BIM技術(shù)在深基坑工程勘察及支護(hù)設(shè)計(jì)中的具體運(yùn)用

張靖杰

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司--北京構(gòu)力科技有限公司）

1 引言

基坑工程屬于集勘察、設(shè)計(jì)、施工及環(huán)境保護(hù)于一體的綜合性工程，基坑支護(hù)作為基坑工程中最重要的一部分受地域及環(huán)境條件的影響很大。在進(jìn)行基坑工程施工時(shí)，要能結(jié)合具體的地形、地貌及水文地質(zhì)等情況，合理設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)，以此保證基坑自身的穩(wěn)定以及周邊環(huán)境的安全。下面結(jié)合實(shí)際，就基于BIM技術(shù)的深基坑工程勘察與支護(hù)設(shè)計(jì)問題做具體分析。

2 BIM技術(shù)特征與優(yōu)勢分析

BIM技術(shù)以三維數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用各項(xiàng)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對建筑工程項(xiàng)目各項(xiàng)信息的收集、整理與利用。BIM平臺中三維數(shù)據(jù)庫中各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息都能被共享，參與工程建設(shè)的各單位、各部門有權(quán)力訪問數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)實(shí)際情況對數(shù)據(jù)庫中各項(xiàng)信息進(jìn)行編輯更新，從而使其他部門都能及時(shí)、準(zhǔn)確的掌握工程設(shè)計(jì)進(jìn)度，以便更好地進(jìn)行溝通協(xié)作[1]。BIM模型是以建筑工程項(xiàng)目各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)作為建立模型的基礎(chǔ)，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的各項(xiàng)真實(shí)信息，從而實(shí)現(xiàn)立體建模以及虛擬施工的。作為數(shù)據(jù)化工具，BIM技術(shù)在工程勘察、設(shè)計(jì)、施工等多個環(huán)節(jié)都有著重要作用。相較傳統(tǒng)技術(shù)手段，BIM技術(shù)協(xié)調(diào)性強(qiáng)、可視性高，并且還具有可出圖、可模擬等功能。將BIM技術(shù)科學(xué)應(yīng)用于深基坑工程的勘察與設(shè)計(jì)，可大大簡化工程流程，提高工作質(zhì)量與效率，減少設(shè)計(jì)變更[2]。

3 BIM技術(shù)在深基坑工程勘察中的應(yīng)用

BIM技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展為深基坑工程的勘察帶來了便利。結(jié)合以往的勘察以及研究結(jié)果可知，巖土體具有復(fù)雜性、非連續(xù)性等特征，采用傳統(tǒng)的勘察技術(shù)難以獲得全面、詳細(xì)、直觀的巖土信息，但如果采用計(jì)算機(jī)、BIM等技術(shù)將地質(zhì)模型三維化，建立起三維實(shí)體，那么工程的地質(zhì)、巖土信息將得到全面且清晰地展示。

某深基坑工程施工區(qū)域地形地勢復(fù)雜，勘察難度大。為降低勘察難度，提高勘察精度，在地質(zhì)勘察過程中運(yùn)用了BIM技術(shù)?？辈鞎r(shí)將BIM技術(shù)與周邊GIS數(shù)據(jù)相結(jié)合，以Autodesk軟件技術(shù)平臺為基礎(chǔ)，以Inventor Professional和Civil 3D為核心建模軟件。在勘探過程中，發(fā)揮BIM數(shù)字化、可視化功能，向參建者通過web監(jiān)測平臺三維立體、高清、全面地呈現(xiàn)深基坑工程的地質(zhì)信息，使設(shè)計(jì)人員與建設(shè)人員更準(zhǔn)確地把握工程地質(zhì)特征。同時(shí)為了進(jìn)一步提高地質(zhì)勘察精度，還將IDS套包和Inventor運(yùn)用到其中，并在勘察過程中結(jié)合運(yùn)用Civil3D進(jìn)行詳細(xì)勘察[3]。

