BIM可視化技術(shù)在基坑設(shè)計中的應(yīng)用

劉一鳴，劉國楠，顧問天（.中國鐵道科學(xué)研究院，北京　0008；.中國鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計院，廣東深圳　58000）

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BIM可視化技術(shù)在基坑設(shè)計中的應(yīng)用

劉一鳴1，劉國楠2，顧問天2
（1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計院，廣東深圳518000）

摘要BIM可視化技術(shù)是一種三維數(shù)字表達(dá)技術(shù)，與二維圖紙表達(dá)方式相比，其表達(dá)更完整、準(zhǔn)確、清晰。深圳一高層建筑基坑支護(hù)工程周邊環(huán)境、設(shè)計和施工方案較復(fù)雜，本文應(yīng)用BIM可視化技術(shù)進(jìn)行該基坑設(shè)計方案展示和施工模擬。采用ArchiCAD 17建立三維基坑模型，展示設(shè)計方案，并結(jié)合Navisworks進(jìn)行施工模擬，對完善設(shè)計和施工方案極為便利。

關(guān)鍵詞基坑設(shè)計；建筑信息模型（BIM）；可視化；方案展示；施工模擬

我國城市地下空間開發(fā)利用程度不斷加大，形成了大量設(shè)計、施工復(fù)雜的深基坑?，F(xiàn)行二維設(shè)計方法在方案展示時，存在表達(dá)不完整、不準(zhǔn)確等問題。BIM （Building Information Modeling）可視化技術(shù)為解決這些問題提供了技術(shù)支撐。其利用三維數(shù)字技術(shù)，以項目各相關(guān)信息為基礎(chǔ)，構(gòu)建三維建筑信息模型，對項目的物理特性等進(jìn)行數(shù)字表達(dá)［1］。該技術(shù)真正實現(xiàn)了“所見即所得”的效果，在設(shè)計建造過程中關(guān)于項目的溝通、討論、決策均在可視化狀態(tài)下完成［2］。該技術(shù)在國內(nèi)一些建筑工程中已經(jīng)得到應(yīng)用［3-5］，但在基坑工程中應(yīng)用較少。

深圳工商銀行大廈基坑支護(hù)工程周邊環(huán)境、設(shè)計和施工方案較復(fù)雜，二維圖紙的表達(dá)方式難以滿足工程實際需求。因此，將BIM可視化技術(shù)引入該基坑設(shè)計中，用以展示基坑設(shè)計和施工方案。本文介紹了該技術(shù)具體的應(yīng)用過程和施工模擬效果。

1　工程概況和設(shè)計難點

1. 1工程概況

深圳工商銀行大廈基坑位于深圳市后海中心區(qū)，平面位置如圖1所示。其北側(cè)鄰地鐵11號線后海站，西側(cè)鄰市政道路，地下有給水管、雨水管、燃?xì)夤?、電纜溝等多種管線，東側(cè)和南側(cè)為待開發(fā)空地。建筑總高度190. 5 m，設(shè)4層地下室?；娱_挖深度約20 m，基坑周長289 m?；庸こ贪踩燃墳橐患?。

1. 2基坑支護(hù)方案

基坑支護(hù)方案采用樁撐方案。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用咬合樁形式，由樁徑1. 2 m鋼筋混凝土樁與同直徑素混凝土樁相互咬合0. 2 m排列形成；支撐采用3道鋼筋混凝土環(huán)形支撐。基坑地鐵側(cè)支護(hù)剖面見圖2。

圖1　基坑平面位置（單位：m）

圖2　基坑地鐵側(cè)支護(hù)剖面（單位：m）

1. 3土方開挖方案

場地東側(cè)、南側(cè)為待開發(fā)空地，考慮土方挖運便利，局部于東側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中預(yù)留出土口，出土坡道從該出土口向內(nèi)放坡到坑底，向外逐級放坡到地面。

1. 4基坑設(shè)計難點

1. 4. 1周邊環(huán)境

該基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，北側(cè)地鐵后海站結(jié)構(gòu)外墻與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最短距離＜4. 0 m，西側(cè)地下管線與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最短距離不足1. 0 m，且車站、管線與基坑相對位置不斷變化，采用傳統(tǒng)平、立面圖完整、準(zhǔn)確地展示該基坑周邊環(huán)境難度大。

1. 4. 2支護(hù)方案

該基坑支撐采用3道橢圓撐，在第3道支撐標(biāo)高處增設(shè)1道桁架對撐，出土口外側(cè)增加支護(hù)樁及鋼筋混凝土傳力板?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)空間位置關(guān)系復(fù)雜，采用二維圖紙清晰地表達(dá)該基坑支護(hù)方案難度大。

