基坑順逆結(jié)合施工方案研究及BIM技術(shù)應(yīng)用

李金龍，于麗娜，吳 邁

（河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401）

基坑順逆結(jié)合施工方案研究及BIM技術(shù)應(yīng)用

李金龍，于麗娜，吳 邁

（河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401）

以天津市東麗區(qū)詹莊等七村村民還遷安置經(jīng)濟(jì)適用房項目的住宅人防工程基坑為研究對象，進(jìn)行了超大面積基坑支護(hù)選型分析、順逆結(jié)合施工方案研究等工作，并嘗試將BIM技術(shù)應(yīng)用于基坑施工方案比選優(yōu)化、可視化技術(shù)交底、工程算量、施工模擬，實踐證明，取得了良好效果，為達(dá)到工程質(zhì)量和工期要求提供了保障．

基坑工程；順逆結(jié)合施工；BIM技術(shù)

順作法與逆作法作為基坑支護(hù)總體方案的兩類基本形式，具有各自的優(yōu)缺點和適用范圍，對于一些較為復(fù)雜的基坑工程，亦可采取順逆結(jié)合的方式以揚(yáng)長避短，達(dá)到最佳效果[1]．目前工程實踐中常見的順逆結(jié)合方式為主樓順作、裙房逆作．上海明天廣場、長峰商城、由由國際廣場、鐵路上海站北廣場、上海中心大廈等項目均采用主樓順作、裙房逆作的方式施工，此處不一一贅述．相比之下，采用大面積順作、邊緣局部逆作以加強(qiáng)支護(hù)作用的順逆結(jié)合施工方式，國內(nèi)鮮有案例介紹．

本次研究即以天津市詹莊等七村村民還遷安置經(jīng)濟(jì)適用房項目住宅人防工程基坑為例，進(jìn)行基坑支護(hù)選型分析和大面積順作、邊緣局部逆作、順逆結(jié)合施工方案研究．同時，引入BIM技術(shù)進(jìn)行方案展示、工程算量、施工模擬等工作，挖掘BIM技術(shù)在基坑施工中的應(yīng)用價值．

1 工程概況

本工程為天津市詹莊等七村村民還遷安置經(jīng)濟(jì)適用房項目住宅人防工程，位于東麗區(qū)詹莊東至雪蓮南路，南至利福路，西至現(xiàn)有住宅小區(qū)，北至婁山道．基坑平面大致呈四邊形分布，西北側(cè)較西南側(cè)凸出一塊，凸出部分呈較規(guī)則矩形，邊長約為40 m（南北側(cè)）×110 m（東西側(cè)），西北切角兩直角邊約為30 m×20 m．基坑整體面積約為65 000 m2，自然地面標(biāo)高3.2 m（大沽高程），設(shè)計標(biāo)高±0相當(dāng)于大沽高程3.850 m，建筑設(shè)計標(biāo)高場地平整后相對標(biāo)高為-0.300 m，基坑開挖深度為7.850 m．

土質(zhì)條件根據(jù)地勘報告整理如表1所示．

表1 土層參數(shù)Tab.1 The soil parameters

基坑整體范圍內(nèi)圍護(hù)樁及立柱樁已先行施工，樁身打入④層粉質(zhì)粘土層，基坑內(nèi)土方開挖至②3粉質(zhì)粘土層．降水工作自開工前2個月開始，已降至安全水位下，并實時監(jiān)測中．

基坑四周采用φ700@1000三軸水泥攪拌樁作截水帷幕，樁長14 m；西側(cè)及南側(cè)采用φ800@1200鉆孔灌注樁作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長14.6 m．基坑內(nèi)工程樁及支承樁均為鉆孔灌注樁，參數(shù)同上．

2 基坑支護(hù)選型分析

基坑西側(cè)緊鄰3棟住宅樓，基坑邊緣距離最近的建筑物不足10 m，因此該側(cè)對變形要求控制嚴(yán)格，且無法布置貫通的施工道路及材料堆放區(qū)；南側(cè)為學(xué)校、菜市場和垃圾中轉(zhuǎn)站，距離槽邊距離約為15.5 m，按照場地布置方案加設(shè)臨時施工道路后，場地也較緊張．基坑支護(hù)是保障結(jié)構(gòu)安全的重要一環(huán)，支護(hù)方案選擇一方面要考慮結(jié)構(gòu)整體安全及周邊環(huán)境影響，另一方面也要綜合項目工期及工程造價等諸多投入要素．經(jīng)多方面權(quán)衡，決定采取如下支護(hù)方式．

