國家會議中心二期基坑工程BIM技術應用研究

夏欣劉光磊

(1.北京北辰會展投資有限公司,北京 100101； 2.北京中巖大地科技股份有限公司，北京 100041)

1 工程概況

1.1 項目簡介

國家會議中心二期項目位于奧林匹克中心區(qū)，在國家會議中心(一期)和亞投行之間，總建筑面積為77萬m2，包括會議中心主體用地和配套B23、B24地塊。主體基坑占地面積約91 140m2，開挖深度為14.3 m。配套B23地塊基坑占地約25 000m2，開挖深度為20 m。項目周邊環(huán)境復雜、工程體量大、工期要求緊、質量安全控制要求嚴格。基坑作為最先施工的部分，在設計和施工方面面臨著巨大的壓力，國家會議中心二期效果圖如圖1所示。

圖1 國家會議中心二期效果圖

1.2 工程項目難點

(1)基坑深度大，本項目開挖最深處約20 m。

(2)周邊環(huán)境復雜，基坑南側緊鄰正在運營的地鐵15號線，且奧森公園站地鐵出入口位于主體用地紅線范圍內； 主體基坑內還有大量既有電線電纜穿過，施工期內不能受到任何影響，需要特殊保護，基坑鳥瞰圖如圖2所示。

(3)工期緊張，在2022年北京冬奧會時，本項目需正常投入運營。

(4)支護形式多，根據周邊環(huán)境的不同，需有針對性的采用不同的設計支護類型。

(5)安全要求嚴格，所有基坑側壁安全等級均為一級。

圖2 基坑鳥瞰圖

2 BIM組織與應用環(huán)境

2.1 BIM應用目標

為解決基坑深度大、周邊環(huán)境復雜、工期緊張、支護形式多、安全要求嚴格的難題，在基坑工程設計和施工上，通過BIM技術的應用實現以下目標：

(1)實現基坑工程BIM正向設計的初步應用探索，提高設計工作的效率。

(2)針對基坑工程施工特性，將BIM技術與現場管理相結合，實現基坑工程的精細化管理。

(3)將BIM技術與自動化監(jiān)測技術相結合，實現三維可視化自動監(jiān)測效果。

2.2 實施方案

本項目的BIM應用是巖土工程行業(yè)為實現數字化、信息化、智能化進行的探索。使用BIM正向設計建模技術，在項目設計階段建立全專業(yè)的模型，充分考慮周邊復雜環(huán)境對工程項目的影響[1]。 通過4D施工過程模擬，指導項目過程施工和管控[2]。 同時在管理平臺中集成三維模型基本屬性信息、基坑自動化監(jiān)測信息、自動伺服系統信息以及施工過程中物料信息，將BIM技術應用于基坑設計、施工全過程[3]。

在團隊組織上，本項目由業(yè)主方統一規(guī)劃管理。項目上實行全員參與制，多部門人員分工協作，保證BIM應用落地。建立企業(yè)、項目部和作業(yè)層協同工作管理架構，做到逐層細化、協同管控。通過定期組織培訓，讓項目施工人員能熟悉BIM技術，便于應用落地。

在應用依據上，項目前期BIM應用依據住建部發(fā)布的《建筑信息模型應用統一標準GB/T51212-2016》和《建筑信息模型施工應用標準GB/T51235-2017》，編制符合巖土工程項目特點的公司級BIM模型標準手冊和針對本工程的BIM實施方案。

在軟硬件環(huán)境建設上， BIM建模人員配備高性能處理器和專業(yè)圖形顯卡的主機。軟件層面使用Revit作為主要建模軟件，Midas、Plaxis3D、理正巖土作為分析軟件，建模大師、Dynamo與二次開發(fā)插件進行輔助深化設計[4]。使用Navisworks、Lumion、Fuzor、3DMax進行虛擬建造、施工工藝模擬。使用BIMFACE和自主研發(fā)的云平臺進行過程中的信息集成和施工質量交底。

3 BIM應用

3.1 針對基坑深度大

結合本項目的工程地質及水文條件，包括巖性類別、厚度、工程地質特征，以及含水層的類型、厚度等特征。同時考慮鄰近建(構)筑物和道路的地下管線，鄰近建(構)筑物的工程情況、結構形式、地下基礎形式、既有支護結構形式、結構完好情況，鄰近道路的通行情況、交通負載的影響。綜合考慮建設過程中對臨近地鐵、環(huán)形隧道等周邊環(huán)境的影響。

