BIM技術(shù)在土釘墻支護工程中的應(yīng)用

都 智 剛

(山西建設(shè)投資集團有限公司，山西 太原 030002)

1 概述

BIM即建筑信息模型(Building Information Modeling)是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它具有可視化，協(xié)調(diào)性，模擬性，優(yōu)化性和可出圖性五大特點。

隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，城市用地空間的日趨緊張，向地下要空間已是大勢所趨，大規(guī)模超深基坑比比皆是。目前的基坑支護方法主要有排樁、地下連續(xù)墻、土釘墻、錨索、水泥土擋墻、內(nèi)支撐等。其中土釘墻支護體系以其造價低、工期短、施工便捷等優(yōu)勢，在基坑工程領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。尤其是在華北地區(qū)，土質(zhì)以粉土、黏土、粉質(zhì)黏土為主，自穩(wěn)性好，且地下水位埋深較深，土釘墻支護更是大行其道，成為市場最為認可的支護形式之一。

BIM技術(shù)是貫穿建設(shè)工程項目全生命周期的一項計算機輔助技術(shù)，一般是從基坑開挖、支護到地下結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)的建設(shè)，直至管道安裝、室內(nèi)裝潢等過程均全程體現(xiàn)。但目前見到的BIM應(yīng)用在基坑工程中主要是以內(nèi)支撐為主，間或也有排樁、地下連續(xù)墻等的應(yīng)用，而土釘墻支護體系的BIM應(yīng)用卻很少見到。本文就通過一個實際工程展示BIM技術(shù)在土釘墻支護中的建模、場布、碰撞檢查、施工模擬等具體的應(yīng)用。

2 工程概況

本工程位于山西省晉中市榆次區(qū)，地上14層，地下2層，筏板基礎(chǔ)，基坑深度7 m?；硬捎猛玲攭χёo方式，設(shè)置4排土釘。開挖范圍內(nèi)以粉土、粉質(zhì)黏土為主，無地下水。

基坑臨近有2層建筑，距開挖線3 m(距開挖上口線僅0.9 m)，埋深2 m。地下管溝距開挖線1.5 m，埋深-2.2 m～-3.2 m間，寬度0.8 m。

本工程場地情況比較復(fù)雜，需要支護的部位存在地下管道與現(xiàn)有房屋的基礎(chǔ)，對土釘?shù)脑O(shè)置高度和角度有較大的約束，采用BIM技術(shù)可以更好的進行工程設(shè)計和施工管理。

3 BIM技術(shù)的應(yīng)用

3.1 項目實施框架

本項目的開展，第一階段是采用廣聯(lián)達場布軟件進行場地三維布置，包括場地模型的建立、場地漫游以及車輛行走的碰撞檢測；第二階段是基坑模型的建立，這也是項目的重點和難點，包括族的建立、組裝模型以及Revit應(yīng)用等；第三階段是基于Revit和Navisworks的碰撞檢測；第四階段是采用Navisworks進行模型的漫游和審閱，以及施工動畫的制作；最后是BIM的施工模擬，包括施工進度模擬以及費用模擬等。

3.2 場地三維布置

利用廣聯(lián)達BIM施工現(xiàn)場布置軟件，創(chuàng)建三維場地布置模型(見圖1)，包括既有和擬建建筑物、機械、材料、倉庫、堆場、安全設(shè)施、圍擋等。

3D模型的現(xiàn)場布置可以讓施工人員更直觀、清晰的了解現(xiàn)場情況。三維漫游可以檢查施工場地中建筑物、機械、堆場、道路、車輛等有無發(fā)生明顯碰撞，這在二維圖紙中是比較難發(fā)現(xiàn)的。同時模擬車輛機械進出場功能可以保證現(xiàn)場施工道路的暢通，各種材料的放置情況也可以在施工前安排妥當(dāng)，最大限度的減少場內(nèi)二次搬運。

3.3 土釘墻支護專業(yè)族的建立

三維模型的建立是BIM技術(shù)的基本工作，但在實際應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)，Revit作為目前應(yīng)用最廣泛的BIM建模軟件之一，雖然已擁有強大的族庫，包括基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)、房屋模型、安裝管道等，但在支護方面卻相對欠缺，尤其是土釘墻支護體系，基本上是一無所有、從零開始。這就要求我們投入了大量時間和精力創(chuàng)建包括土層模型、開挖模型、土方模型、成孔模型、土釘鋼筋模型、鋼筋網(wǎng)模型、注漿與混凝土掃面模型等族。

