BIM技術(shù)在深基坑施工中的應(yīng)用

譚 佩，陳立朝，周龍翔

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

BIM技術(shù)在深基坑施工中的應(yīng)用

譚 佩，陳立朝，周龍翔

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

以某深基坑為例，闡述了BIM技術(shù)在該深基坑中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了深基坑3D模型的建立、基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)配筋、施工進(jìn)度模擬等內(nèi)容.實(shí)踐證明，通過BIM技術(shù)可為深基坑工程施工解決一些重難點(diǎn)問題，有效地保證了施工的質(zhì)量與進(jìn)度.

深基坑；監(jiān)測；節(jié)點(diǎn)；4D模擬

隨著城市建設(shè)的加快，逐漸向地下空間發(fā)展，深基坑的數(shù)量、深度均在不斷增加［1］.設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測是基坑工程的3個(gè)主要內(nèi)容.傳統(tǒng)的二維基坑設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足基坑工程進(jìn)度、安全、質(zhì)量等要求［2］，傳統(tǒng)的基坑設(shè)計(jì)圖紙每一張都是獨(dú)立的，并沒有能整合所有圖紙信息的中央數(shù)據(jù)庫，這些圖紙必須依靠專業(yè)的技術(shù)人員才能看懂，缺乏項(xiàng)目信息的整合度和協(xié)調(diào)度；按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的平面圖、立面圖、剖面圖常常會(huì)出現(xiàn)信息不一致的情況，且不能清晰表達(dá)支護(hù)結(jié)構(gòu)、周圍建筑、地下管線之間的空間構(gòu)造關(guān)系［3-4］，如何在保證工期、安全、質(zhì)量、建筑的前提下，高效率、高質(zhì)量、低成本的完成工程建設(shè)是一個(gè)嚴(yán)峻的問題.

建筑信息模型（Building Information Modeling）是指利用參數(shù)化的模型進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的指導(dǎo)過程.基于BIM的模型建立過程就是項(xiàng)目的中央信息數(shù)據(jù)庫的建立過程，包括建筑物生命期內(nèi)所有實(shí)體和功能特征的相關(guān)信息，如工程信息、幾何信息、物理信息、造價(jià)信息以及制造裝配信息等，可服務(wù)于項(xiàng)目的整個(gè)生命周期，這為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員間進(jìn)行信息交換提供了方便，使提高項(xiàng)目整合度和協(xié)作度成為可能.BIM技術(shù)具有可視化、可出圖形、模擬性、優(yōu)化性、協(xié)調(diào)性等特點(diǎn)［5-6］，可實(shí)現(xiàn)模型從二維空間到三維空間的轉(zhuǎn)變，許多在二維圖紙中無法表達(dá)的信息可以在三維模型中表達(dá)，并可以細(xì)化到模型的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，各專業(yè)間的構(gòu)件、單元等都可以用直觀的立體三維效果圖表示，實(shí)現(xiàn)信息模型與工程管理模型完美結(jié)合，減少項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)期間的不可預(yù)見性和不確定性［7-9］，如：在設(shè)計(jì)階段，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)，以更好地利用建筑空間，并有效避免各專業(yè)之間管、線的沖突，提高各專業(yè)之間的配合和協(xié)調(diào)，減少各種圖紙的錯(cuò)、漏、缺現(xiàn)象；施工階段，可以利用該模型進(jìn)行施工4D（3D模型加時(shí)間軸）模擬，實(shí)現(xiàn)虛擬施工和現(xiàn)實(shí)施工的有效協(xié)調(diào)［10］；在成本控制上，可以利用其中的信息進(jìn)行預(yù)決算，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控工程的實(shí)際成本；在監(jiān)測階段，可以將動(dòng)態(tài)監(jiān)測的結(jié)果輸入BIM模型，進(jìn)行實(shí)測數(shù)據(jù)與虛擬模型的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)測等［11］.