基坑西側(cè)采取鉆孔灌注樁結(jié)合支撐結(jié)構(gòu)支護(hù)，南側(cè)采取鉆孔灌注樁支護(hù)，其余范圍內(nèi)充分利用場地便利，采用放坡開挖．西側(cè)圍護(hù)樁結(jié)合角撐及逆作支撐的方案能緩解該區(qū)域場地緊張、對變形控制嚴(yán)格的問題；放坡開挖充分利用了場地優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)快速．該種方法適用于面積較大、地下室不超兩層、挖深不超10 m的深基坑工程，并充分考慮了工程所處具體環(huán)境[2]．

支護(hù)結(jié)構(gòu)布局如圖1所示．沿基坑西側(cè)邊緣施作鉆孔灌注樁，兩端分別向東側(cè)延伸40 m加強(qiáng)支護(hù)能力，樁體圍護(hù)區(qū)內(nèi)基坑的3個陽角加角撐，緊鄰居民樓的受力薄弱區(qū)采取逆作支護(hù)，將對居民樓產(chǎn)生的變形和沉降影響降至最低．中部角撐最外側(cè)增設(shè)一排支撐，并向南延伸與逆作次梁對接以提升支撐能力和整體性；基坑陰角處為受力薄弱區(qū)，加施短邊長1 000 mm厚300 mm的近似等邊直角三角形加勁板，并在加勁板短邊排樁沿線施作高2 000 mm厚300 mm剪力墻作擋土結(jié)構(gòu)．

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)布局Fig.1 Layout of foundation pit protecting structures

圖2 梁柱節(jié)點Fig.2 Beam-column joints

3 基坑順逆結(jié)合施工方案

本工程基坑采取邊緣局部逆作、其余大面積順作的施工方案[3]，先行施工逆作區(qū)支撐結(jié)構(gòu)．帽梁區(qū)域先行挖土至支撐梁下皮標(biāo)高（相對標(biāo)高為-3.000 m），進(jìn)行帽梁施工，并在端點及相關(guān)節(jié)點處預(yù)留鋼筋．帽梁施工完畢后，回填外側(cè)土體，保證外側(cè)1∶1放坡，然后采用C20細(xì)石混凝土加鋼筋網(wǎng)片護(hù)坡加固．

逆作區(qū)零層梁板采用鋼管排架支撐模板施工，先挖去一層土體，然后按照常規(guī)方法搭設(shè)梁板模板、澆筑混凝土，同時豎向結(jié)構(gòu)向下延伸一定高度．為了減少樓板支撐沉降引起的結(jié)構(gòu)變形，對支撐下土層進(jìn)行臨時加固．具體做法是待帽梁強(qiáng)度形成后，逆施區(qū)挖土至-4.000 m（相對標(biāo)高），將地基土摻白灰拌合并夯實碾壓，澆筑約100 mm厚混凝土墊層，為逆作梁板的施工提供穩(wěn)定的作業(yè)平臺，防止地基變形沉降對水平結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響．然后在墊層上鋪設(shè)腳手板、加設(shè)墊片，采用落地式鋼管腳手架作為支撐架體，對逆施區(qū)地庫車庫頂板結(jié)構(gòu)支模．地庫頂板結(jié)構(gòu)柱澆筑至梁下500高，按照規(guī)范甩出柱主筋，如圖2所示．

逆作梁板澆筑完成后，保留逆施區(qū)以下的土體，四周按照1∶1放坡，開挖逆作區(qū)域以外的土體．逆施區(qū)域以外其它土體挖完以后，在逆施區(qū)域與非逆施區(qū)域相交的底板設(shè)置后澆帶．其它區(qū)域按照正常施工工序至地庫頂板并與逆施區(qū)相連接．在逆施區(qū)域東側(cè)兩道相鄰的后澆帶加設(shè)40a工字鋼作為傳力桿件，后澆帶、傳力桿件布置如圖3所示．