在深基坑勘察作業(yè)中，運(yùn)用Revit軟件來進(jìn)行建模。與傳統(tǒng)的三維建模軟件相比，Revit軟件更便于操作且功能更為強(qiáng)大，因而能為深基坑的勘察帶來很大幫助。如Revit軟件具有強(qiáng)大的API接口，Revit API能將具有分析和可視化功能的軟件與Revit對接，或者根據(jù)三維可視化和分析功能的要求對Revit進(jìn)行二次開發(fā)，從而提高巖土工程地質(zhì)勘察的建模效率。在勘察過程中，先將深基坑工程項(xiàng)目的二維勘察資料收集起來，對各段面的地質(zhì)信息進(jìn)行提取，獲得地層厚度、類型等重要信息（見圖1）。完成上述操作后，基于以上信息進(jìn)行建模，建模時(shí)將各勘探點(diǎn)準(zhǔn)確布置在平面上并進(jìn)行標(biāo)號。在建立場地模型時(shí)，可采用導(dǎo)入文件或者放置點(diǎn)這兩種方式在場地模型內(nèi)輸入各點(diǎn)的X/Y/Z坐標(biāo)，經(jīng)過軟件與系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換后，能得到所需的場地模型，深基坑工程的地層信息在三維地質(zhì)模型中能清晰顯示[4]。

圖1 Revit軟件建模（計(jì)算機(jī)截圖）

在深基坑工程勘察階段，也可利用CAD文件的等高線繪制地形圖面。在CAD文件中，每一條等高線圖形相當(dāng)于很多個點(diǎn)組成的對象，若等高線是一條連接閉合的曲線就能生成一個曲面，當(dāng)曲線數(shù)量越多時(shí)，形成的曲面也就越精細(xì)。在制圖過程中施工區(qū)域內(nèi)的山谷線、山脊線等地形特征線會以特殊的線段表示出來，對這些特殊線段運(yùn)用三維多段線表示后，同樣可以作為一條源數(shù)據(jù)生成曲面。

研究與實(shí)踐證明，將BIM技術(shù)運(yùn)用在深基坑勘察工作中后，勘察圖紙中的問題將更容易被查明。在傳統(tǒng)的技術(shù)手段下，勘察資料是由多張剖面圖、平面圖構(gòu)成，這些圖紙各自獨(dú)立，相互之間的聯(lián)系性不強(qiáng)，不利于從整體上把握工程的特征。但是在運(yùn)用BIM技術(shù)構(gòu)建起三維立體模型后，以上問題都將得到有效解決。三維模型可以在BIM軟件中任意轉(zhuǎn)動，隨意切剖，這樣的直觀優(yōu)勢便于工程師們交流溝通，從而提高工作效率。在深基坑勘察作業(yè)中合理運(yùn)用BIM技術(shù)，可以獲得工程所建區(qū)域的地質(zhì)情況數(shù)據(jù)信息，從而使后續(xù)的支護(hù)設(shè)計(jì)更順利、更科學(xué)有效地開展。

4 BIM技術(shù)在深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

某深基坑工程開挖深度為15m，開挖區(qū)域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境相對復(fù)雜，設(shè)計(jì)以及施工難度大。為降低工程設(shè)計(jì)難度并提高設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性與合理性，擬將BIM技術(shù)應(yīng)用于深基坑設(shè)計(jì)中[5]。

在進(jìn)行深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，以工程勘察報(bào)告為依據(jù)，綜合考慮深基坑的開挖深度、場地周邊環(huán)境條件以及支護(hù)高度、基坑平面位置等各項(xiàng)因素之后，確定支護(hù)方案。該工程基坑具體情況為：基坑AB、BC、CD段安全等級為一級，重要性系數(shù)取值1.1；DE、EF、FA段安全等級為二級，重要性系數(shù)取值1.0，穩(wěn)定安全系數(shù)FST取值1.35。深基坑支護(hù)工程屬于臨時(shí)支護(hù)工程，邊坡支護(hù)工程設(shè)計(jì)為永久性支護(hù)，在設(shè)計(jì)時(shí)不考慮地震工況[6]。

