BIM技術(shù)在山地城市基坑工程中的應(yīng)用

李軍心 楊 洵 高 洪 徐 剛 魏 來

(重慶南江工程勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，重慶 401121)

0 引言

隨著城市地下空間利用進(jìn)程的加快，深基坑工程越來越多，建設(shè)環(huán)境越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法在工程建設(shè)質(zhì)量和效率等方面都出現(xiàn)了應(yīng)用局限[1]。在建設(shè)行業(yè)大力推廣BIM技術(shù)的背景下[1-2]，基坑工程也有了一些BIM技術(shù)應(yīng)用實(shí)例：吳清平等[3]采用Revit軟件建立了上海SOHO天山廣場(chǎng)超大深基坑工程的三維幾何模型，并進(jìn)行了施工模擬；慕冬冬等[4]以武漢綠地中心緩沖區(qū)域的深基坑為例，建立了基坑支護(hù)三維模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)碰撞檢查和開挖方案模擬，進(jìn)行了復(fù)雜結(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)；劉 續(xù)等[5]以武漢亞洲醫(yī)院基坑工程為例，建立了地質(zhì)模型和族構(gòu)件制作，搭建完成整體模型；譚 佩等[6]在佛山某深基坑建立了3D模型，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)配筋、施工動(dòng)態(tài)模擬的應(yīng)用等。但是，現(xiàn)有的研究還沒有在山地環(huán)境基坑工程中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，也沒有將地質(zhì)條件與設(shè)計(jì)方案耦合應(yīng)用的成果。

一些研究中也提到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范BIM應(yīng)用的關(guān)鍵問題[5,7,8]。2018年，重慶市出臺(tái)了《重慶市建筑工程信息模型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、《工程勘察信息模型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等一系列地方標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于本地區(qū)發(fā)展巖土BIM技術(shù)有較大的促進(jìn)作用。在這樣的研究環(huán)境和背景下，進(jìn)行了山地城市基坑工程BIM建模全流程實(shí)踐，對(duì)在現(xiàn)有條件下是否需要應(yīng)用BIM以及怎樣應(yīng)用有一定的借鑒意義。

1 工程概況

場(chǎng)地內(nèi)擬建的主體建筑物為一幢地上33層、地下2層的單體塔樓。該場(chǎng)地位于城市核心區(qū)，周邊存在較多相鄰建筑，影響比較明顯的有北側(cè)已建的電塔、東側(cè)軍事管理區(qū)的管理用房和擋墻基礎(chǔ)及其他交錯(cuò)復(fù)雜的地下管線等。相鄰建筑物可對(duì)基礎(chǔ)施工造成潛在風(fēng)險(xiǎn)。如圖1所示。

根據(jù)測(cè)量和鉆探資料，擬建場(chǎng)地地勢(shì)整體平緩，東側(cè)有一段高約7～13 m的現(xiàn)狀環(huán)境邊坡，南北走向，坡度31～53°，坡頂為已建的軍事管理區(qū)管理用房。建筑范圍內(nèi)地層由上至下分別為人工填土、粉質(zhì)黏土(局部)、泥巖和砂巖。填土層厚度0.3～18.6 m，主要由粉質(zhì)黏土、泥砂巖碎石塊組成，呈松散—稍密狀，分布不均勻。巖層呈單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀292°∠53°，泥巖和砂巖呈軟硬互層狀，局部含有砂巖透鏡體構(gòu)造?；拥拈_挖將形成多段邊坡，基坑邊坡高度8.8～10.5 m。

圖1 建設(shè)場(chǎng)地及環(huán)境圖

分析已有資料，認(rèn)為BIM技術(shù)在本項(xiàng)基坑工程的應(yīng)用要點(diǎn)如下：

(1)場(chǎng)地基坑呈不規(guī)則多邊形，開挖形成順向巖質(zhì)邊坡、切向巖質(zhì)邊坡、土質(zhì)邊坡、巖土混合邊坡，巖土體分布復(fù)雜，邊坡支護(hù)措施多樣，連接段多，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖對(duì)此存在繪制深度不足的問題，采用BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)巖土體和支擋結(jié)構(gòu)的完整細(xì)節(jié)描述；