1. 4. 3施工方案

基坑土方、出土坡道開挖與支護(hù)結(jié)構(gòu)施工時序交叉，采用常規(guī)施工工序圖表達(dá)該施工方案難度大。

2　設(shè)計方案展示

2. 1三維建模

2. 1. 1建模步驟

本項目采用ArchiCAD 17建立三維基坑模型，建模流程如圖3所示。

圖3　ArchiCAD建模流程

2. 1. 2三維建模

根據(jù)基坑開挖影響范圍確定基坑建模范圍為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線以外最少40. 0 m（2h，h為基坑開挖深度）。兼顧基坑建模工作量及重點部分的展示效果，建模時場地東側(cè)、南側(cè)待開發(fā)空地采用同標(biāo)高土層處理，并與出土坡道采用不同表面顏色進(jìn)行對比；地鐵車站覆蓋土層采用淺色系表面顏色。

該基坑各組成元素及采用的ArchiCAD建模單元見表1?？紤]該基坑模型最終的生成效果，模型各元素表面顏色采用1～5級灰度等級（1級飽和度相對最低，5級飽和度相對最高）控制。基坑三維模型如圖4所示。

表1　ArchiCAD基坑模型元素相關(guān)信息

圖4　基坑三維模型

2. 2設(shè)計方案展示

設(shè)計方案展示內(nèi)容包括周邊環(huán)境和支護(hù)方案。在展示各部分內(nèi)容時，為突出展示重點，模型次要部分做淡顯處理。

2. 2. 1周邊環(huán)境的展示

周邊環(huán)境與基坑位置關(guān)系參見圖4。模型完整、準(zhǔn)確地展示了周邊環(huán)境與基坑的位置關(guān)系，較容易地確定出基坑北側(cè)和西側(cè)最不利支護(hù)剖面位置。同時，還可進(jìn)一步利用軟件3D剪切功能剖分模型查看剖面。圖5為基坑地鐵側(cè)一剖面模型。

圖5　基坑地鐵側(cè)一剖面模型

圖6　支護(hù)方案模型

2. 2. 2支護(hù)方案的展示

圖6為支護(hù)方案模型。模型清楚地表達(dá)了基坑整體支撐布置情況及出土坡道與支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系。

為更清晰地展示基坑出土口處的支護(hù)設(shè)計，利用軟件漫游功能，以第一人視角的形式逐步觀察該處設(shè)計結(jié)果。漫游觀察見圖7。

圖7　漫游觀察

3　施工模擬

3. 1施工方案

本基坑施工內(nèi)容主要包括土方開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)施工?？觾?nèi)開挖土方根據(jù)支撐及坑底標(biāo)高共分為4層。

施工步驟：土方開挖至冠梁底部，施工支護(hù)樁、冠梁、立柱→開挖第1層土至第1道支撐底部，施工第1道支撐系統(tǒng)→開挖第2層土至第2道支撐底部，并開挖坑外出土坡道，施工腰梁及第2道支撐系統(tǒng)→開挖第3層土至第3道支撐底部，并開挖坑內(nèi)出土坡道，施工腰梁及第3道支撐系統(tǒng)→開挖第4層土至基坑底部。

3. 2土方開挖技術(shù)要求

基坑土方開挖遵循“分層、分區(qū)、分段，適時兼顧，綜合平衡”的原則，嚴(yán)禁任何空間和時間意義上的超挖，最大分層厚度不大于支撐豎向間距。考慮到基坑北側(cè)地鐵車站結(jié)構(gòu)在基坑施工期間的安全，土方開挖由南向北進(jìn)行。

3. 3建立施工模型

基于方案展示階段的基坑模型，僅保留支護(hù)結(jié)構(gòu)和出土坡道模型部分，并補(bǔ)充坑內(nèi)土方模型，將模型以ifc格式文件導(dǎo)入Navisworks中生成施工模型。為便于施工模擬，并滿足施工重點的展示要求，對坑內(nèi)土方模型作如下處理：

1）坑內(nèi)土方模型采用板單元建立，并按照實際土方開挖順序逆向建立每層土方，即從第4層開始建立到第1層結(jié)束。

2）本基坑形狀呈規(guī)則四邊形，在滿足土方開挖技術(shù)要求下，坑內(nèi)土方分層厚度取相應(yīng)上下支撐豎向間距，每層土方按照“田”字形分為4個區(qū)，由4塊板（土方）組成。同時，為更加方便快捷地編制施工進(jìn)度表，在建立土方模型時，需對每塊土方進(jìn)行命名。