設(shè)計(jì)基坑頂部時(shí)，將附加荷載值確定為15kPa，將鄰近道路荷載值確定為30kPa，建筑物每層荷載確定為25kPa，擋土墻荷載按照高度每米25kPa的值進(jìn)行設(shè)計(jì)，各荷載值需科學(xué)合理，不能出現(xiàn)超載使用的情況。

在設(shè)計(jì)支護(hù)方案時(shí)，首先對區(qū)域內(nèi)的地形地勢進(jìn)行分析。根據(jù)勘察結(jié)果可知，該施工段基坑輪廓線與擋墻緊鄰，并且地形地勢變化較大。為避免在施工與使用階段出現(xiàn)安全問題或質(zhì)量問題，在設(shè)計(jì)前先委托第三方專業(yè)單位按照《建筑邊坡工程鑒定與加固技術(shù)規(guī)范》（GB50843-2013），對現(xiàn)有擋墻的安全性、穩(wěn)固性進(jìn)行分析鑒定，完成鑒定后，根據(jù)鑒定結(jié)果確定支護(hù)形式。經(jīng)過對可行性方案對比后，針對該基坑，初步選用的總體支護(hù)方案是：放坡+100厚C20掛網(wǎng)噴混凝土護(hù)、排樁+錨索+100厚C20掛網(wǎng)噴混凝土護(hù)等支護(hù)形式。

在獲得初步的設(shè)計(jì)方案后，綜合分析工程施工環(huán)境、經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件、場地條件以及工程項(xiàng)目要求等多項(xiàng)要素。為使任務(wù)分析的更加合理準(zhǔn)確，在分析過程中可將各項(xiàng)調(diào)查數(shù)據(jù)輸入BIM軟件，進(jìn)行計(jì)算、整合與分析，為方案設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。具體的設(shè)計(jì)流程如下。

首先，基于各項(xiàng)勘察數(shù)據(jù)，在三維建模軟件中建立幾何模型，將軟件導(dǎo)入并進(jìn)行信息補(bǔ)充（見圖2）。利用Revit等軟件補(bǔ)充出土層的粘聚力、內(nèi)磨擦角、重度以及鋼筋等級、支護(hù)樁砼標(biāo)號等重要信息，對各數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后導(dǎo)出為結(jié)構(gòu)計(jì)算模型格式文件，并將其導(dǎo)入專用的符合IFC標(biāo)準(zhǔn)的基坑有限元分析軟件中，由該軟件對其支護(hù)受力、變形、穩(wěn)定性以及配筋率等進(jìn)行計(jì)算，最后得到樁長等重要信息。

系統(tǒng)計(jì)算出數(shù)據(jù)后，設(shè)計(jì)人員根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果對支護(hù)方案的科學(xué)性與可行性做進(jìn)一步的分析判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)方案中的不合理之處，并做出改進(jìn)，確保深基坑支護(hù)方案科學(xué)可行。在使用BIM技術(shù)進(jìn)行深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，如果有必要，設(shè)計(jì)人員還可借助BIM技術(shù)進(jìn)行人機(jī)交互，防止出現(xiàn)因軟件功能不足而計(jì)算錯誤的情況發(fā)生，確保支護(hù)方案的科學(xué)合理。在完成各項(xiàng)計(jì)算后，將所得數(shù)據(jù)貯存在BIM信息模型中，之后運(yùn)用BIM出圖功能導(dǎo)出深基坑支護(hù)圖紙以及相應(yīng)的計(jì)算書。

圖2 基坑支護(hù)BIM可視化方案（計(jì)算機(jī)截圖）

5 結(jié)語

綜上所述，BIM技術(shù)先進(jìn)、功能豐富、適用范圍廣，在深基坑勘察與支護(hù)設(shè)計(jì)工作中發(fā)揮著重要作用。在當(dāng)前背景下，應(yīng)進(jìn)一步加大對BIM技術(shù)的研究與應(yīng)用，以提升深基坑工程勘察及支護(hù)設(shè)計(jì)水平。