將BIM技術(shù)引入基坑工程特別是復(fù)雜深大基坑的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測中，通過創(chuàng)建基坑BIM模型，打破基坑設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測之間的傳統(tǒng)隔閡，實(shí)現(xiàn)多方無障礙的溝通和信息共享，讓項(xiàng)目不同參與方可以共同協(xié)作，通過三維可視化溝通加強(qiáng)基坑工程的施工現(xiàn)場、成本、進(jìn)度、質(zhì)量管理，節(jié)約成本，減少現(xiàn)場返工，提高工作效率.

1 項(xiàng)目概況

佛山某基坑工程占地面積約110 m×70 m，擬建酒店及商住樓各1棟，24～28層（樓高約80～100 m），框剪結(jié)構(gòu)，裙樓4層，框架結(jié)構(gòu)，采用樁基礎(chǔ)；設(shè)有地下室4層，底板設(shè)計(jì)標(biāo)高約為相對高程-14.90 m.基坑開挖深度15.59 m，基坑周長約350 m，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí).基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+三道鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)形式，地下連續(xù)墻厚800 mm，連續(xù)墻長約42～45 m.

2 深基坑BIM模型

模型采用Autodesk Revit軟件建立基坑3D模型，先將有軸網(wǎng)、立柱樁、攪拌樁和內(nèi)支撐的CAD圖紙鏈接至Revit軟件中，其中地下連續(xù)墻用基本墻繪制，內(nèi)支撐、腰梁、冠梁等用梁單元繪制，攪拌樁、工程樁等用混凝土柱單元?jiǎng)?chuàng)建，本基坑的3D模型見圖1.相比傳統(tǒng)的二維圖紙，3D模型實(shí)現(xiàn)了圖紙可視化，通過3D模型能為現(xiàn)場施工的人員直觀、完整地展示支護(hù)樁結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)、地下連續(xù)墻等，使工作人員充分地了解設(shè)計(jì)意圖，避免因理解錯(cuò)誤而造成的損失.地下連續(xù)墻深層水平位移的測斜孔則采用柱模型代替，以便將基坑監(jiān)測信息與Navisworks軟件中的模型關(guān)聯(lián).

圖1 基坑3D模型與基坑平面圖Fig.1 Foundation's 3D model and plan

3 基坑監(jiān)測信息實(shí)時(shí)查看

BIM軟件的主要功能之一是處理模型信息，項(xiàng)目的所有實(shí)體和功能等信息都存儲(chǔ)在BIM模型中，不僅可以在建模過程中注入相關(guān)信息，也可以在模型完成后再附加圖片、文字等信息，許多軟件提供用戶自定義參數(shù)或字段補(bǔ)充軟件原有的參數(shù)或字段［10］.基坑監(jiān)測是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，隨著基坑工程的施工，在不同施工階段均會(huì)產(chǎn)生大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)并不是在建模時(shí)就存在的，監(jiān)測數(shù)據(jù)需要與當(dāng)時(shí)的施工工況相關(guān)聯(lián)才有意義.

Navisworks軟件中“Data Tools”工具可實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)與模型的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)際工況的同步.通過在構(gòu)建的對象特性里附加額外的信息，而無需去Revit軟件中修改或增加連續(xù)墻的族參數(shù)，從而大大減少設(shè)計(jì)人員的工作量.具體方法如下：

（1）借助微軟Excel表格創(chuàng)建地連墻測斜的參數(shù)數(shù)據(jù)見圖2，表格中“GUID”值為基坑測斜孔模型構(gòu)件的“GUID”，該“GUID”值是前述用Revit創(chuàng)建的基坑模型時(shí)軟件自動(dòng)賦予的構(gòu)件標(biāo)識(shí)，是全球唯一標(biāo)識(shí).“GUID”值作為微軟Excel檢測數(shù)據(jù)記錄與模型關(guān)聯(lián)的唯一標(biāo)識(shí)，把需要關(guān)聯(lián)的模型構(gòu)件的“GUID”值從Navisworks的特性中復(fù)制到該表的GUID字段中.

圖2 地連墻測斜監(jiān)測信息參數(shù)表Fig.2 Parameter list of the monitoring information of underground continuous wall

（2）利用“Data Tools”工具設(shè)置需要關(guān)聯(lián)的Excel文件并正確輸入SQL語句指定要查詢的數(shù)據(jù)庫表，本項(xiàng)目中SQL語句具體為“SELECT* FROM［基坑監(jiān)測參數(shù)$］WHERE＂GUID＂＝% prop（＂項(xiàng)目＂，＂GUID＂）”，見圖3.