圖3 后澆帶布置Fig.3 Post cast strip layout

待基坑全范圍內(nèi)地下室頂板施作完畢，并且強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后，拆除逆施區(qū)域混凝土支撐并清理干凈，驗收該區(qū)域的底板混凝土表觀．然后開始掏挖逆施區(qū)域土體．逆作區(qū)土體全部挖完以后，進(jìn)行逆施區(qū)底板及地庫柱、剪力墻的施工．將預(yù)留鋼筋與結(jié)構(gòu)柱、墻主筋進(jìn)行連接，采用從頂部側(cè)面入倉的方式澆筑混凝土，并在結(jié)合面處模板上預(yù)留若干注漿孔，以便用壓力灌漿消除縫隙，保證構(gòu)件連接處的密實性．漏斗部分多澆的混凝土待完全硬化后用剁斧鑿平，如圖4所示．

4BIM技術(shù)應(yīng)用

BIM，即建筑信息模型，美國國家標(biāo)準(zhǔn)（NBIMS）的定義為：BIM是建設(shè)項目的兼具物理特性與功能特性的數(shù)字化模型，且是從建設(shè)項目的最初概念設(shè)計開始的整個生命周期里做出任何決策的可靠共享信息資源[4]．

圖4 墻下混凝土澆筑模板Fig.4 Concrete casting formwork under wall

通俗的講，BIM是一種綜合的技術(shù)管理應(yīng)用手段，以三維可視化模型為信息的載體，并跟隨工程進(jìn)展實時動態(tài)地更新，通過多種軟件的對接轉(zhuǎn)換應(yīng)用于建筑全生命周期中，為工程建設(shè)各參與方提供一個溝通協(xié)調(diào)平臺[5]．

4.1 BIM模型可視化應(yīng)用

BIM模型的可視化、可模擬、可優(yōu)化等諸多特性，為完成本次研究中基坑施工方案比選優(yōu)化及相關(guān)復(fù)雜工藝的展示提供了幫助[6]．BIM核心建模軟件選擇時，考慮到Revit軟件應(yīng)用廣泛，通用性強(qiáng)，支持算量，支持CAD文件導(dǎo)入，并具有良好的出圖性，故BIM建模采用Revit軟件；再選用配套的navisworks軟件進(jìn)行施工漫游、模擬等綜合管理應(yīng)用．

本次研究分別建立了不同細(xì)度的基坑及土方模型，支護(hù)模型，施工場地模型，圖1～圖4均從相關(guān)的模型視圖中截?。贐IM模型進(jìn)行了基坑支護(hù)方案對比及優(yōu)化，并對順逆結(jié)合施工關(guān)鍵技術(shù)結(jié)合BIM模型作可視化展示，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了基坑支護(hù)方案布置、逆作梁柱節(jié)點鋼筋穿越及柱下預(yù)留鋼筋的甩出問題、后澆帶布置及墻下混凝土側(cè)面入倉的澆筑方式．

相較于傳統(tǒng)的CAD圖紙，BIM模型表達(dá)更加直觀精確，并可附加相關(guān)施工信息，對施工方案展示更加具體，在項目部進(jìn)行方案討論中取得了良好效果．

4.2 工程量統(tǒng)計

本工程基坑體量較大，開挖土方量約40萬m2，按照初步設(shè)定的土方開挖方案對土方進(jìn)行分層分塊后，基于Revit“明細(xì)表”功能對土方體積進(jìn)行統(tǒng)計，對工程量不合理的部分再做相應(yīng)調(diào)整．分塊土方量統(tǒng)計明細(xì)如圖5所示．伴隨BIM建模的精細(xì)化，基于BIM模型可實現(xiàn)更加準(zhǔn)確、快速的工程量統(tǒng)計，從而可進(jìn)一步把控場地內(nèi)的資源配置．

4.3 基坑開挖支護(hù)施工模擬

選擇Microsoft Project編制施工進(jìn)度計劃，選擇合適的施工參數(shù)選項，在確定好起止日期后能夠自動生成橫道圖．且進(jìn)度計劃編制完成后，有自帶檢查功能，對于時間銜接空白和安排不合理的地方，系統(tǒng)會自動給出提示以便進(jìn)一步完善．本次基坑開挖支護(hù)計劃如圖6所示．

