基于BIM技術(shù)的地鐵深基坑質(zhì)量安全管控研究

胡云進 虞 盛唐小東

(1.浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；3.浙江省山體地質(zhì)災(zāi)害防治協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 紹興 312000)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的發(fā)展，公共交通方式的轉(zhuǎn)變，地鐵總里程數(shù)迅速增加.然而，大多數(shù)地鐵線路處在城市人流量大的商貿(mào)區(qū)、生活區(qū)及道路交通要塞，地鐵車站施工所挖的深基坑具有時空效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)強、綜合因數(shù)重、風(fēng)險系數(shù)高等特點，因此深基坑工程的質(zhì)量安全管控難度較大.據(jù)統(tǒng)計，基坑發(fā)生事故數(shù)占基坑總數(shù)的1/4，其中深大基坑事故發(fā)生率達到總數(shù)的20%[1]，如何提高深基坑工程的質(zhì)量安全管控成為地鐵車站施工的關(guān)鍵.

邊亦海[2]收集的342例深基坑事故研究資料表明，安全事故發(fā)生原因有施工現(xiàn)場管理因素、技術(shù)實施因素和監(jiān)測因素等.傳統(tǒng)基坑工程的質(zhì)量安全控制主要是在土方開挖、降水施工、支護結(jié)構(gòu)施工等專項施工過程中按照設(shè)計要求和技術(shù)規(guī)范進行管控，然而實際施工中由于管理水平不高、材料設(shè)備缺陷、施工方法不當?shù)仍蛟谝恍┲匾课缓完P(guān)鍵工序不能嚴格達到質(zhì)量標準；同時，對于土體變形、圍護墻體變形、地下水位監(jiān)測仍然比較被動和落后，監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與處理不及時，不能很好地滿足安全管控的需求.丁烈云[3]從信息科學(xué)角度分析認為，基坑安全事故的原因是安全管理數(shù)據(jù)采集和傳遞不及時、信息分析和利用不充分、安全知識共享和挖掘不足.目前普遍使用的CAD技術(shù)信息傳遞性差，表達能力有限，部門之間無法信息共享與協(xié)同作業(yè)；即便有電子版圖紙，由于沒有集成技術(shù)參數(shù)，項目參建各方對施工規(guī)范、規(guī)程及相關(guān)管理文件信息不對稱，施工過程中不能及時發(fā)現(xiàn)問題并整改.而BIM技術(shù)具有可視化、信息化、模擬性、協(xié)調(diào)性、集成性等優(yōu)勢[4]，可以有效解決這些問題.但目前國內(nèi)外主要將BIM技術(shù)應(yīng)用于基坑優(yōu)化設(shè)計、信息化施工、信息化監(jiān)測與管理等方面.Luo等[5]利用BIM模型進行模擬施工方案、支撐圍護結(jié)構(gòu)與土建結(jié)構(gòu)碰撞檢查、管線排布優(yōu)化等應(yīng)用.刑民等[6]將Revit地鐵車站模型導(dǎo)入Navisworks中進行漫游模擬，利用TimeLiner功能模擬不同開挖方式的合理性，優(yōu)化施工設(shè)計.Azhar等[7]以奧本大學(xué)施工項目為例提出一種基于BIM技術(shù)的施工安全管理方法，通過BIM 模型及4D 施工模擬對深基坑開挖進行安全規(guī)劃管理.譚佩[4]以佛山某深基坑3D模型為基礎(chǔ)，進行監(jiān)測信息關(guān)聯(lián)、復(fù)雜節(jié)點配筋、施工進度模擬等工作，加強設(shè)計、施工、監(jiān)測之間的溝通和信息共享.Wang等[8]利用BIM技術(shù)、光測距技術(shù)(LiDAR)，開發(fā)了一套激光實時跟蹤檢測與點云坐標轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，方便施工現(xiàn)場質(zhì)量信息的實時采集與處理.俞曉等[9]基于BIM模型開發(fā)Web預(yù)警系統(tǒng)，將基坑三維監(jiān)測點鏈接監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)色彩分階展示，通過4D技術(shù)實時監(jiān)控和預(yù)警.Chan-Silk[10]利用移動客戶端將檢查照片、視頻以不同顏色上傳到BIM模型中，并將問題通知相應(yīng)施工管理人員，實現(xiàn)資料快速傳遞及信息有效溝通.于麗娜等人[11]利用BIM360glue，在iPad端查看nwd格式模型文件，方便現(xiàn)場巡視時質(zhì)量對比檢查，基本能滿足對模型數(shù)據(jù)的臨時查閱和記錄需求.宋杰等[12]在VS 2012平臺利用C#語言二次開發(fā)，以命令流方式將幾何與力學(xué)參數(shù)導(dǎo)入ANSYS中進行數(shù)模，實現(xiàn)BIM模型與有限元分析軟件信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.

