BIM技術(shù)在深基坑開挖安全管理中的應(yīng)用

鄧子琦/DENG Zi-qi

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 100010）

1 深基坑開挖作業(yè)的安全風(fēng)險

1.1 深基坑概述

根據(jù)住建部《危險性較大的分部分項工程安全管理辦法》，深基坑工程指的是開挖深度超過5m（含）的基坑的土方開挖、支護(hù)、降水工程或者是開挖深度雖然不超過5m但是地質(zhì)條件和周邊環(huán)境、地下管線相對復(fù)雜或者是影響毗鄰建構(gòu)筑物安全的基坑的土方開挖、支護(hù)作業(yè)工程。

深基坑是高大建筑和許多工業(yè)廠房建設(shè)過程中常見的一個分部分項工程項目，一般用作高大建筑或廠房的基礎(chǔ)處理。在一般的高層住宅小區(qū)建設(shè)或者工業(yè)用事故水池、消防水池等建設(shè)中基坑開挖深度有的甚至超過10m，在此情況下，人員及機(jī)械設(shè)備上下均較為不便，并且邊坡土層受到周邊建構(gòu)筑物擠壓會產(chǎn)生較大的側(cè)向力引起邊坡滑坡甚至整體坍塌，極容易發(fā)生造成群死群傷的安全事故。

1.2 某地鐵站深基坑安全事故分析

某在建地鐵站在作業(yè)過程中突然發(fā)生基坑土方坍塌事故，作業(yè)面內(nèi)十幾名鋼筋工被掩埋。事發(fā)點基坑為長、寬、深分別為107m、21m、16m的深基坑，基坑緊臨河道和城市干道，干道常有大量重型卡車通行，且干道下敷設(shè)有城市市政管網(wǎng)。該工程基坑開挖時使用800mm厚的地下連續(xù)墻進(jìn)行圍護(hù)，連續(xù)墻用鋼管附加支撐。

事后調(diào)查分析認(rèn)為該基坑施工過程存在有重大的安全管理問題，是由于現(xiàn)場施工管理不當(dāng)導(dǎo)致的安全責(zé)任事故。①基坑開挖時存在的土方超挖現(xiàn)象是本次事故發(fā)生的根本原因，特別是為了追趕工期而在第四道支護(hù)尚未設(shè)置完成時提前開挖到基層底部，底板和墊層施工均未及時跟進(jìn)導(dǎo)致整體支撐軸力大幅增加，而且在這種情況下地下連續(xù)墻的剪力和彎矩也大幅增加，使得支撐體負(fù)載過大；②設(shè)計并使用的鋼支撐體系存在有固有缺陷是本次事故發(fā)生的直接原因。首先，鋼結(jié)構(gòu)支撐尚未完成即對下層土方開挖，使得下層土方開挖沒有足夠支護(hù)；其次，各設(shè)計并安裝的鋼支撐體系伸縮節(jié)點處剛度不足，無法滿足支撐要求；最后，按照設(shè)計要求，在系梁擱置位置，鋼管支撐應(yīng)通過槽鋼進(jìn)行固定，而實際施工中部分通過鋼筋固定，部分鋼筋已經(jīng)脫開，部分無任何固定措施，且出現(xiàn)程度不一的彎曲現(xiàn)象。這些問題使得鋼支撐體系無法滿足實際需要導(dǎo)致事故的發(fā)生。

1.3 深基坑安全事故原因分析

1）作業(yè)面基礎(chǔ)條件復(fù)雜 我國很多地區(qū)的地質(zhì)條件相對復(fù)雜，其中不乏軟土地質(zhì)條件、富含地下水或地下河地質(zhì)條件等等復(fù)雜情況。由于很多深基坑作業(yè)又是毗鄰高大建筑或者道路周邊，周邊土層部分還敷設(shè)著許多市政管線，這都使得作業(yè)面基礎(chǔ)條件相對復(fù)雜。項目建設(shè)的實際過程又給周邊土層一個不確定的擾動作用如基坑墻體變位、基坑隆起、地層固結(jié)等等，這種擾動會讓基坑周邊土層不均勻下降使得周邊建構(gòu)筑物對基坑邊坡的側(cè)向壓力不斷增高，最終可能出現(xiàn)事故。