(2)場(chǎng)地存在相互影響的相鄰建筑，施工條件復(fù)雜，利用BIM碰撞檢查技術(shù)，可以在設(shè)計(jì)階段查明支護(hù)措施與已建建筑是否有位置沖突，避免擬建物對(duì)周邊建筑基礎(chǔ)安全產(chǎn)生影響；

(3)在巖土體分布不均勻的工程地質(zhì)條件下，建立場(chǎng)地基礎(chǔ)的勘察設(shè)計(jì)BIM模型，可以在方案變更時(shí)，有針對(duì)性地查看關(guān)注位置的工程地質(zhì)條件，實(shí)現(xiàn)快速修改設(shè)計(jì)方案和出圖；

(4)為了更直觀地展示施工內(nèi)容和工序，優(yōu)化施工方案，宜建立BIM三維可視化模型。

因此，依據(jù)項(xiàng)目本身的特點(diǎn)，建立三維可視化模型，提高工程管理效率和提供施工決策支持，是本次BIM應(yīng)用的目標(biāo)。根據(jù)上述分析，擬定基坑工程三維建模流程，如圖2所示。模型平臺(tái)基于歐特克公司的Civil 3D、Revit 2019和Navisworks 2019搭建。

圖2 基于BIM技術(shù)的基坑工程三維建模流程圖

2 三維地質(zhì)模型

基于Civil 3D構(gòu)建三維地質(zhì)模型，建模步驟如下：首先采集和處理地形數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建原始地形曲面；然后批量添加鉆孔，在鉆孔分層數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建各地層曲面；最后利用生成實(shí)體功能建立起場(chǎng)地三維地質(zhì)實(shí)體模型[9]，見圖3。

基坑開挖操作也在Civil 3D中完成，以地形曲面為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計(jì)放坡范圍和參數(shù)(1∶0.2—直立)進(jìn)行放坡，繼而生成基坑曲面，最后生成三維基坑邊坡模型。

運(yùn)用Civil 3D縱斷面或Navisworks剖分功能，可實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型任意剖切，生成二維地質(zhì)剖面圖，直觀查看場(chǎng)地任意位置和深度的地質(zhì)剖面，便于后續(xù)基坑支護(hù)方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施。

圖3 三維地質(zhì)實(shí)體模型圖

3 三維設(shè)計(jì)模型

3.1 設(shè)計(jì)方案

基于三維地質(zhì)模型，進(jìn)行基坑范圍巖土體總體分布情況和各個(gè)斷面的查看分析，為控制基坑變形，保證項(xiàng)目質(zhì)量，節(jié)省總工期和工程造價(jià)，采用分期開挖，分段支護(hù)。具體方案和步驟如下(見圖4)：

圖4 基坑工程設(shè)計(jì)方案示意圖

Ⅰ期在主體建筑范圍采用錨桿擋墻臨時(shí)支擋，然后按層面放坡開挖，完成后即Ⅱ期開始對(duì)主體建筑部分進(jìn)行基礎(chǔ)施工，與此同時(shí)在全基坑范圍按照邊坡類型進(jìn)行分段支擋工程施工，其中YZ段為錨拉抗滑樁支擋段，ZX段為樁板擋墻支擋段，XY段為放坡錨噴段，Ⅲ期進(jìn)行全基坑開挖和樁間板的施工，完成基坑工程支護(hù)。

3.2 參數(shù)化族構(gòu)件

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，基于Revit構(gòu)建三維設(shè)計(jì)模型。Revit是針對(duì)建筑、結(jié)構(gòu)開發(fā)的一款較成熟的設(shè)計(jì)建模軟件。在設(shè)計(jì)模型中，標(biāo)高和軸網(wǎng)是重要的空間定位信息，是模型的骨架。參數(shù)化族構(gòu)件及其組合則是模型的實(shí)體，通過參數(shù)的設(shè)置，可以蘊(yùn)含方量、型號(hào)、材質(zhì)、階段等信息要素，可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析和施工模擬。通過修改族參數(shù)、構(gòu)件類型和數(shù)量等，可以達(dá)到模型重構(gòu)的效果。