綜上所述，BIM技術(shù)與WEB系統(tǒng)、三維掃描、有限元軟件等技術(shù)的結(jié)合在基坑質(zhì)量安全管控上發(fā)揮了一定作用，但這些新技術(shù)的研究尚處于起步階段，缺乏相關(guān)技術(shù)標準規(guī)范，沒有從地鐵車站施工質(zhì)量控制原則上，加強基坑施工過程質(zhì)量重要控制點的檢查與銷案.采用Revit API接口Visual Studio環(huán)境下監(jiān)測系統(tǒng)和有限元轉(zhuǎn)換的二次開發(fā)流程繁瑣，投入的時間精力大.因此本文擬利用BIM信息存儲的特點，將事故樹分析法得出的可能存在的危險源參數(shù)化，充分考慮“人、材、機、環(huán)、法、測”六大質(zhì)量控制因素，結(jié)合BIM-5D構(gòu)建出關(guān)聯(lián)質(zhì)量安全維度的BIM集成控制模型，同時利用Midas GTS進行基坑模型變形分析優(yōu)化監(jiān)測點位的布置，Dynamo可視化編程簡單快速地進行監(jiān)測數(shù)據(jù)處理和傳遞，實現(xiàn)BIM技術(shù)在地鐵深基坑施工全過程、全方位、全員共享的應(yīng)用.

1 基于BIM技術(shù)的地鐵深基坑集成控制模型構(gòu)建

1.1 深基坑工程族創(chuàng)建

目前大部分建模軟件沒有地下結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計模塊，像基坑工程里的地連墻、鋼支撐、格構(gòu)柱等異形構(gòu)件，無法使用標準族樣板，本文選擇Autodesk Revit公制常規(guī)族樣板創(chuàng)建自定義參數(shù)化族構(gòu)件.構(gòu)成模型的這些族構(gòu)件，也就是組成3D模型的基礎(chǔ)圖元，包含了幾何、材質(zhì)等豐富的屬性信息，可以滿足深基坑工程構(gòu)件信息完備性的需求.

1.2 信息化集成控制模型構(gòu)建

BIM模型可以看作是一個不斷完善的數(shù)據(jù)庫，在構(gòu)建出3D基坑模型后，關(guān)聯(lián)基坑施工過程所需的質(zhì)量安全方面的管理信息生成信息化集成控制模型，實現(xiàn)質(zhì)量安全數(shù)據(jù)的有效管理.具體如下：

1.2.1 質(zhì)量安全影響因素

為了針對性地集成質(zhì)量安全信息，首先需要分析深基坑各專項施工的質(zhì)量通病，從基坑事故致因理論中總結(jié)出影響質(zhì)量安全的有關(guān)因素.基坑事故致因機理調(diào)查研究表明，施工、監(jiān)測原因引發(fā)基坑坍塌的比例最高[13].為了進一步了解事故發(fā)生途徑，編制了圖1所示的深基坑事故樹，分為最上面的頂事件(代表事故類型)，最下面的底事件(代表誘發(fā)事故的致因因素)，其余為中間事件.

事故樹基本事件用兩個邏輯門，“·”與門(代表下方基本事件同時發(fā)生才能引發(fā)事故)和“+”或門(代表下方任何一個基本事件發(fā)生就可以引發(fā)事故)進行邏輯上的連接.根據(jù)事故樹可得出26種事故發(fā)生途徑，即26組最小割集，數(shù)量較多，根據(jù)事故樹可得出表1所示4組最小徑集，通過切斷這四種途徑可以阻止事故發(fā)生.最小徑集Ⅰ里包含一組4個致因因素，最小徑集Ⅱ里包含(X1、X2、X10、X11、X12)和(X3、X4、X10、X11、X12)兩組5個致因因素，最小徑集Ⅲ包含一組6個致因因素.可以利用式(1)計算出基本事件結(jié)構(gòu)重要度.

(1)

IK(i)表示基本事件Xi結(jié)構(gòu)重要度的近似值，Er表示最小徑集，ni表示基本事件所在最小徑集中包含的事件數(shù)量.

未進行監(jiān)控、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理不及時事件的重要度按式(1)計算可得

(2)

結(jié)果表明該事件對事故發(fā)生的影響程度最大，在施工過程中基坑的監(jiān)控量測需要進行重點管控，其他事件可根據(jù)表2所示結(jié)構(gòu)重要度排序進行經(jīng)濟高效的安全管理.

