基于BIM技術(shù)的深基坑工程施工模擬研究

虞偉良

(浙江省一建建設(shè)集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 310013)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)高層建筑大興熱潮,城市的地下空間得到深層次的開發(fā)與利用,建筑工程中開挖深度超過20 m的深基坑工程逐漸增多。此類深層基坑多構(gòu)建在人口密集的區(qū)域,難度大,施工環(huán)境復(fù)雜。在這樣的情況下,如何科學(xué)設(shè)計(jì)深基坑支護(hù),減少周圍環(huán)境對(duì)深基坑工程質(zhì)量的制約與影響,提升深基坑的施工質(zhì)量成為廣大建筑工程師的共識(shí)。作為一項(xiàng)系統(tǒng)而異常宏大的建筑工程,深基坑施工涉及面廣,施工環(huán)境復(fù)雜,受到來自地下結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件以及施工場(chǎng)地等多方面影響。需要建筑師們進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃、合理施工以及科學(xué)監(jiān)測(cè),BIM技術(shù)為此提供了良好的條件。作為應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)建造管理的專業(yè)化與數(shù)據(jù)化的工具,BIM技術(shù)通過建模與數(shù)據(jù)整合,在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段、項(xiàng)目建設(shè)以及管理階段等都可運(yùn)用,尤其在項(xiàng)目初期的設(shè)計(jì)上,利用BIM技術(shù)指導(dǎo)施工深化、控制施工的進(jìn)度以及工程量,大幅度提升建筑工程集成化的程度,能提高整個(gè)建筑工程中的效率與質(zhì)量。

1 BIM技術(shù)在深基坑施工中的優(yōu)勢(shì)

BIM,英文全稱為Building Information Modeling,建筑信息模型的意思。具體是指以三維數(shù)字技術(shù)為底,利用數(shù)字模型,創(chuàng)建項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)劃,構(gòu)造并運(yùn)營(yíng)整個(gè)項(xiàng)目管理的全過程。利用計(jì)算機(jī)三維軟件工具,構(gòu)建包括建筑工程在內(nèi)的完整數(shù)字模型,并在模型中包含詳細(xì)的工程信息,同時(shí)將這些模型和信息貫穿于建筑工程的設(shè)計(jì)、施工管理及運(yùn)營(yíng)管理等建筑全生命周期中[1]。BIM技術(shù)在深基坑施工中的優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

1.1 加強(qiáng)工作的關(guān)聯(lián)性

當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于BIM技術(shù)的引進(jìn),主要集中在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域,而地下工程中BIM技術(shù)的運(yùn)用基本集中在地鐵的設(shè)計(jì)與構(gòu)建過程中。主要功能為協(xié)同各部門開展施工過程模擬以及管線碰撞檢查,BIM尚有許多未開發(fā)的優(yōu)勢(shì)等待探索與發(fā)現(xiàn)。那么如何結(jié)合自身的優(yōu)勢(shì)以及國(guó)內(nèi)外的運(yùn)用現(xiàn)狀, 將這項(xiàng)科學(xué)技術(shù)深入運(yùn)用于深基坑工程的前期勘察、工程方案的設(shè)計(jì)以及施工管理等方面,充分發(fā)揮其三維可視化、協(xié)同工作、深化設(shè)計(jì)及資源共享等方面的優(yōu)點(diǎn),對(duì)工程建設(shè)具有重大意義[2]。

1.2 提升工作的協(xié)同性

除此之外,BIM技術(shù)還有很強(qiáng)的工作協(xié)同性。利用BIM技術(shù),為建筑工程中各方的參與搭建可供同步的新型工作平臺(tái),使得各個(gè)平臺(tái)之間方便合作。及時(shí)溝通業(yè)主、設(shè)計(jì)方以及施工方等多方面的信息,隨時(shí)觀察建筑構(gòu)建過程中的各個(gè)環(huán)節(jié),提高深基坑建筑工程的質(zhì)量,提升工作效率。通過新型的BIM技術(shù)建立三維模型,進(jìn)行管線與結(jié)構(gòu)、其他系統(tǒng)方面的碰撞與檢查,保證并滿足各系統(tǒng)的碰撞檢查,在滿足各專業(yè)不同布設(shè)原則的基礎(chǔ)上自動(dòng)檢查出各系統(tǒng)之間存在的沖突或影響,提升整個(gè)工程建設(shè)團(tuán)隊(duì)的工作效率,便于各個(gè)部門之間協(xié)同合作。

