科學決策和規(guī)避風險。

圖5 某項目基坑工程模型

6.2 施工模擬

基于三維空間技術，可視化是其一個顯著的特點，即在輸入相關信息后，可以直觀地看到土方開挖和支護施工過程、周邊環(huán)境變化、建成后的運營效果等。同時可以科學指導方案優(yōu)化和現(xiàn)場施工，方便業(yè)主和監(jiān)理及時了解工程進展狀況，可以讓更多非專業(yè)領域的人參與進來，如圖6所示。

圖6 某項目基坑工程施工BIM模型

圖7 某基坑工程BIM算量

圖8 基于BIM基坑監(jiān)測

6.3 工程算量

根據(jù)支護結(jié)構各構件定義對應的屬性、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件的工程數(shù)量，方便、快捷、準確。如圖7。

在土方工程中，根據(jù)開挖前后各工況的基坑模型體量差集計算，可以準確得出各階段土方工程量。

6.4 信息化施工

BIM技術最大的一個特點是信息資源共享，這可以成為各項目參與方最佳的溝通平臺，也將為基坑支護設計、施工、監(jiān)測等參與方及時反饋相關信息，提高基坑支護施工效率、質(zhì)量和安全性。例如，可以利用信息模型，有效地避開地下管線，協(xié)同各施工作業(yè)安全施工。

將地勘模型集成到Revit中，并賦予土層屬性，使監(jiān)理、設計、施工人員能在平臺上進行設計、校核工作，這種集成式模型更適合民用建筑的監(jiān)理、施工、設計工作的開展，提高工作效率。這種集成式地勘模型有效地拓展了常規(guī)模型的應用價值，實現(xiàn)了多模型、多專業(yè)在同一平臺上協(xié)同工作，同時可以對地勘模型進一步開發(fā)，當修改樁長或樁徑等屬性時能實時輸出變化后的樁承載力、樁材料用量及單樁成本，對設計階段的樁型選取、確定樁基方案有非常重要的實用價值。

6.5 信息化監(jiān)測

將BIM技術引入基坑工程監(jiān)測工作，以解決以往在基坑圍護結(jié)構變形監(jiān)測過程中不能直觀表現(xiàn)其變形情況和變形趨勢的缺點，如圖8所示。

通過BIM技術將基坑的形狀、圍護結(jié)構、周邊環(huán)境以及各類監(jiān)測點建立模型，在模型中導入每天的監(jiān)測數(shù)據(jù)并采用4D技術(三維模型+時間軸)+變形色譜云圖的表現(xiàn)方式方便工程師、管理人員、業(yè)主、施工人員等查看基坑圍護結(jié)構的變形情況[4]。

基于BIM技術的基坑監(jiān)測的優(yōu)勢：

(1)直觀表現(xiàn)基坑圍護結(jié)構的變形情況，通過添加時間軸的4D變形動畫可以準確判斷基坑的變形趨勢；

(2)快速定位基坑圍護結(jié)構的危險點，并根據(jù)變形趨勢及現(xiàn)狀及時作出應急預案；

(3)輔助施工管理，非監(jiān)測專業(yè)人員同樣可以看懂基坑變形情況；

(4)結(jié)合其他監(jiān)測數(shù)據(jù)如水位變化、道路沉降、管線變形、周邊建筑物變形等輔助工程師判斷基坑變形的原因及主要影響因素；

(5)結(jié)合已有的基坑圍護結(jié)構的變形歷史判斷未來一段時間的變形趨勢，對危險位置提前預警重點監(jiān)測，有利于施工管理人員和業(yè)主方的工程決策。

7 結(jié)語

目前，BIM技術在深基坑工程中應用還處于初級階段，需要在不同的階段使用不同的軟件實現(xiàn)不同的功能，還比較分散。要實現(xiàn)BIM技術在深基坑工程中系統(tǒng)應用，關鍵的一步就是要通過二次開發(fā)實現(xiàn)BIM軟件平臺具有深基坑建模和模型計算功能，實現(xiàn)BIM技術在基坑工程領域的信息化應用。這需要廣大工作者長期不懈的探索，不斷完善BIM技術在深基坑工程中的應用理論和實踐方法。

[1]楊敏， 趙軍．BIM技術在深基坑工程中的應用探討[J].工程地質(zhì)學報， 2014(22)： 407.

[2]張燕.BIM在基坑工程中的應用探索[J].技術研究， 2015(6)：63.

[3]林孝城.BIM在巖土工程勘察成果三維可視化中的應用[J].福建建筑， 2014(6)：111.

[4]趙華英， 陸揚.基于BIM的基坑5D變形監(jiān)測.第十七屆全國工程建設計算機應用大會論文集， 2014： 192.

BIM Application in the Foundation Pit Engineering

He Jianjun， Wang Shuo， Yao Shouyan

(ChinaConstructionEighthEngineeringDivisionCo.，Ltd.，Shanghai200122，China)

Reflected the project landscape intuitively and realized the obstacle-free information sharing through creating a foundation pit engineering BIM mode，made the different teams work in the same environment，realized the BIM technology in supporting structure design，earth excavation and foundation pit monitoring applications.

The foundation Pit Engineering； Building Information Modeling； Geologic Model； Supporting Model； Deformation Monitoring

何建軍(1985-)，男，中級工程師。主要研究方向：施工領域BIM應用。

TU17；TU198+.6

A

1674-7461(2016)06-0055-05