通過可視化編程設計對參數化構件的驅動，在計算后可以立即更新模型，經過綜合比對得出最優(yōu)設計方案[5-6]，保證基于BIM的正向設計能真正應用。在設計方案確定后，形成一套指導現場施工的精細模型與一套用于平臺集成信息的輕量化模型，二者同源，確保平臺管理與現場施工模型的一致性，主體基坑模型如圖3所示，配套基坑模型如圖4所示。

3.2 針對周邊環(huán)境復雜

盡可能收集地勘資料和周邊建(構)筑特別是地下管線、基礎的圖紙，建立全專業(yè)的模型，使BIM模型與實際情況保持一致。在設計階段充分利用勘察資料和涉及周邊環(huán)境的資料，建立地質模型、地上和地下環(huán)境模型[4]。 對于周邊復雜管線等因素，通過建模大師插件，將管線的CAD圖紙快速轉化為Revit中的三維信息模型，便于高效整合各專業(yè)模型[3]。 根據基礎輪廓、地下室外墻邊線、地下室分層平面圖確定基坑開挖線； 根據基坑支護受力情況和周邊構筑物、管線的限制，利用BIM技術可視化的特點[7]，高效調整設計方案，提前解決施工中可能遇到的碰撞問題，基坑及周邊環(huán)境模型如圖5所示。

圖3 主體基坑模型

圖4 配套基坑模型

圖5 基坑及周邊環(huán)境模型

3.3 針對工期緊張

本工程屬于2022年冬奧會項目，工期倒排，為保證工程能保質保量、如期交付，通過已有管理軟件的使用，實現了本項目基坑工程的BIM精細化管理。

3.3.1 進度管理

使用廣聯達斑馬夢龍網絡計劃編制工程進度計劃，再導入Navisworks軟件中，將時間及任務與BIM模型關聯，對工程進行施工進度模擬，直觀、快速地將施工計劃與實際工程進展相對比[8]。通過三維可視化溝通，加強管理團隊對成本、進度的直觀控制[9]，計劃進度排布如圖6所示，4D施工進度模擬如圖7所示。

圖6 計劃進度排布

圖7 4D施工進度模擬

3.3.2 技術管理

由于本項目周圍環(huán)境復雜，涉及到的施工工藝較多，施工質量控制要求很高。通過使用BIM技術對施工方案進行預演[8]，對灌注樁、砼(鋼)支撐、預應力錨桿、疏干井、注漿加固等多種工藝進行虛擬施工，從而全面把握和展示施工工藝關鍵點，同時也形成了標準工藝流程[10]，施工工藝流程模擬如圖8所示。

圖8 施工工藝流程模擬

3.3.3 質量管理

使用BIM技術的信息集成性，除了構件基本信息外，本工程中還集成了每個構件的材料信息，通過管理平臺可以讓管理人員隨時隨地在終端查看模型及對應屬性信息[11]。此外，使用BIM技術對關鍵性節(jié)點進行可視化交底，將關鍵節(jié)點模型上傳至云服務器，在現場通過終端進行比對查看，直觀展示關鍵節(jié)點構造形式，提高現場施工質量[12]，云平臺模型如圖9所示，現場終端查看模型如圖10所示。

圖9 云平臺模型

圖10 現場終端查看模型

3.3.4 成本管理

在設計、施工全過程，基于參數化BIM模型，關聯成本信息和進度信息，隨設計變更和施工進度自動統計工程量。全過程參與成本管控，將BIM模型算量和商務算量進行比對，誤差控制在6%以內，為預算及工程造價人員提供數據支撐[13]， BIM算量統計如圖11所示。

圖11 BIM算量統計

3.4 針對支護形式多

3.4.1 BIM正向設計

本項目根據周邊環(huán)境的不同，針對性的設計支護類型?；谄髽I(yè)版模型標準手冊建立基坑支護參數化構件族庫，與實際工程中所使用構件保持一致。然后利用Dynamo可視化編程工具，基于Revit API進行二次開發(fā)，實現在Revit中快速建模、參數化設計，解決本基坑工程中樁錨支護結構形式復雜多樣的建模難題，為設計方案選擇提供便利。在需要設計變更時可以通過修改參數，實現圖模聯動，快速變更模型，提高設計師的工作效率[5]。