2）支護(hù)體系存在缺陷 這種缺陷主要體現(xiàn)在基坑圍護(hù)體系折斷、基坑圍護(hù)體系失穩(wěn)、基坑圍護(hù)踢腳損壞、坑內(nèi)滑坡現(xiàn)象導(dǎo)致的基坑內(nèi)撐失穩(wěn)等問題，這些問題均有可能導(dǎo)致整體支撐體系的缺陷進(jìn)而引發(fā)事故。在基坑支護(hù)體系設(shè)置完成后必須要在多個點進(jìn)行監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象如位移、偏差、受力不均等情況均說明支撐體系出現(xiàn)了問題，需要立即整改。

3）土體滲透破壞 土體滲透破壞表現(xiàn)在基坑壁流土破壞、基坑底突涌破壞以及基坑底管涌破壞等，如基坑底管涌破壞的主要來源于在砂層開挖基坑時由于不打井點或者井點失效后產(chǎn)生的冒水翻砂。

2 BIM技術(shù)概述

深基坑作業(yè)本身具有較大的安全事故風(fēng)險，在具體的施工中存在較多的不可控因素，因而在施工前的設(shè)計方案編制以及施工過程中的實際作業(yè)時必須要對深基坑最大事故后果進(jìn)行預(yù)先的防控和監(jiān)督控制。特別是考慮到復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，需要控制和監(jiān)測的點位相對較多，且要求相對較高，這就必須要采用一些先進(jìn)的信息化技術(shù)輔助現(xiàn)場作業(yè)的實施。

BIM技術(shù)運(yùn)用計算機(jī)工具將建筑建設(shè)所需要的各類信息匯總到一個建筑模型上，通過該模型的構(gòu)造和查看可以清晰表達(dá)、表現(xiàn)建構(gòu)筑物的設(shè)計基礎(chǔ)、施工作業(yè)過程以及運(yùn)營管理過程，因此也被稱為建筑施工方面革命性的技術(shù)。

BIM技術(shù)是三維數(shù)據(jù)的集成化應(yīng)用，因此在建筑施工應(yīng)用上有著可視化更強(qiáng)、協(xié)調(diào)性更佳、模擬性更真實全面、可應(yīng)用性較為廣闊等等優(yōu)點。

3 BIM技術(shù)在深基坑開挖安全管理中的應(yīng)用

深基坑作業(yè)在施工過程中的風(fēng)險相對較多，方案預(yù)先編制及現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)測的壓力均相對較大，而借助BIM技術(shù)的優(yōu)勢可以很好地輔助深基坑開挖的安全管理。其應(yīng)用主要包括施工過程的信息化模擬分析與研究、深基坑監(jiān)測等。

3.1 項目概況

某項目為高層辦公大樓，其需要下設(shè)3層地下室作為地下停車場、商場等，設(shè)計整平地面標(biāo)高為35m，基坑最深處標(biāo)高為21m，開挖深度約14m，總基坑面積約4000m2?；臃秶鷥?nèi)土質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖破碎帶土層；基層西側(cè)、北側(cè)為道路，一級安全等級；南側(cè)為規(guī)劃辦公樓用地，待建；東側(cè)為一已建高層辦公樓?；又ёo(hù)利用800mm×1000mm的旋挖樁做圍護(hù)結(jié)構(gòu)；樁頂部設(shè)置采用頂圈梁、腰梁、混凝土支撐作為側(cè)向支撐；明溝進(jìn)行有組織排水作業(yè)。

3.2 深基坑支護(hù)體系與周邊永久建筑的碰撞問題研究

雖然深基坑支護(hù)方案在編制時已經(jīng)對設(shè)計中的各個構(gòu)造進(jìn)行了預(yù)先性分析與研究，但在部分支撐件之間依然會出現(xiàn)有碰撞等現(xiàn)象導(dǎo)致現(xiàn)場無法進(jìn)行正常的支護(hù)作業(yè)，而這些碰撞一般包括支護(hù)體系內(nèi)部碰撞（如支撐立柱與結(jié)構(gòu)梁之間；支撐梁與結(jié)構(gòu)梁、框架柱之間；支撐立柱與基礎(chǔ)底板坑位置之間；支撐立柱與降板處位置之間等等）與支護(hù)體系與永久結(jié)構(gòu)件的碰撞兩類。因而在施工方案編制前可利用BIM技術(shù)對是否存在碰撞進(jìn)行分析和研究。