1)創(chuàng)建土層模型：首先是根據(jù)勘探報告在立面圖定出土層標(biāo)高，創(chuàng)建平面視圖；在各視圖平面創(chuàng)建土層輪廓，使用創(chuàng)建實心形狀功能創(chuàng)建土層；為每層土賦予其材質(zhì)信息，包括圖紙說明和外觀信息(見圖2)。

2)創(chuàng)建開挖模型：根據(jù)土釘墻支護分層、分段開挖，逐層逐段隨開挖進度進行支護施工的特點，在立面圖定出開挖標(biāo)高，創(chuàng)建平面視圖，創(chuàng)建每一步開挖深度的開挖模型，如圖2所示。

3)創(chuàng)建土方模型：本工程分4步開挖，根據(jù)本工程實際工況，按開挖順序創(chuàng)建四層不同的土方模型，每一層都賦予其應(yīng)有的材質(zhì)，并可用體量體積得出土方開挖量。

4)創(chuàng)建成孔模型：采用洛陽鏟進行人工成孔的模型建立，首先在平面圖上根據(jù)CAD圖紙對土釘孔洞進行定位，標(biāo)出打孔位置。通過拾取參照平面畫出空洞的路徑和截面，利用創(chuàng)建空心形狀實現(xiàn)開孔，并進行尺寸標(biāo)注(見圖3)。

5)創(chuàng)建土釘鋼筋模型：利用常規(guī)模型，通過放樣功能完成土釘鋼筋建模。同樣賦予其材質(zhì)和信息，并對土釘鋼筋進行標(biāo)注。包括每隔2 m一個的土釘居中支架，都可以在三維模型中準(zhǔn)確生動地展示(見圖4)。

6)創(chuàng)建面層鋼筋：使用體量來創(chuàng)建土釘墻支護面層的鋼筋網(wǎng)、斜拉加強筋、土釘頭井字形鋼筋的族，并對不同種類鋼筋賦予不同的材質(zhì)。

7)創(chuàng)建面層模型：最后是土釘墻面層的模型，包括注漿模型和混凝土面層模型，同樣賦予材質(zhì)信息。

3.4 基坑建模

在土釘墻支護所需的各種族建立后，在Revit中新建概念體量文件，以族為基礎(chǔ)，進行基坑建模。創(chuàng)建標(biāo)高，并新建相應(yīng)樓層平面；在各平面圖中畫出軸網(wǎng)，構(gòu)建定位放置；將創(chuàng)建的族導(dǎo)入項目中，按照軸線的定位放置各類族。最終形成完整的基坑三維模型。

3.5 房建模型的創(chuàng)建

對基坑支護工程，該項工作主要是臨近建(構(gòu))筑物的準(zhǔn)確建立，對場部和后期碰撞檢測打好基礎(chǔ)。在基坑模型建好后，建立本工程基坑邊臨近建筑物的模型，這是一棟二層建筑，分為結(jié)構(gòu)建模和建筑建模，基坑建模、房建模型見圖5，圖6。

3.6 Revit應(yīng)用

模型的建立只是BIM工作的方法和途徑，開展相關(guān)的應(yīng)用才是我們的目的。針對Revit的應(yīng)用主要從3個方面開展，即構(gòu)成BIM的三要素：B建筑(Building)、I信息(Information)和M模型(Modeling)。

B：應(yīng)用Revit可以使用明細表功能導(dǎo)出模型中建筑構(gòu)件的信息，得到構(gòu)件的數(shù)量、材質(zhì)、施工說明、位置等具體數(shù)值，包括土方、鋼筋、注漿、面層等，實現(xiàn)信息化施工；

I：Revit中可以為每一個工程構(gòu)件加入相關(guān)的信息，依據(jù)Revit模型中的材質(zhì)信息在前期做施工預(yù)算，施工中解決問題；

M：最后是模型的查看。在Revit中，可以任意剖切和隱藏圖元，讓設(shè)計人員和施工人員從任意角度和視圖了解模型的情況。

3.7 碰撞檢測

碰撞檢測對于解決施工過程中可能出現(xiàn)的停工、返工、影響施工進度等狀況起到提前規(guī)避的積極作用。對土釘墻基坑支護工程而言，碰撞檢測主要一是自身土釘錨桿(比如陽角處)是否碰撞，二是支護結(jié)構(gòu)與臨近地下建(構(gòu))筑物、地下管線等設(shè)施的碰撞。尤其是后者，關(guān)系到支護結(jié)構(gòu)對周邊的影響，處理不好會造成嚴(yán)重的后果。