1.3 便于信息集成

BIM技術(shù)在深基坑工程中應(yīng)用還便于信息的集成。BIM技術(shù)的關(guān)鍵是利用數(shù)字信息建立有別于傳統(tǒng)的三維數(shù)字模型信息庫(kù),便于建筑工程師在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的過程中隨時(shí)抓取信息。這樣的設(shè)計(jì)方式與之前的二維設(shè)計(jì)模式不同。此種模式中設(shè)計(jì)人員利用已經(jīng)建立的數(shù)據(jù)庫(kù),模擬建筑物的真實(shí)信息。這些真實(shí)信息包括：建筑內(nèi)構(gòu)件的空間關(guān)系、幾何形狀以及諸如管線設(shè)備、梁板柱等多方面的功能特性與建筑信息。此外，對(duì)于傳統(tǒng)二維圖紙的不能深化設(shè)計(jì)復(fù)雜建筑節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn),也能非常合理、科學(xué)地予以解決。

2 工程案例

工程位于杭州市D09號(hào)地塊金融中心項(xiàng)目,地下室分為3層、4層、5層,基坑挖深分三個(gè)標(biāo)高,D09-1地塊基坑底板開挖深度為-17.50 m,電梯井為-20.85 m、-22.65 m；D09-2地塊底板開挖深度為-23.80 m,電梯井為-28.55 m；D09-3地塊底板開挖深度為-24.40 m,電梯井為-27.90 m。整個(gè)區(qū)塊基坑面積約為23 000 m2,同時(shí)基坑土質(zhì)涉及到粉土等各土層,屬典型的大、深、難基坑,嚴(yán)格按照“時(shí)空效應(yīng)”理論分層、分段、分塊開挖土方,遵循“分層開挖,先撐后挖”及“大基坑,小開挖”的原則。

3 工程地質(zhì)

項(xiàng)目周邊為道路,擬建場(chǎng)區(qū)地勢(shì)較平坦,整個(gè)場(chǎng)地的地面高程在6.15～7.11 m。根據(jù)鉆探揭露及原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,依據(jù)工程特性及成因條件,將場(chǎng)區(qū)地基土劃分為8個(gè)工程地質(zhì)層,22個(gè)亞(夾)層,各層的厚度、分布規(guī)律,各地基巖土層的分層描述及分布特征如下：

①雜填土：黃灰色,濕,松散,含較多塊石、磚塊及混凝土塊等建筑垃圾,塊徑一般10～70 mm,最大超過300 mm。充填粉性土為主。層面高程為6.05～7.11 m,最大揭示層厚為3.80 m。全場(chǎng)分布。

②砂質(zhì)粉土：灰黃色,濕,稍密,含少量氧化鐵及云母屑。搖震反應(yīng)迅速,切面粗糙,無光澤反應(yīng),干強(qiáng)度低,韌性低。層面高程為2.29～4.00 m,層厚為0.70～2.60 m。大部分布。

③淤泥質(zhì)黏土：灰色,飽和,流塑,含有機(jī)質(zhì),少量腐植物及云母屑,具靈敏度,夾少量粉土薄層。無搖震反應(yīng),切面較光滑,光澤反應(yīng)強(qiáng),干強(qiáng)度中等,韌性中等。層面高程為-16.22～-11.69 m,層厚為0.60～6.30 m。全場(chǎng)分布。

④粉質(zhì)黏土：灰黃夾灰綠色,飽和,軟可塑—硬可塑,偶夾薄層粉土。無搖振反應(yīng),切面較光滑,干強(qiáng)度高,韌性中等。層面高程為-18.89～-14.20 m,層厚為3.70～12.8 m。全場(chǎng)分布。