1.2.2 質(zhì)量安全維度關(guān)聯(lián)

建筑工程施工項目質(zhì)量控制內(nèi)容包括：單位

表1 最小徑集值分布表

表2 致因因素重要度

工程質(zhì)量、分部工程質(zhì)量、分項工程質(zhì)量、檢驗批質(zhì)量、工序質(zhì)量[14].從最小單元工序質(zhì)量的“人、機、材、法、環(huán)、測”六大因素入手，根據(jù)基坑安全事故致因機理，把影響因素分為人的不安全行為(坑邊堆載、施工質(zhì)量差、施工方法不當)、物的不安全狀態(tài)(支護材料缺陷、土體滲透破壞、基坑側(cè)壁變形)以及管理缺陷(未及時監(jiān)控、監(jiān)測數(shù)據(jù)未處理)等方面，重點關(guān)聯(lián)這些危險源信息.例如在Revit模型“建筑圖元”屬性信息中關(guān)聯(lián)支護結(jié)構(gòu)型號、材質(zhì)、位置等三維幾何屬性信息，避免因支護材料的缺陷引發(fā)物的不安全狀態(tài).廣聯(lián)達BIM-5D軟件能夠高效地管理應(yīng)用質(zhì)量信息，彌補Revit在匯聚信息方面的不足.利用工藝庫維護工具在三維構(gòu)件中關(guān)聯(lián)工藝工法的施工信息和質(zhì)量檢測資料、質(zhì)量標準文件的工程信息，施工人員利用集成質(zhì)量維度信息的模型提高操作規(guī)范性，減少人的不安全行為.

2 基于BIM技術(shù)的基坑支護體系變形與監(jiān)測可視化分析

2.1 基于BIM技術(shù)的支護體系變形分析

根據(jù)前文事故樹分析結(jié)果可知，基坑變形重點位置的及時監(jiān)控是保障基坑質(zhì)量安全的重要環(huán)節(jié).Midas GTS有限元分析軟件，借助線性代數(shù)方程組和矩陣，能夠迅速完成數(shù)值模擬，分析計算基坑開挖過程圍護結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律性[15].Midas GTS不需要二次開發(fā)數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口，通過“Midas Link for Revit Structure 2018”插件將BIM基坑模型轉(zhuǎn)換成.mgt格式從而得到幾何模型，不斷調(diào)整網(wǎng)格大小和參數(shù)就可以完成有限元模型的創(chuàng)建.基本步驟為：①建立幾何模型，②定義材料及屬性，③劃分網(wǎng)格，④定義荷載及邊界條件，⑤設(shè)定分析條件并分析計算，⑥查看結(jié)果.結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對基坑及支護體系安全性能進行分析，驗證不同施工工況下的位移云圖模擬的準確性，預(yù)測重點監(jiān)測位置，提前做好應(yīng)急預(yù)案.

2.2 基于BIM技術(shù)的基坑監(jiān)測可視化

為了改善監(jiān)測數(shù)據(jù)處理不及時的情況，本文利用Dynamo簡單快速地創(chuàng)建監(jiān)測預(yù)警模塊，實現(xiàn)與Excel文件交互功能，將監(jiān)測數(shù)據(jù)批量添加到模型的監(jiān)測點族中，更直觀高效地對基坑施工進行動態(tài)監(jiān)控.

2.2.1 基于BIM技術(shù)的監(jiān)測點族建立

基于Revit的參數(shù)化設(shè)計輔助工具Dynamo，相對于Revit API復(fù)雜繁瑣的開發(fā)流程，具有不易發(fā)生錯誤，起步要求低等優(yōu)勢[16].根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容在Revit上創(chuàng)建圍護結(jié)構(gòu)水平和豎向位移監(jiān)測點族、降水水位監(jiān)測井族、支撐軸力監(jiān)測點族等參數(shù)化監(jiān)測點族.監(jiān)測點通用族跟自定義族一樣采用公制常規(guī)族樣板進行創(chuàng)建，但監(jiān)測族與其他自定義族的區(qū)別在于監(jiān)測族始終依附在需要監(jiān)測構(gòu)件上.