圖3 編輯鏈接Fig.3 Edit link

其中，“%prop”為Navisworks的模型特性函數(shù)，工作原理為利用2個(gè)參數(shù)：“項(xiàng)目”和“GUID”返回用戶在Navisworks中所選中的模型構(gòu)件的GUID值，SQL語句將利用這個(gè)GUID值在Excel文件中檢索“GUID”字段，找出“GUID”相等的記錄，并顯示該行記錄的相關(guān)信息.

（3）輸入字段名稱即可關(guān)聯(lián)表格與模型，打開已關(guān)聯(lián)的模型對象的“特性”窗口，將在“特性”窗口中出現(xiàn)“地連墻測斜位移”頁面，見圖4.

（4）上述方法只適用于特定語言版本的Navisworks軟件，例如該例為簡體中文版，不適用其它語言版本，譬如英文版.原因是%prop函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)為中文的“項(xiàng)目”，不同的語言版本該參數(shù)的翻譯將會(huì)不同，為了避免這種語言導(dǎo)致的問題，可以用一個(gè)與語言無關(guān)的函數(shù)：%intprop，并且該函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)“LcOaNode”為內(nèi)部名，將與語言無關(guān).把SQL語句改為如下方式：“SELECT *FROM［基坑監(jiān)測參數(shù)MYM］WHERE＂GUID＂＝%intprop（＂LcOaNode＂，＂LcOaNodeGuid＂）；”這樣即使在英文版軟件中也能正確為模型添加附加信息.這種為模型添加附加信息的方法使監(jiān)測人員從大量的監(jiān)測表格中釋放出來，實(shí)現(xiàn)各方對監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享，方便工作人員能快速、準(zhǔn)確地找出危險(xiǎn)點(diǎn)和變形敏感點(diǎn)，確定是否啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，使監(jiān)方實(shí)時(shí)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而提高工作效率.

圖4 基坑監(jiān)測信息顯示Fig.4 Foundation pit monitoring information display

4 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)配筋

大型項(xiàng)目中的鋼筋多達(dá)幾十萬根，如果設(shè)計(jì)師一根根地去繪制，這樣設(shè)計(jì)工作不僅機(jī)械且工作量非常大，這時(shí)可以借助Autodesk公司提供的Extensions插件，它是目前使用率較高的一款配筋插件，可以實(shí)現(xiàn)對基坑的內(nèi)支撐梁、腰梁、冠梁等快速進(jìn)行配筋.設(shè)計(jì)人員只需要在該插件中定義主筋和箍筋的鋼筋參數(shù)、間距、根數(shù)、位置等信息，軟件則可以根據(jù)參數(shù)自動(dòng)為梁、柱等配筋，但是對于變截面和異形主體則無法使用，只能根據(jù)Revit軟件中自帶的鋼筋命令繪制.

圖5 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)配筋Fig.5 Complex joint reinforcement

本項(xiàng)目利用該插件和Revit軟件中自帶的繪制鋼筋的命令可將梁的每根鋼筋均清晰表達(dá)出來，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件空間關(guān)系的可視化，圖5為基坑對撐與角撐相交節(jié)點(diǎn)的鋼筋展示.由于該基坑支撐體系節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，對梁配筋后，在節(jié)點(diǎn)交叉處發(fā)現(xiàn)大量對撐上部鋼筋和箍筋與角撐上部鋼筋發(fā)生碰撞，發(fā)現(xiàn)后通過調(diào)整縱向鋼筋的位置，更重要的是可非常直觀地測量鋼筋的間距，確保鋼筋滿足規(guī)范要求的最少間距.通過該方法，使這些問題在施工前得到解決，減少工人在綁扎鋼筋時(shí)由于鋼筋排布不合理而返工，修改后模型見圖6.通過在施工前對鋼筋進(jìn)行建模，使相關(guān)工作人員均能理解各施工工序的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，解決可能在施工過程中遇到的問題，發(fā)現(xiàn)圖紙中存在的錯(cuò)誤，及時(shí)采取措施糾正錯(cuò)誤，加快施工速度和減少工程造價(jià).