3）為更清晰地展示土方開挖過程，每層土方分別采用不同表面顏色對比處理。

3. 4施工模擬

利用Navisworks中Timeliner功能，以天為時間單位，按照施工方案進(jìn)行施工模擬，生成模擬動畫。過程如下：

1）編制施工進(jìn)度表。施工進(jìn)度須細(xì)化到每一塊土方，即每一塊土方都要建立與之相對應(yīng)的任務(wù)，且任務(wù)時序須滿足土方開挖技術(shù)要求。兼顧任務(wù)工作量和施工模擬的細(xì)化程度，每層支撐根據(jù)“田”字形土方分區(qū)對應(yīng)建立4項任務(wù)；每10根支護(hù)樁建立1項任務(wù)；坑外開挖土方作為1項任務(wù)。

2）任務(wù)鏈接。按照施工進(jìn)度表將施工任務(wù)與對應(yīng)模型單元依次鏈接，并定義土方任務(wù)類型為“拆除”，其它單元任務(wù)類型為“構(gòu)造”。

3）施工模擬。點擊“模擬”查看整個施工過程，并導(dǎo)出施工模擬動畫。部分動畫截圖見圖8。

圖8　施工模擬部分動畫截圖

4　結(jié)論

在深圳工商銀行大廈基坑支護(hù)工程中，引入了BIM可視化技術(shù)展示基坑設(shè)計和施工方案，得到以下結(jié)論：

1）基于BIM可視化技術(shù)的設(shè)計方案展示可以使設(shè)計人員清楚地表達(dá)設(shè)計難點及設(shè)計意圖，使業(yè)主快速直觀地評估設(shè)計方案的可行性。在與設(shè)計人員討論設(shè)計方案的過程中，大大增強(qiáng)了互動效應(yīng)，最終為雙方達(dá)成共識奠定了基礎(chǔ)。

2）基于BIM可視化技術(shù)的施工模擬可以使設(shè)計人員清晰地解釋施工過程，使業(yè)主更直觀地了解項目施工工序，使施工方更早地發(fā)現(xiàn)施工中存在或可能存在的問題，進(jìn)一步對原有的施工方案進(jìn)行優(yōu)化，對加快項目進(jìn)程具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

［1］Singapore Building and Construction Authority. Singapore BIM Guide（Version 1. 0）［Z］. Singapore：Singapore Building and Construction Authority，2012.

［2］上海市政工程設(shè)計研究總院.中國市政設(shè)計行業(yè)BIM實施指南［Z］.北京：中國勘察設(shè)計協(xié)會市政工程設(shè)計分會信息管理工作委員會，2015.

［3］蘇駿，葉紅華.基于BIM的設(shè)計可視化技術(shù)在世博會德國館中的應(yīng)用［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2009，1（1）：87-91.

［4］賈寶榮. BIM技術(shù)在上海中心大廈工程中的探索應(yīng)用［J］.施工技術(shù)，2014，43（增）：254-258.

［5］柯尉. BIM技術(shù)在地鐵車站工程中的應(yīng)用初探［J］.鐵道勘測與設(shè)計，2014（2）：39-44.

（責(zé)任審編鄭冰）

Application of BIM（Building Information Molding）Visualization Technology to Foundation Pit Design

LIU Yiming1，LIU Guonan2，GU Wentian2
（1. China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. Shenzhen Research and Design Institute，China Academy of Railway Sciences，Shenzhen Guangdong 518000，China）

AbstractBIM（Building information modeling）visualization technology is a three-dimensional digital expression technology. Compared with the expression of two-dimensional drawings，its expression is more complete，accurate and clear. Because of the complexity of surrounding environment，design and construction scheme of the foundation pit supporting project of the high-rise building in Shenzhen，the BIM visualization technology was used into the presentation of design scheme and the construction simulation. T he 3D foundation pit model was established by using ArchiCAD 17 to display design plan and simulate construction process with Navisworks. T he application results show that the BIM visualization technology is very convenient to improve the design and construction scheme.

Key wordsFoundation pit design；Building information modeling；Visualization；Scheme presentation；Construction simulation

中圖分類號TU17；TU753

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 33

文章編號：1003-1995（2016）06-0125-04

收稿日期：2015-12-21；修回日期：2016-03-23

作者簡介：劉一鳴（1990—），男，碩士研究生。