2.2.2 基于Dynamo的監(jiān)測點可視化編程

Dynamo監(jiān)測點可視化編程分為三個模塊：監(jiān)測點參數(shù)設(shè)置模塊、外部監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊、色彩分階顯示模塊.以圖2水位監(jiān)測點為例，先利用“Create Project Parameter”代碼節(jié)點塊選擇所有相同構(gòu)件設(shè)置族類型、名稱等參數(shù)，再利用“File Path”“Excel. Read From File”“List. Get Item At Index”等節(jié)點塊選擇文件路徑將外部監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入族構(gòu)件中，最后利用“If”條件語句和“Element. Override Color In View”顏色代碼塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較，根據(jù)判定結(jié)果進行顏色分階顯示.編制完成的Revit水位監(jiān)測構(gòu)件族，可快速完成外部水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理，在基坑施工過程中實時查看構(gòu)件的安全狀況.

2.3 基于BIM技術(shù)的全過程應(yīng)用流程

本文將集成控制模型與可視化監(jiān)測族、有限元分析相結(jié)合，以模型使用角度(Modeling)與信息流通角度(Information)提出如圖3所示的基坑施工過程事前預(yù)防、事中控制、事后分析三個階段的應(yīng)用流程，利用BIM分布式管理模式在完成施工任務(wù)的同時，滿足各部門BIM應(yīng)用需求，保證過程控制與結(jié)果校核能夠落實到人.

(a)監(jiān)測點族參數(shù)設(shè)置

(b)外部監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入

(c)監(jiān)測點族顏色分階顯示

圖3 BIM技術(shù)全過程應(yīng)用流程

3 工程應(yīng)用及效果分析

3.1 工程概況

某城市軌道交通1號線與2號線的換乘站，位于兩條主干道的交叉口.1號線為地下兩層，2號線為地下三層.1號線車站長約503.6 m，標準段寬約23 m，基坑深約18.5 m，圍護結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻，總6道支撐，第一道砼支撐800 mm*1 000 mm，第二、四～六道鋼支撐Φ609，t=16，第三道鋼支撐Φ800，t=20；2號線車站長約232 m，標準段寬約23 m，基坑深約25 m，圍護結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻，總7道支撐+1道換撐，第一、五道砼支撐800 mm*1 000 mm， 其余鋼支撐Φ609， t=16或Φ800，t=20.

3.2 事前預(yù)防

本文以2號線某換乘站與部分標準段為例，利用Revit建立如圖4所示BIM基坑模型.

圖4 地鐵深基坑BIM模型

施工前，組織技術(shù)人員利用BIM可視化模型進行技術(shù)交底，在三維模型中展示施工重點、難點，細化到每個工藝復(fù)雜節(jié)點.如圖5砼支撐鋼筋綁扎細節(jié)展示可以把控支撐的剛度，確保基坑支護結(jié)構(gòu)的精細化施工.

通過圖6動畫模擬土方開挖過程，根據(jù)開挖方案的要求來控制土體尺寸和開挖支撐時間，防止土方超挖引起土壓力的增加；通過模擬降水井布置來控制降水對環(huán)境變形的影響，降低承壓水頭防止坑底隆起；通過模擬支撐架設(shè)，來控制深基坑分段分層、由上而下、先撐后挖的開挖順序，以此提高挖土效率，安全管理人員可以了解項目施工特點和安全防范重點，保障人員安全、設(shè)備安全和施工安全.

圖5 砼支撐節(jié)點細節(jié)展示

圖6 基坑土方開挖模擬

利用有限元分析預(yù)測基坑支護的變形情況，從而對施工人員進行安全教育，是基坑安全的重要保障.大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果表明：基坑周圍土體深度方向與水平方向影響分區(qū)均可取2～4倍的基坑開挖深度[17]，本文土層深度方向和水平方向取4倍開挖深度，開挖土層和坑外土層網(wǎng)格尺寸取5 m，砼支撐、鋼支撐、鋼圍檁、腰梁和冠梁的網(wǎng)格尺寸取3 m，采用修正摩爾-庫倫模型和彈性模型建立Midas GTS基坑模型，以圖7地連墻的位移云圖為例進行計算分析.

(a)開挖至-5.4 m處的位移云圖

(b)開挖至-8.7 m處的位移云圖

(c)開挖至-11.9 m處的位移云圖

(d)開挖至-15 m處的位移云圖

計算結(jié)果表明，基坑開挖較淺時，墻頂位移最大，向基坑方向的水平位移呈三角形分布，隨著基坑開挖，X向、Y向的墻體水平位移，都隨著土層開挖呈增大趨勢，且位移最大位置出現(xiàn)在每個開挖段的前一開挖面附近.監(jiān)測管理人員可以增加開挖過程中地連墻的危險位置監(jiān)測點位的布置，監(jiān)控量測的頻率也從1次/1天增加到2次/1天，從而對基坑施工和監(jiān)測進行針對性的安全管理，提前做好應(yīng)急處置方案.