本工程新建了抗滑樁、樁間擋土板、排水溝、錨桿、錨索等參數(shù)化族。研究發(fā)現(xiàn)，族參數(shù)設(shè)置不宜超過5個(gè)。若多于5個(gè)，則制作族難度大，且不便于操作。對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件，解決的辦法是做成同族的不同類別。比如，錨索族為一個(gè)嵌套族，由錨頭、錨墩、錨具、注漿管、止水橡膠、鋼絞線等族嵌套形成，參數(shù)設(shè)計(jì)為孔徑、錨固段長(zhǎng)度、自由段長(zhǎng)度、入射角，能滿足一般設(shè)計(jì)使用，見圖5。對(duì)于錨索有不同束鋼絞線的情況，則制作成10束-錨索、16束-錨索等類別。同族分類可顯著提高參數(shù)族構(gòu)件在類似項(xiàng)目中的可移植性。

圖5 錨索族構(gòu)件圖

3.3 結(jié)構(gòu)配筋

支擋結(jié)構(gòu)實(shí)體建立之后進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋，配筋的目的是豐富和完善模型內(nèi)在，對(duì)于結(jié)構(gòu)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)算量有重要的意義。在本工程中，不同型號(hào)、不同種類的鋼筋，使用量達(dá)到近5萬(wàn)根。鋼筋的搭接關(guān)系、混凝土保護(hù)層、加密區(qū)范圍和間距、綁扎方式、鋼筋彎頭等在本模型中都可以清晰地展示和統(tǒng)計(jì)出來。對(duì)于異性樁樁頂連接標(biāo)高不一致的變截面的情況，采用自由形式鋼筋，選定邊界和方向、間距數(shù)量，快速配筋(見圖6)。

圖6 鋼筋系統(tǒng)局部圖

4 設(shè)計(jì)模型校審

設(shè)計(jì)模型初步建立后，對(duì)其系統(tǒng)間和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的沖突校審是必要的，即碰撞檢查。碰撞檢查工具在Revit和Navisworks中均可調(diào)用。在建模階段，可隨時(shí)使用Revit的碰撞檢查功能。對(duì)于多專業(yè)聯(lián)合整體模型協(xié)同檢查或者對(duì)距離有要求的“間隙碰撞”等有進(jìn)一步檢查需求時(shí)，則宜選擇Navisworks?；庸こ桃话銦o(wú)專業(yè)間協(xié)同需求，因此重點(diǎn)關(guān)注的是擬建物基礎(chǔ)與周邊相鄰建筑基礎(chǔ)的沖突。在初始方案中，把收集的相鄰建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入模型，通過碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)中北側(cè)基坑邊坡的ID: 2491031號(hào)錨桿侵入了電塔基礎(chǔ)(見圖7)。通過調(diào)整樁數(shù)量和樁間距，避開了電塔基礎(chǔ)，預(yù)先解決了沖突，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量和施工安全。

圖7 基礎(chǔ)碰撞檢查圖

5 模型應(yīng)用

經(jīng)過模型校審修改后，三維設(shè)計(jì)模型完成。實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于一些獨(dú)立構(gòu)件或復(fù)雜結(jié)點(diǎn)仍然需要生成二維圖紙進(jìn)行施工指導(dǎo)。把這些構(gòu)件或結(jié)點(diǎn)提出來，通過剖切查看剖面圖、局部詳圖以及在需要時(shí)出具帶有注釋、標(biāo)注和制圖信息的標(biāo)準(zhǔn)圖紙。在Revit中，將三維地質(zhì)模型通過導(dǎo)入的方式與設(shè)計(jì)模型結(jié)合成完整的基坑模型進(jìn)行二維剖切出圖，或者將三維地質(zhì)模型和設(shè)計(jì)模型按基準(zhǔn)標(biāo)高耦合于Navisworks平臺(tái)，可以查看支護(hù)結(jié)構(gòu)及其所處地質(zhì)條件的二維剖面。如圖8，展示的是以正視視角檢驗(yàn)錨桿錨入巖層以及支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)入地基持力層的情況。