將滿足IFC標準的BIM基坑支護模型運用接口軟件導入Plaxis3D中，對該基坑支護結構進行安全性分析計算，既發(fā)揮了 BIM 模型在三維可視化的優(yōu)勢，又能借助有限元計算分析軟件對基坑支護結構進行結構安全性分析，從而深化BIM 技術在基坑工程中的運用，為基坑工程設計方案提供理論支持，分剖面深化設計如圖12所示。

圖12 分剖面深化設計

3.4.2 模型出圖

利用BIM技術的可出圖性，在既有的軟件出圖功能上進行二次開發(fā)，添加自動標注基本屬性信息、補充缺失字體、自動生成構件信息列表以及圖層填充功能，提高了出圖的質量，自定義出圖如圖13所示。

圖13 自定義出圖

3.5 針對安全要求嚴格

針對基坑工程監(jiān)測特點，研發(fā)基于BIM的三維可視化監(jiān)測云平臺。以BIM模型作為信息交互的載體，設計建模時布設關鍵位置的監(jiān)測點，在模型測點上集成基坑自動化監(jiān)測信息和自動伺服系統信息，直觀可視化項目監(jiān)測概況。通過監(jiān)測系統平臺和監(jiān)測硬件設備之間通信協議的對接，完成監(jiān)測數值的識別接收。利用采集單元讀取不同的傳感器測得的監(jiān)測因素的數值，由傳輸設備上傳至服務器，進而在系統平臺上呈現出監(jiān)測效果。

在施工過程中，通過可視化的平臺，在BIM模型上直觀查看監(jiān)測系統布設位置和相應點位的監(jiān)測數據及對應的歷史曲線。通過設置監(jiān)測點位控制值，當監(jiān)測數據超過相應控制值時及時報警，并以郵件和短信形式通知到相關管理人員。對大量的監(jiān)測數據進行分析，通過人工和自動化監(jiān)測數據比對，全面把控基坑安全[14]?；贐IM的三維可視化監(jiān)測云平臺如圖14所示。

圖14 基于BIM的三維可視化監(jiān)測云平臺

4 應用效果

(1)在本工程中，通過BIM技術的應用，利用其可視化的效果，將地下環(huán)境透明化，弱化了基坑深度大的影響。并通過平臺及時更新信息，實現了各方的數據共享。

(2)通過周邊環(huán)境的精細建模，與支護結構整合到同一平臺，發(fā)現沖突問題680余處。其中支護結構自身碰撞500余處，支護結構與地下管線碰撞100余處，與環(huán)形隧道結構碰撞50余處，與地鐵車站通道碰撞30余處。提前發(fā)現問題，減少了施工過程中的設計變更和工期調整。

(3)在基于BIM技術的精細化管理方面，將BIM與進度、技術、質量、成本管理相結合。通過構件與時間、成本的關聯、方案的預演、終端平臺可視化的方式，實現了進度、技術、質量、成本的精細化管理，解決了傳統項目管理數據應用孤島的問題。

(4)支護形式多，給傳統的設計人員增加了繪圖的工作。通過基于BIM的正向設計，改變了傳統基坑支護設計的方式，實現了快速建模、一鍵出量、自動出圖、圖模聯動，減少了設計人員大量的重復性改圖工作。

(5)將BIM技術與自動化監(jiān)測技術相結合，達到了三維可視化自動監(jiān)測效果，節(jié)省了人力成本，提高了數據的真實性、及時性。實現了基坑的動態(tài)實時監(jiān)測，及時發(fā)現并消除隱患，保證了基坑的安全。

5 總結

本次基坑工程BIM技術應用于設計和施工全過程，是巖土工程信息化之路的一次有益探索，創(chuàng)新點如下：

(1)使用參數化構件和基于Revit的二次開發(fā)進行正向設計，同時充分考慮了復雜的周邊環(huán)境條件，為設計深化、優(yōu)化設計方案提供技術支持。

(2)通過施工進度及工藝模擬，滿足了嚴格的工期要求，加強了多方人員的溝通，提高了多部門配合工作的效率。通過集成構件和現場機械、物料的信息，建立了二維碼信息管理平臺，可以隨時隨地了解質量檢驗情況，提高現場管理效率。

(3)自主研發(fā)的BIM三維可視化自動監(jiān)測平臺，將BIM模型和監(jiān)測數據關聯，實現了可視化的實時監(jiān)控、分析預警等功能，相比傳統人工監(jiān)測，數據持續(xù)可靠度更高，節(jié)省人工。