BIM 技術(shù)在復(fù)雜市域環(huán)境逆錯(cuò)層式深基坑工程中的應(yīng)用

朱金林，袁梓瑞，徐成皓

（1.江蘇省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212111；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

隨著國(guó)家城市化和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，城市用地越來(lái)越緊張，地下空間與工程的深入開(kāi)發(fā)利用促使基坑工程的開(kāi)挖深度和規(guī)模不斷增大[1]。深基坑的地質(zhì)條件和周邊環(huán)境也趨于復(fù)雜化，其對(duì)基坑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是十分必要的，而常規(guī)手段獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)文字、表格及二維曲線無(wú)法讓管理人員直觀地看到基坑的整體變形時(shí)間趨勢(shì)[2]。建筑信息模型（building information modeling, BIM）是對(duì)于項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理的一種新型過(guò)程方法[3]。將BIM 技術(shù)引入項(xiàng)目施工中，建立BIM 模型，不僅可以對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行優(yōu)化布置、而且為復(fù)雜的施工工藝進(jìn)行技術(shù)交底、質(zhì)量檢查、資料收集及進(jìn)度模擬等提供理論依據(jù)[4]。

關(guān)于BIM 技術(shù)在基坑工程中的應(yīng)用方面，已有眾多學(xué)者開(kāi)展研究，如吳清平等[5]借助BIM 技術(shù)對(duì)上海SOHO 天山廣場(chǎng)超大深基坑的施工全過(guò)程進(jìn)行模擬與分析，結(jié)果表明，BIM 建立的三維模型及漫游動(dòng)畫(huà)可以對(duì)施工中具體部位與管理進(jìn)行預(yù)測(cè)和修正；彭曙光[6]通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)基坑設(shè)計(jì)與BIM 技術(shù)在深基坑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)BIM 技術(shù)對(duì)于提高設(shè)計(jì)效率及后期施工質(zhì)量具有顯著優(yōu)勢(shì)；楊敏[7]提出利用參數(shù)化建模的方法進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建，并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；慕冬冬[8]以武漢綠地中心深基坑工程為例，運(yùn)用BIM 軟件Revit建立基坑三維模型，并用Navisworks 軟件進(jìn)行碰撞檢查和施工模擬，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。張燕[9]在鐵四院總部大樓基坑工程中采用BIM 技術(shù)，建立三維地質(zhì)模型和支護(hù)結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)基坑開(kāi)挖的施工工況進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，BIM 技術(shù)不僅可以揭示地層的連續(xù)性、校核和檢驗(yàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)持力層位置，而且Revit 自帶的明細(xì)表功能可以快速、精確地統(tǒng)計(jì)各類支護(hù)構(gòu)件的數(shù)量以及開(kāi)挖土石方量。

綜上，BIM 技術(shù)在基坑工程中已有初步應(yīng)用，對(duì)基坑工程的合理施工具有重要指導(dǎo)意義，然而，由于BIM技術(shù)在基坑工程中的應(yīng)用仍處于起步階段，在復(fù)雜地域，無(wú)法表達(dá)地質(zhì)構(gòu)造，尤其對(duì)于復(fù)雜市域條件下的逆錯(cuò)層式深基坑工程的研究分析很難。因此，本文以丹陽(yáng)市某逆錯(cuò)層式深基坑工程為依托，采用工程實(shí)際地質(zhì)條件和巖土物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，并借助Revit、Fuzor 及Naviswork 等軟件，建立了該項(xiàng)目的巖土工程BIM 三維仿真模型。之后結(jié)合勘察資料及周邊環(huán)境，建立基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)一步模擬動(dòng)態(tài)施工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)三維立體支護(hù)效果，并對(duì)該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 工程背景

1.1 項(xiàng)目信息

擬建深基坑工程為丹陽(yáng)某建設(shè)項(xiàng)目地下室基坑支護(hù)工程，該項(xiàng)目位于鎮(zhèn)江丹陽(yáng)市新民中路南側(cè)、城河路西側(cè)。項(xiàng)目場(chǎng)地位于丹陽(yáng)市中心，周邊環(huán)境復(fù)雜，場(chǎng)地北側(cè)、東側(cè)及西側(cè)紅線外均存在已建5～6 層磚混結(jié)構(gòu)居民樓，場(chǎng)地南側(cè)紅線外為內(nèi)城河。