3.3 事中控制

根據(jù)上文工藝庫維護工具將施工規(guī)范、驗評標準與BIM模型關(guān)聯(lián)，工藝流程創(chuàng)建完成后在跟蹤模塊里設(shè)置工序“責(zé)任人”，每個施工工序的所有構(gòu)件完成時，會通知相應(yīng)責(zé)任人.

如圖8創(chuàng)建地連墻詳細的施工工藝流程，使施工人員能直觀高效地掌握地連墻的施工工藝及技術(shù)措施，達到施工質(zhì)量要求的準確性和規(guī)范性.經(jīng)過培訓(xùn)的工序檢查小組和QC小組在現(xiàn)場巡檢時，利用廣聯(lián)達BIM-5D移動端可以隨時查詢施工專項方案并進行對比，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題并改善.

如圖9所示，質(zhì)檢員在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)“支模架間距過大”“土方開挖不合理”“現(xiàn)場道路泥濘”等質(zhì)量安全問題時，手機端拍照上傳到云端，消息將會推送給責(zé)任人，直到確認整改完成復(fù)檢通過之后關(guān)閉問題，進入下一道工序，完成問題的跟蹤管理和流程閉環(huán)，避免信息傳遞滯后而產(chǎn)生安全隱患.

現(xiàn)場的監(jiān)測工作可與BIM基坑模型相結(jié)合，實現(xiàn)基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)處理和傳遞.在Dynamo監(jiān)測點模塊里，快速處理地連墻水平位移、立柱沉降及地下水位等監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過顏色變化將安全狀態(tài)直觀地傳遞給施工管理人員.以圖10水位監(jiān)測族為例，安全狀態(tài)下監(jiān)測族顯示為綠色，如果超過預(yù)先設(shè)定閾值的危險構(gòu)件，會發(fā)出紅色預(yù)警，方便管理人員查找危險構(gòu)件的部位并進行維護，解除構(gòu)件危險狀態(tài)，防止水位過高產(chǎn)生承壓水頭過大等危險源，實現(xiàn)監(jiān)控過程的動態(tài)可視化管理.

圖8 地連墻施工專項方案

圖9 質(zhì)量安全追蹤管理流程

(a)安全狀態(tài)監(jiān)測點

(b)危險狀態(tài)監(jiān)測點

3.4 事后分析

廣聯(lián)達BIM-5D對施工后期文檔資料進行安全高效的管理，解決了紙質(zhì)資料容易丟失難以追溯的問題.每個部門按項目文檔資料分類設(shè)置專用文件夾，以便后期文件的查找、校對和管理.信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入廣聯(lián)達BIM-5D后上傳至云端，可以實現(xiàn)PC端、WEB端和移動端的數(shù)據(jù)同步.根據(jù)施工過程中質(zhì)量安全問題檢查情況的匯總，管理人員在WEB端對工程質(zhì)量安全進行多視角統(tǒng)計分析，從而對質(zhì)量活動結(jié)果評價認定.質(zhì)量安全統(tǒng)計分析表可以形成相似問題的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，為以后的事前管控提供智能化數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

4 結(jié)語

本文根據(jù)地鐵深基坑坍塌事故樹分析得出引發(fā)事故的重要度，利用BIM技術(shù)對深基坑施工過程的質(zhì)量安全管控進行了研究，得出如下結(jié)論：

1)通過Revit與廣聯(lián)達BIM-5D的結(jié)合，可簡單高效地構(gòu)建信息化集成控制模型，科學(xué)有效地管理質(zhì)量安全方面的數(shù)據(jù)信息.移動端、PC端、云端增強了各部門聯(lián)系與協(xié)作，保證了過程控制與結(jié)果校核能夠落實到人，避免出現(xiàn)信息滯后問題.通過模型整體或局部展示進行技術(shù)交底，學(xué)習(xí)施工方案的重難點，通過施工動畫模擬對關(guān)鍵工序的危險源進行分析，可以做好安全事故應(yīng)急預(yù)案.

2)通過有限元軟件Midas GTS對基坑開挖過程的模擬，可預(yù)測開挖過程中可能出現(xiàn)的問題，做好關(guān)鍵位置監(jiān)測點布置與監(jiān)控量測，確?；邮┕ぐ踩M行.Revit與Dynamo可視化編程結(jié)合的方式建立可視化監(jiān)測族，可以批量處理外部監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基坑施工過程的實時監(jiān)測與可視化控制，形成一個較傳統(tǒng)監(jiān)測手段更加科學(xué)高效的信息化管理流程.