⑤粉質(zhì)黏土：灰色,飽和,軟塑—軟可塑,含有機(jī)質(zhì),局部夾少量粉砂(小于10%)。無搖振反應(yīng),切面較光滑,干強(qiáng)度高,韌性中等。層面高程為-29.48～-22.54 m,層厚為0.60～6.10 m。局部分布。

⑥粉砂：灰黃色,很濕,中密,含云母、腐植物及貝殼屑,偶有分布。層面高程為-30.84～-26.17 m,層厚為0.80～5.10 m。大部分布。

⑦含砂粉質(zhì)黏土：綠灰色,灰黃色,飽和,可塑,夾少量粉砂。無搖振反應(yīng),切面略光滑,干強(qiáng)度中等—高,韌性中等。層面高程為-41.73～-38.82 m,層厚為0.40～2.80 m。偶有分布。

⑧強(qiáng)風(fēng)化含鈣含泥巖屑砂巖：褐紅色,母巖成分與結(jié)構(gòu)已大部破壞,巖芯呈碎塊狀。錘擊聲悶,合金鉆頭鉆進(jìn)平穩(wěn),進(jìn)尺每米約10～20 min左右。層面高程為-54.09～-56.49 m,層厚為0.90～5.40 m。全場(chǎng)分布。

4 BIM技術(shù)在深基坑工程施工中的模擬

4.1 BIM技術(shù)在深基坑施工中的模型建立

相較于其他建模軟件或其他種類的施工模擬軟件,因?yàn)镹avisworks、Revit軟件與當(dāng)前施工中的主流軟件CAD等之間的信息交互性能較好,適用于在深基坑工程施工模擬中進(jìn)行運(yùn)用與推廣。該工程模擬立足于此,運(yùn)用Autodesk公司的BIM技術(shù)進(jìn)行建模。換言之,運(yùn)用核心建模軟件Revit軟件進(jìn)行該深基坑模擬建模,用Navisworks軟件進(jìn)行三維施工建模。該工程案例的模擬是以CAD圖紙為基礎(chǔ)圖,用Revit軟件進(jìn)行二次建模,其建立的模型見圖1。

圖1 深基坑項(xiàng)目整體BIM模型

該項(xiàng)目的錨桿運(yùn)用的是內(nèi)建族的方法,運(yùn)用“基于面的公制常規(guī)模型”的族樣板制作錨桿模型,腰梁與冠梁也采用內(nèi)建模型的方法,混凝土面層運(yùn)用Revit自帶的墻單元進(jìn)行圍堵建模。BIM技術(shù)給與的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)建模見圖2。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的BIM技術(shù)建模

在BIM技術(shù)建模的過程中,為了方便后續(xù)的施工模擬。在劃分施工區(qū)段之后,還要對(duì)每個(gè)區(qū)段進(jìn)行獨(dú)立建模,該項(xiàng)目分為4個(gè)施工區(qū)段,因此要建立4個(gè)獨(dú)立的模型。模型中的土層要嚴(yán)格按照對(duì)應(yīng)的施工區(qū)段進(jìn)行建模,對(duì)于各層各個(gè)部分的土體建模要運(yùn)用參照面截取拉伸的方式進(jìn)行內(nèi)建模型建造,各層的各個(gè)部分之間要分離接觸面,這樣就方便后續(xù)編輯上的處理。該項(xiàng)目的深基坑模型各個(gè)部分之間的支護(hù)以及土體模型見圖3，各部分進(jìn)行了合理劃分。