圖8 二維剖面展示圖

傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)圖紙用有限數(shù)量的剖面圖來分段描述支擋結(jié)構(gòu)，對(duì)于地下結(jié)構(gòu)物幾何變化經(jīng)常存在著描述不清的狀況，而基于BIM技術(shù)的三維模型可以彌補(bǔ)二維設(shè)計(jì)圖紙的不足，完整展示基坑工程的細(xì)節(jié)[9]。圖9呈現(xiàn)的是同一位置二維圖紙和三維模型的效果對(duì)比，圖9(a)中可見KA段轉(zhuǎn)角的連接、錨索樁段和錨噴段的連接、A型樁和K型樁樁頂標(biāo)高不一致情況下的連接(以及內(nèi)部配筋)等細(xì)節(jié)。起伏、陡變的基坑邊坡在山地城市的基坑工程中是常見的，而抗滑樁的樁長(zhǎng)、樁頂標(biāo)高隨之變化，這在傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)圖紙中是無(wú)法查看的，如圖9(b)所示。

圖9 二三維設(shè)計(jì)的對(duì)比示意圖

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，工程算量耗時(shí)費(fèi)力，對(duì)于細(xì)部和連接段的材料用量，往往只能依賴工程師的經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大。在本次建立的模型中，做到了精細(xì)化設(shè)計(jì)和算量，建模后，可直接提取數(shù)據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，基于本工程建立的三維設(shè)計(jì)模型統(tǒng)計(jì)出的主材鋼筋的用量與工程的實(shí)際消耗量相比，誤差在10%左右，準(zhǔn)確性和效率都大大提高。

6 施工模擬

將本基坑工程三維地質(zhì)-設(shè)計(jì)耦合模型在Navisworks平臺(tái)中完整演示分期開挖分段支擋的設(shè)計(jì)方案。在前期設(shè)計(jì)建模過程中，先做好階段化工作，為每一類(段)對(duì)象確定階段；由于模型的精細(xì)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，每一個(gè)構(gòu)件均有自己的編號(hào)，可設(shè)置獨(dú)立的時(shí)間參數(shù)，作為施工模擬的準(zhǔn)備。模擬的詳細(xì)程度視工程要求而定。按設(shè)置的階段和時(shí)間，通過Navisworks時(shí)間軸，將各流水段構(gòu)件完整輸入，即可模擬播放，便于各方溝通交流。

圖10的①和②展示的是主體建筑范圍和全基坑范圍兩次開挖；③和④展示的是跳樁施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的施工模擬截圖。對(duì)施工過程預(yù)先模擬，可以科學(xué)指導(dǎo)施工，統(tǒng)籌安排建材機(jī)械設(shè)備的使用計(jì)劃，了解施工重難點(diǎn)，做好工期和成本控制。

圖10 基坑工程施工模擬圖

7 結(jié)論

(1)基于BIM技術(shù)建立三維可視化基坑工程模型，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及其所處的地質(zhì)條件有更精細(xì)的表達(dá)和更直觀的展示；在城建密集區(qū)完成相鄰建筑基礎(chǔ)的碰撞檢查，有效保障施工安全；實(shí)現(xiàn)了二維出圖、三維展示和精確算量，在巖土分布不均、邊坡支擋結(jié)構(gòu)多樣、建設(shè)環(huán)境復(fù)雜、施工工序繁雜、工期緊張的山地基坑工程中有較高的應(yīng)用價(jià)值。

(2)基于BIM技術(shù)建立的基坑工程三維地質(zhì)-設(shè)計(jì)耦合模型，可實(shí)現(xiàn)一次建模、多次出圖、一處修改、聯(lián)動(dòng)更新，避免了在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各圖件、算量的修改不統(tǒng)一、不對(duì)應(yīng)，對(duì)設(shè)計(jì)施工產(chǎn)生誤導(dǎo)的情況，大大提高了工程管理效率。

(3)基于Navisworks時(shí)間軸功能，完成了基坑分期開挖、分段支護(hù)的施工全過程模擬，為施工決策提供了技術(shù)支撐。

(4)本次完成了基于BIM技術(shù)的山地基坑工程三維可視化應(yīng)用，下一步將進(jìn)行與巖土計(jì)算分析結(jié)合的研究，進(jìn)一步完善BIM技術(shù)在建筑全生命周期的應(yīng)用。