項(xiàng)目場(chǎng)地整平標(biāo)高為7.50m，地下室負(fù)二層底標(biāo)高為-2.50m，基坑的開(kāi)挖深度為10.00m。地下室負(fù)一層底標(biāo)高為1.30m，基坑挖深6.20m?；又荛L(zhǎng)約740m，基坑面積約22500m2?；有螤畈灰?guī)則，地下室負(fù)二層平面與地下室負(fù)一層平面不統(tǒng)一，存在錯(cuò)層。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)基坑工程巖土工程勘察報(bào)告，可知場(chǎng)地上覆土層為第四系全新統(tǒng)人工填土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土夾粉土，上更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土，下伏基巖為白堊系（K2）砂巖。本場(chǎng)地的地下水類型主要為孔隙潛水和基巖裂隙水?？紫稘撍跻?jiàn)水位埋深0.91～2.25m，穩(wěn)定水位埋深0.82～2.15m，水位為5.90～6.18m。水位受季節(jié)性變化及附近河水位影響較大，年變化幅度一般在1.2m 左右。含水層厚度較大，對(duì)工程施工影響較大?；娱_(kāi)挖影響范圍內(nèi)土層的主要物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 基坑工程特點(diǎn)

（1）場(chǎng)地周邊環(huán)境復(fù)雜。場(chǎng)地三面為已建5～6 層居民樓，一面為內(nèi)城河，若基坑開(kāi)挖導(dǎo)致周邊較大變形，將危及居民樓安全；若地下水未合理控制，內(nèi)城河中水將滲進(jìn)基坑內(nèi)，坑外水位下降較大，出現(xiàn)沉降問(wèn)題，造成安全事故。

（2）地下室形狀不規(guī)則，施工用地緊張，基坑開(kāi)挖邊線不規(guī)則。

（3）地下室負(fù)二層平面與地下室負(fù)一層平面不統(tǒng)一，存在錯(cuò)層，需考慮地下負(fù)一、二層相對(duì)高差。若采取支撐結(jié)構(gòu)體系，需明確支撐換撐與地下室底板施工順序。

（4）場(chǎng)地工程地質(zhì)條件差，地下水豐富，場(chǎng)地分布土層②層粉土具有一定的透水性，且③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土及④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土厚度較大，開(kāi)挖時(shí)易產(chǎn)生較大變形。

2 基坑工程模型的建立

根據(jù)初始設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用Revit 中的“概念體量”功能創(chuàng)建基坑體量。首先新建一個(gè)基坑概念體量，在概念體量?jī)?nèi)建立基坑標(biāo)高，然后導(dǎo)入CAD 設(shè)計(jì)圖紙，建立基坑體量，如圖1 所示。

圖1 基坑體量模型

把建立好的基坑體量模型載入到新建項(xiàng)目中，基坑形狀已基本確立，此時(shí)的三維基坑模型相當(dāng)于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中基坑土方開(kāi)挖后階段。之后，進(jìn)行基坑支護(hù)方案的設(shè)計(jì)與分析并建立基坑支護(hù)模型。

根據(jù)基坑工程施工順序，依次建立基坑坡面模型、支護(hù)樁、冠梁以及內(nèi)支撐等相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，最后，建立土釘、腰梁及其他剩余構(gòu)件。具體建模步驟如下。

（1）導(dǎo)入CAD 圖紙。

根據(jù)導(dǎo)入結(jié)果，依次建立基坑止水樁、支護(hù)樁、上部周圍擋土墻模型以及樁頂冠梁模型。擋土墻、支護(hù)樁、內(nèi)支撐、冠梁及格構(gòu)柱等局部構(gòu)件模型，整體基坑支護(hù)模型。由于后期需要對(duì)模型進(jìn)行可視化處理和施工模擬，本基坑模型需要按照相關(guān)施工工藝流程進(jìn)行展開(kāi)。

（2）支護(hù)樁、冠梁、內(nèi)支撐、土釘墻等主要基坑支護(hù)構(gòu)件創(chuàng)建后，還要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境建立基坑周邊道路、房屋、市政管道等模型。通過(guò)建立整體模型，可直觀地觀察到基坑與周邊環(huán)境的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 基坑三維模型