在支護(hù)體系內(nèi)部碰撞的具體分析中，借助BIM技術(shù)軟件Revit建立支護(hù)模型，然后按照水平、豎向兩個方向?qū)χёo(hù)模型進(jìn)行拆解，分別檢查豎向支撐與主體以及水平支撐與主體之間的碰撞可能性，若發(fā)現(xiàn)有碰撞則可組織論證分析，若無法滿足實際支護(hù)要求則要修改支護(hù)模型方案。

在支護(hù)體系與永久結(jié)構(gòu)的碰撞分析方面，需要在Revit軟件模擬的支護(hù)模型中進(jìn)行拆分，然后與結(jié)構(gòu)體系分別進(jìn)行碰撞可能性檢查，導(dǎo)出碰撞報告并整理發(fā)生碰撞的位置與位置信息，從而為修改施工方案提供基礎(chǔ)參考。

3.3 深基坑作業(yè)監(jiān)測點及監(jiān)測要求

基坑監(jiān)測時重點監(jiān)測項目及報警值設(shè)置如表1所示。

表1 重點監(jiān)測項目及報警值設(shè)置表

深基坑作業(yè)的監(jiān)測設(shè)置如下。

1）針對深基坑情況繪制監(jiān)測BIM模型，在模型中布置變形監(jiān)測點并添加參數(shù)信息，利用工程現(xiàn)場變形監(jiān)控數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)進(jìn)模型從而借助BIM模型實現(xiàn)深基坑作業(yè)過程中的重點參數(shù)的監(jiān)控。

2）對深基坑工程施工程序進(jìn)行模擬：①平整場地、定位放線、施工圍護(hù)旋挖樁、工程樁、立柱樁；②進(jìn)行坑內(nèi)降水并施工格構(gòu)柱；③開挖基坑土方至第一道砼支撐后施工頂圈梁和砼支撐；④待第一道砼支撐達(dá)到強(qiáng)度，開挖基坑土方至第二道砼支撐底，施工腰梁和第二道砼支撐；⑤待第二道砼支撐達(dá)到強(qiáng)度后開挖基坑至坑底標(biāo)高；⑥利用施工方案的數(shù)據(jù)要求將施工計劃導(dǎo)入模型中，導(dǎo)出模擬文件。

3）建立基坑模型的多維變形監(jiān)測族并添加如表1所示的監(jiān)測信息，設(shè)置監(jiān)測報警預(yù)警值并使之形成與模型的關(guān)聯(lián)，由此便可實現(xiàn)對基坑情況的監(jiān)測預(yù)警設(shè)置。

4）利用監(jiān)測工具對現(xiàn)場各點實際情況進(jìn)行監(jiān)測并將深基坑工程施工的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳導(dǎo)給BIM模型上的警示裝置，可以形象反應(yīng)基坑在任意時間點各監(jiān)測區(qū)域危險源以及變形危險程度，判別深基坑工程的危險等級，實現(xiàn)對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、受力趨勢的預(yù)測，從而能更好地即時調(diào)整深基坑作業(yè)支護(hù)情況快速消除危險點。

4 結(jié)語

深基坑作業(yè)風(fēng)險相對較高，采用一些信息化技術(shù)進(jìn)行預(yù)先的分析與控制是極為有必要的，而對于安全風(fēng)險的控制方面，BIM技術(shù)在深基坑支護(hù)的碰撞分析以及施工監(jiān)測等方面憑借其可視化強(qiáng)、應(yīng)用較為廣泛以及專業(yè)覆蓋性強(qiáng)的特點有著極為明顯的優(yōu)勢作用，可以在實際工程施工管理中大力推廣和廣泛應(yīng)用。