圖5 土方量明細(xì)Fig.5 Earthwork detail Tab

圖6 Project進(jìn)度計劃Fig.6 Project scheduled plan

將Revit模型導(dǎo)出為.nwc格式，并在Navisworks中定義合理的選擇集與施工計劃關(guān)聯(lián)．設(shè)置每項工序的任務(wù)類型，以明確其在施工模擬中的表現(xiàn)．施工任務(wù)中，各標(biāo)段間及標(biāo)段內(nèi)部任務(wù)邏輯關(guān)系較為復(fù)雜，Timeliner中支持將任務(wù)進(jìn)行升級或降級，實現(xiàn)邏輯嵌套[7]．土方開挖施工模擬如圖7所示．

本工程中由于施工作業(yè)面超大，土方開挖工作量大，通過土方開挖施工模擬，明確了每一時間點基坑整個作業(yè)面土方施工作業(yè)狀態(tài)，避免了對施工狀態(tài)抽象化估計的偏差，實現(xiàn)對施工過程更加全面準(zhǔn)確的預(yù)判．由于提前對開挖方案做了最詳細(xì)的模擬和優(yōu)化，保證了開挖工作有條不紊，很好地控制了進(jìn)度．

圖7 土方開挖施工模擬Fig.7 Earthwork excavation simulation

5 結(jié)語

本工程基坑采用大面積順作、邊緣局部逆作的施工方式，目前國內(nèi)鮮有案例介紹．采用這種逆作方式主要解決了局部施工作業(yè)場地緊張、對周邊環(huán)境影響控制要求高的難題．對變形要求嚴(yán)格及受力薄弱區(qū)域加強(qiáng)了支護(hù)，條件允許區(qū)域放坡開挖，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建筑監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋表明相關(guān)變形值和沉降值均在可控范圍內(nèi)，證明該支護(hù)方案安全可行，保證安全的同時更加經(jīng)濟(jì)適用．

采用BIM技術(shù)進(jìn)行施工方案比選優(yōu)化及可視化技術(shù)交底，并嘗試工程算量和進(jìn)度模擬，均取得了良好效果，說明BIM技術(shù)在基坑工程中具有很好的適用性，值得進(jìn)一步挖掘其潛在價值，實現(xiàn)建設(shè)項目全生命周期管理，為項目增值．

[1] 王允恭.逆作法設(shè)計與施工實例[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011

[2] 翟文信.上海中心大廈裙房基坑逆作法支護(hù)體系實測分析[J].施工技術(shù)，2012，41（373）：31-34

[3] 鄭信榮.大型深基坑順、逆作結(jié)合施工技術(shù)[J].建筑施工，2011，33（4）：256-258

[4] Eastman C.BIM handbook：a Guide to building information modeling for owners，managers，designers，engineers and contractors[M].Hoboken：Wiley，2011.

[5] 邢民，王述紅，侯文帥，等.基于BIM技術(shù)地鐵車站模型建立與應(yīng)用及明挖法施工方案優(yōu)化 [J].土木建筑工程信息技術(shù)，2016，8（3）：39-43.

[6] 趙雪峰.BIM技術(shù)在中國尊基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2015，44（6）：49-53.

[7] 王君峰.Autodesk Navisworks實戰(zhàn)應(yīng)用思維課堂[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

Research on top-down and down-top construction method and BIM technical application of foundation pit engineering

LI Jinlong,YU Lina,WU Mai

（School of Civil Engineering and Transportatation,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China）

With the foundation pit of air-raid shelters of affordable housing project for villagers in Zhanzhuang and other six villages in Dongli District of Tianjin city as research object,type selection of retaining and protecting structures of large-scale foundation pit were analyzed.Top-down and down-top construction method and technological process research has also been performed.The paper tried a couple of things to apply BIM information model to technical disclosure and scheme optimization of foundation pit construction.The practice has proved that with the help of BIM technology，it not only brings convenient construction management but also ensures the quality of the project and the requirements of the construction period.

foundation pit engineering;top-down and down-top construction;BIM technology

TU753.1

A

1007-2373（2017） 05-0080-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.05.014

2017-01-14

河北省建設(shè)科技研究計劃（2015-23）

李金龍（1988-），男，碩士研究生，1054927533@qq.com．通訊作者：吳邁（1972-），男，副教授，博士，wumaitj@126.com

[責(zé)任編輯 楊 屹]