BIM技術(shù)在某水質(zhì)凈化廠工程復(fù)雜結(jié)構(gòu)深基坑中的應(yīng)用

曹 陽 李 順 金 旭

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，昆明 650000)

引言

作為建筑工程中的重要組成部分，深基坑工程本身具有地質(zhì)條件影響明顯、施工條件復(fù)雜以及專業(yè)性較強等特點[1]，在設(shè)計、施工管理、質(zhì)量和安全管理等方面都有很多重點和難點。當前， BIM技術(shù)主要用于方案展示和土方挖運過程的模擬[2]，而在輔助基坑施工安全、質(zhì)量、優(yōu)化控制方面的研究和應(yīng)用還處于初步發(fā)展階段。采用BIM技術(shù)進行精細化管理嘗試，十分符合當下工程建設(shè)的應(yīng)用需求[3]。

在深基坑設(shè)計的研究方面，慕冬冬等人應(yīng)用Revit軟件建立了基坑支護三維模型，主要從理論層面分析總結(jié)了BIM技術(shù)運用于深基坑工程時存在的問題和原因[4]；在質(zhì)量和進度管理方面，譚佩等人重點對深基坑3D模型的建立、基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)實時查看、復(fù)雜節(jié)點配筋以及施工進度模擬等內(nèi)容進行了闡述[5]，但目前利用BIM技術(shù)的基坑建模和計算技術(shù)都不夠成熟；在基坑工程信息化應(yīng)用方面，童希明等人在方案設(shè)計和基于模型的實施應(yīng)用方面進行了積極實踐，但在與信息化結(jié)合開發(fā)應(yīng)用方面略有欠缺[6]； 在安全風險識別方面，張志慧利用Revit二次開發(fā)技術(shù)構(gòu)建了深基坑施工安全識別系統(tǒng)，但該系統(tǒng)較為粗略，各項功能需要進一步完善[7]。

借助BIM技術(shù)的可視化、優(yōu)化性和模擬性等優(yōu)勢，可以更好地攻克深基坑工程在設(shè)計、施工管理等階段中存在的困難，而目前國內(nèi)在此領(lǐng)域的研究還比較薄弱。因此，本文對于BIM技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)深基坑中的應(yīng)用研究具有十分重要的意義。

1 項目設(shè)計施工全過程的BIM技術(shù)應(yīng)用

1.1 項目概況及介紹

本項目是位于廣東省珠海市的水質(zhì)凈化廠工程，處理規(guī)模5萬m3/d，占地面積50 084.15m2，項目結(jié)構(gòu)主體為整體地埋式結(jié)構(gòu)，工程主體埋于地下?；涌偯娣e36 678m2，基坑最深處為12.3m；項目基坑施工體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，總用樁量36 000余根。采用深層攪拌樁軟基處理+三軸攪拌樁止水帷幕+雙排鉆孔灌注樁(局部設(shè)1-2排錨索)支護，頂部設(shè)連接板，中部設(shè)連接腰梁，基坑支護平面的基坑支護形式，如圖1所示。

圖1 基坑支護平面圖

項目在設(shè)計施工全過程深度應(yīng)用BIM技術(shù)，以信息化的手段輔助解決基坑施工中的設(shè)計優(yōu)化、工序搭接、施工模擬、地質(zhì)研判、施工安全保障和基坑監(jiān)測等重難點問題，BIM技術(shù)在本項目中的應(yīng)用流程如圖2所示。

圖2 項目基坑工程BIM應(yīng)用流程

圖3 參數(shù)化建模

1.2 基坑BIM模型的創(chuàng)建

本項目采用Revit軟件、Civil 3D軟件、自主研發(fā)地質(zhì)建模軟件、無人機航拍傾斜攝影及360全景等技術(shù)進行基坑全方面模型的精細化創(chuàng)建。