圖3 BIM技術(shù)下的基坑建模區(qū)域劃分

圖4 錨桿容易碰撞位置

根據(jù)上述的步驟,模型建立完畢之后,碰撞檢查緊隨其后。在碰撞檢查中,要仔細(xì)尋找設(shè)計(jì)與施工過程中的構(gòu)件相互碰撞的位置,分析碰撞點(diǎn),排除不合理的因素,預(yù)先解決施工前存在的問題,有效規(guī)避后續(xù)的施工變更。由于該基坑案例較為復(fù)雜,極易在側(cè)壁轉(zhuǎn)折處發(fā)生錨桿碰撞沖突,因此，為了規(guī)避此類風(fēng)險(xiǎn),需要檢測(cè)有無此類的碰撞,尤其在支護(hù)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行檢查?？梢赃\(yùn)用三維直觀圖逐步逐項(xiàng)地檢查、分析與解讀碰撞點(diǎn),見圖4。碰撞檢查結(jié)果多為錨桿桿體與冠梁、腰梁的碰撞,這是由于錨桿陣列布設(shè)時(shí),未進(jìn)行逐個(gè)結(jié)構(gòu)連接,不影響正常施工,屬于合理碰撞,未發(fā)現(xiàn)錨桿間的非合理碰撞。在碰撞檢查的過程中,一旦碰撞條件設(shè)定項(xiàng)目不詳細(xì),就無法排除構(gòu)件本應(yīng)相接或與鄰近構(gòu)件落差等合理碰撞,BIM技術(shù)下的軟件還需要對(duì)此類功能進(jìn)行研究,予以解決。

4.2 深基坑工程施工模擬

該深基坑工程的施工模擬順序?yàn)槠秸麍?chǎng)地、定位放線、施工鋼管樁、開挖土方、錨索、錨桿及混凝土噴射面按照開挖層配合穿插施工,上層土體開挖后進(jìn)行下層支護(hù)結(jié)構(gòu)施工和石方爆破。依據(jù)初定的施工方式,編制施工計(jì)劃,利用數(shù)據(jù)源將施工計(jì)劃導(dǎo)入到時(shí)間線工具之中,在Navisworks軟件中添加巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)景動(dòng)畫整理并附著選擇集合及動(dòng)畫,調(diào)試模擬,導(dǎo)出模擬文件[5]。為了優(yōu)化深基坑施工中土體開挖的工程順序,減少工期,避免窩工情況的發(fā)生，故需要嚴(yán)格把握土方開挖的施工連續(xù)性,以保證連續(xù)施工。在結(jié)合混凝土必要的科學(xué)養(yǎng)護(hù)時(shí)間下,分區(qū)、分層并且分步交叉進(jìn)行流水作業(yè),調(diào)整工程進(jìn)度,進(jìn)行三維施工模擬。在調(diào)整施工方案的過程中,穿插施工或者合理地進(jìn)行工序搭接。一層的第三施工區(qū)段進(jìn)行土體開挖的時(shí)候,同時(shí)間段的第一施工區(qū)段域第二施工段的腰梁與錨桿給與施工,形成有效的工序搭接[6]。見圖5。

圖5 深基坑工程開挖支護(hù)模擬動(dòng)畫

值得注意的是,該模擬深基坑項(xiàng)目瀕臨江河，容易受到來自場(chǎng)地方面的限制，在開挖土方的過程中,如果將出土的坡道設(shè)置成常規(guī)的直行坡道,在最大坡度的范圍內(nèi)很難避免深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)下降,因此將其設(shè)計(jì)成曲線形狀。如此一來,既可以滿足最小的坡度要求,還能避免因?yàn)榛又ёo(hù)結(jié)構(gòu)上帶來的問題,這也是BIM技術(shù)下Revit軟件建模的直觀優(yōu)勢(shì)所在。

5 結(jié) 語

總而言之,在深基坑工程施工方面運(yùn)用BIM技術(shù),模擬基坑施工過程,建立三維模型,模擬深基坑的開挖動(dòng)畫,便于研究與發(fā)現(xiàn)施工可能遇到的問題,及時(shí)給與解決,從而提高施工效率與深基坑施工質(zhì)量。本文根據(jù)實(shí)際施工案例,利用Revit軟件進(jìn)行BIM技術(shù)在深基坑施工中模擬試驗(yàn),建立了相關(guān)的數(shù)據(jù)模型,分析在施工中可能遇到的問題,以期在實(shí)際操作中規(guī)避施工問題,提高工程質(zhì)量。

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