碰撞檢測包括自身模型的碰撞檢測和鏈接模型(即周邊建筑物地下結(jié)構(gòu))的碰撞檢測，應(yīng)用了Revit和Navisworks分別進行了檢測(見圖7，圖8)，發(fā)現(xiàn)土釘與建筑物地下結(jié)構(gòu)及臨近管線的碰撞后，修改調(diào)整了原支護設(shè)計方案，并進行了重新檢測，直至消除所有碰撞。

3.8 模型的漫游和審閱

利用Navisworks進行模型的虛擬漫游，可以更真實、生動的體現(xiàn)基坑竣工后的模樣。應(yīng)用漫游中的第三人，使用審閱功能可以對模型的完整性、正確性進行檢查。檢查項目包括鋼筋網(wǎng)的間距、土釘成孔的孔距、孔徑、土釘?shù)膬A角和孔深等土釘墻支護的各項受控項目(見圖9)。

3.9 施工模擬

施工模擬是BIM應(yīng)用的一項重要功能，主要有進度計劃模擬、施工費用模擬、鏈接施工信息等。

1)在項目進行具體施工建造之前，通過建立BIM模型，把施工計劃、數(shù)據(jù)、現(xiàn)場環(huán)境、方案等納入模型之中，運用Navisworks進行施工模擬，可提前發(fā)現(xiàn)問題，減少返工和整改；

2)在施工過程中可結(jié)合工程中的實際數(shù)據(jù)對工程實時進展與理論進展進行動態(tài)對比、考察；

3)3D模型可視化的特性利于參建各方對施工信息的直觀了解掌握，打通各方溝通壁壘；

4)為后期具體實施提供強大的數(shù)據(jù)支持，并為投標(biāo)增加幾率；

5)公司信息、現(xiàn)場圖片、工藝視頻等鏈接到模型中讓模型更有效的指導(dǎo)施工。

3.10 施工動畫的制作

利用Navisworks制作圖元動畫，進行后續(xù)的施工模擬和施工工藝視頻的展示，可以生動的展示施工過程，進行施工工藝的制作，更直觀的進行技術(shù)交底。

4 應(yīng)用心得總結(jié)

4.1 創(chuàng)新亮點

1)Revit中僅有建筑、結(jié)構(gòu)、水電暖的設(shè)計，項目只能采用體量構(gòu)建基坑模型，賦予體量土質(zhì)的材質(zhì)，實現(xiàn)土質(zhì)和基坑模型的建立；

2)針對基坑工程新建了系列族(如土釘、鋼筋網(wǎng)、拉結(jié)筋、注漿孔等)，為下一步的研究打下了良好的基礎(chǔ)；

3)本項目體現(xiàn)了BIM的協(xié)同作用。通過Revit和Navisworks兩個軟件的協(xié)同應(yīng)用，將Revit模型細化以實現(xiàn)Navisworks中的施工模擬；

4)實現(xiàn)技術(shù)交底形式的施工動畫制作，亦采用Revit建模、Navisworks制作，而非與實際工程無關(guān)的3DMAX，不但體現(xiàn)了BIM的協(xié)同性，而且動畫內(nèi)容與模型相結(jié)合，真實準(zhǔn)確反映了工程的實際情況。

4.2 缺點和目標(biāo)

限于時間、精力、技術(shù)等原因，目前僅對簡單土釘墻進行了BIM應(yīng)用，對周邊及地質(zhì)情況更復(fù)雜的工程與止水帷幕、預(yù)應(yīng)力錨桿、微型樁相結(jié)合的情況研究不足。所以我們下一步BIM工作的目標(biāo)就是針對復(fù)合土釘墻及同一基坑工程存在不同安全等級的部位采取多種支護形式相結(jié)合的情況展開進一步的研究，逐步建立更加完備的巖土專業(yè)族庫。將傳統(tǒng)的二維地質(zhì)勘察系統(tǒng)與三維軟件對接，形成空間三維模型，準(zhǔn)確表達地質(zhì)構(gòu)造。