3 BIM 技術(shù)在基坑施工階段的應(yīng)用

BIM 技術(shù)主要應(yīng)用于基坑工程施工過(guò)程的模擬控制，一是對(duì)基坑工程的施工場(chǎng)地進(jìn)行動(dòng)態(tài)布置，如機(jī)械設(shè)備、建材構(gòu)件、倉(cāng)庫(kù)以及住宿區(qū)等；二是通過(guò)4D 施工模擬土方開(kāi)挖等情況，對(duì)復(fù)雜工序進(jìn)行三維可視化技術(shù)交底。

3.1 施工場(chǎng)地動(dòng)態(tài)布置

應(yīng)用BIM 技術(shù)對(duì)施工場(chǎng)地規(guī)劃動(dòng)態(tài)模擬，建立三維模型直觀顯示施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)過(guò)程，通過(guò)動(dòng)畫(huà)漫游查看施工現(xiàn)場(chǎng)布置是否合理，對(duì)不合理的地方進(jìn)行修改，特別是對(duì)深基坑施工現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)挖位置、材料堆放位置、土方外運(yùn)交通、機(jī)械運(yùn)行路徑等進(jìn)行規(guī)劃和布置。

3.2 4D 施工模擬

在Revit 中將建好的三維模型與基坑工程的施工進(jìn)度計(jì)劃相關(guān)聯(lián)，使模型中的每一個(gè)構(gòu)件和進(jìn)度計(jì)劃的每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)按真實(shí)施工的工序進(jìn)行模擬。在4D 施工模擬過(guò)程中，采用Fuzor 軟件對(duì)基坑工程中各項(xiàng)施工步驟和施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行模擬，對(duì)基坑三維模型進(jìn)行渲染和漫游，并進(jìn)行動(dòng)畫(huà)與視覺(jué)上的宣傳展示。

在基坑工程施工前，通過(guò)4D 施工模擬不同工況可以針對(duì)性解決施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，總結(jié)提出有效的解決方案，不僅有效地提高工程安全性，還可避免成本浪費(fèi)。在基坑工程施工過(guò)程中，4D 施工模擬可以合理地指導(dǎo)不同施工工況，節(jié)約施工工期，減少工程質(zhì)量事故。

4 支護(hù)結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題分析

通過(guò)BIM 模型，可有效解決各支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的碰撞問(wèn)題。通過(guò)調(diào)整各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的支護(hù)形式，可規(guī)避各支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。本工程中場(chǎng)地紅線外三面為已建居民樓，基坑支護(hù)應(yīng)采取措施保證居民樓及地下管線及構(gòu)筑物的安全，且地下室形狀不規(guī)則，上下層之間存在錯(cuò)層，需考慮地下負(fù)一、二層相對(duì)高差支護(hù)形式。通過(guò)Naviswork 軟件的碰撞功能對(duì)該項(xiàng)目的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)與項(xiàng)目部溝通后，本項(xiàng)目一、二級(jí)支護(hù)皆采用鉆孔灌注樁+混凝土內(nèi)支撐進(jìn)行支護(hù)，坑外采用三軸深攪樁止水，支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖3 所示。

圖3 梯級(jí)支護(hù)形式

5 結(jié)語(yǔ)

基于丹陽(yáng)市某復(fù)雜市域環(huán)境中逆錯(cuò)層式深基坑工程，根據(jù)現(xiàn)有的CAD 平面圖，采用Revit 軟件建立了復(fù)雜市域環(huán)境下深基坑工程三維可視化模型，借助Fuzor軟件對(duì)模型進(jìn)行了渲染和漫游，以論證基坑支護(hù)工程施工方案的可行性。最后，通過(guò)Naviswork 軟件的碰撞功能對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，利用Revit 可以預(yù)測(cè)施工場(chǎng)地布置的不合理之處；有利于在施工過(guò)程中縮短工期并精確判斷施工中所遇到的工程問(wèn)題；通過(guò)Naviswork 軟件的碰撞檢查可進(jìn)一步對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。BIM 技術(shù)在基坑工程施工中，有利于各方的信息共享和協(xié)調(diào)配合，有效的保證了工程質(zhì)量安全，其在深基坑的應(yīng)用中有廣泛的前景。