圖6 修改前和修改后剖面圖對比Fig.6 Profile comparison before and after modification

5 深基坑工程4D施工模擬

該工程場地狹小，各項(xiàng)施工交替進(jìn)行，運(yùn)用Navisworks軟件可實(shí)現(xiàn)對基坑工程的施工動(dòng)畫模擬，可找出合適的施工方案.通過4D施工模擬，直觀、形象地展示施工計(jì)劃進(jìn)度和實(shí)際進(jìn)度、各施工步驟之間的先后順序以及工序之間的銜接情況，準(zhǔn)確地掌握施工過程中的要點(diǎn)和難點(diǎn)，將問題提前解決.同時(shí)方便施工單位直觀了解施工情況，合理地安排施工工序，避免因施工工序錯(cuò)誤而導(dǎo)致的人、材、機(jī)等的浪費(fèi)，保證工程高效率、高質(zhì)量完成.

先用微軟Project軟件編制進(jìn)度計(jì)劃，再將進(jìn)度計(jì)劃導(dǎo)入Navisworks中，使3D模型與時(shí)間進(jìn)行關(guān)聯(lián)，結(jié)合動(dòng)畫模擬施工見圖7.施工模擬順序：攪拌樁─工程樁─地下連續(xù)墻─冠梁及第1道支撐─第1道腰梁及第2道支撐─第2道腰梁及第3道支撐.在開挖第2道支撐的時(shí)候，由于鋼筋綁扎工人員不足，無法滿足甲方確定的節(jié)點(diǎn)工期目標(biāo)，施工單位與BIM技術(shù)人員溝通與討論，擬定了一個(gè)新的施工方案，將綁扎順序由原有的先綁扎對稱梁改為先綁扎角撐梁的鋼筋，并用BIM技術(shù)進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，以滿足施工進(jìn)度的要求，并從Navisworks軟件中導(dǎo)出施工模擬動(dòng)畫，進(jìn)行現(xiàn)場播放.

圖7 基坑工程施工模擬Fig.7 Construction simulation of foundation engineering

6 結(jié) 語

通過對該基坑工程應(yīng)用BIM技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的基坑施工模式，實(shí)現(xiàn)了基坑工程施工過程的動(dòng)態(tài)管理，給業(yè)主和施工單位帶來了明顯的效益和優(yōu)勢.由于中國BIM技術(shù)起步晚，BIM技術(shù)作為一種嶄新的技術(shù)方式，熟練掌握BIM相關(guān)軟件及理論知識(shí)的人員還較少，沒有制定統(tǒng)一的BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，基于BIM平臺(tái)的基坑建模和計(jì)算軟件還不完善，硬件設(shè)施配置不夠等原因，所以BIM技術(shù)在深基坑工程中的應(yīng)用范圍較淺，更多的是體現(xiàn)在基坑工程設(shè)計(jì)和施工階段有優(yōu)越性，并沒有將其用于項(xiàng)目的全生命周期，實(shí)現(xiàn)全過程的信息管理.相信隨著計(jì)算機(jī)信息數(shù)字化的快速發(fā)展，BIM技術(shù)的應(yīng)用一定會(huì)普及到工程的全生命周期，這也是BIM技術(shù)未來在基坑工程中的發(fā)展方向.

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Application of BIM in deep foundation pit construction

TAN Pei，CHEN Li-chao，ZHOU Long-xiang
（School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

Based on a deep foundation pit，this paper introduced the application of BIM in the foundation pit project，mainly including building 3D model，viewing real-time data of pit monitoring，complex joints reinforcement，construction sequence simulation.It showed that using the BIM technology can solve difficult problems and ensure the construction quality and schedule effectively.

deep foundation；monitoring；joints；4D simulation

TU 17

A

1671-4229（2016）01-0064-05

【責(zé)任編輯：孫向榮】

2015-09-28；

2015-12-14

譚 佩（1990-），女，碩士研究生.E-mail：879008378＠qq.com