1.2.1 場地布置、傾斜攝影、基坑全景數(shù)據(jù)創(chuàng)建

使用Revit軟件創(chuàng)建場地布置模型，對場地布置各項構(gòu)筑物設(shè)施設(shè)備等進行等比例建模，采用無人機航拍建立基坑施工區(qū)域及周邊區(qū)域傾斜攝影模型，將全景技術(shù)引入項目，使用全景相機采集基坑施工現(xiàn)場全景數(shù)據(jù)，進行全景漫游查看。

1.2.2 土方開挖模型、樁基BIM參數(shù)化建模、地質(zhì)模型創(chuàng)建

采用Civil 3D軟件根據(jù)土方開挖方案進行分層土方開挖模型的創(chuàng)建，使用Dynamo參數(shù)化建模方法進行基坑樁基模型的創(chuàng)建，樁基模型參數(shù)可變并實現(xiàn)了對3萬余根樁基的快速編碼。樁基模型與編碼掛接，最終將信息完整的模型集成到BIM技術(shù)服務(wù)平臺，如圖3所示。

地質(zhì)建模采用公司自主研發(fā)的地質(zhì)BIM軟件GeoBIM建立。地質(zhì)BIM軟件GeoBIM是基于三維設(shè)計軟件Rhino的二次開發(fā)軟件，其功能包含：①數(shù)據(jù)錄入、管理； ②工程地質(zhì)標準庫； ③三維建模功能； ④三維模型分析功能； ⑤圖件編繪； ⑥系統(tǒng)接口。

根據(jù)地勘資料采用地質(zhì)BIM軟件使用多S結(jié)合與集成技術(shù)創(chuàng)建地質(zhì)模型，對每一層地質(zhì)模型信息進行展示，如圖4所示。

(a)地質(zhì)建模

1.3 基于整合基坑模型的BIM應(yīng)用

1.3.1 設(shè)計優(yōu)化

基坑工程支護結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的優(yōu)化通過前期地勘資料集成管理、數(shù)據(jù)分析、地質(zhì)模型的建立，以輔助了解工程現(xiàn)場實際情況，深化地質(zhì)參數(shù)，進行方案設(shè)計，方便施工單位理解設(shè)計意圖。

在施工方案設(shè)計的優(yōu)化中通過基坑模型和場地布置開展應(yīng)用，根據(jù)基坑模型中土方和場地模型的分析，進行開挖區(qū)域劃分，按照土方開挖量和設(shè)計高程的不同，將基坑總體化分3個獨立的區(qū)域(1號、2號、3號基坑)進行平行施工開挖，根據(jù)不同開挖階段進行場內(nèi)運輸線路優(yōu)化，通過三維基坑場布模型對廠區(qū)內(nèi)道路進行展示，通過堆載和卸載土方模型對比方式對開挖前、開挖后基坑形象面貌進行展示，如圖5所示。

(a)基坑場布

1.3.2 工程量計算

依據(jù)基坑施工BIM模型進行土方開挖工程量、支護結(jié)構(gòu)樁基混凝土用量計算等。

(1)基于CIVIL 3D軟件按照開挖方案分三層創(chuàng)建土方開挖模型并計算總工程量為28 5481m3，施工項目部計算土方量為283 729m3；總體開挖土方量與計算土方量差距較小，采用BIM技術(shù)的土方開挖工程量計算為工程施工提供了可靠的數(shù)據(jù)支持；

(2)本項目中設(shè)計施工混泥土鉆孔灌注樁1 258根，止水帷幕三軸水泥攪拌樁1 430根、三軸加固攪拌樁322根，加固單軸水泥攪拌樁5 565根、封底水泥攪拌樁9 887根、出土道路單軸水泥攪拌樁10 246根、出土道路加固樁2 140根；按設(shè)計要求進行樁基、連接板、錨索、腰梁等模型的創(chuàng)建，并導(dǎo)入BIM軟件進行工程量統(tǒng)計，統(tǒng)計模型工程量經(jīng)與業(yè)主派駐第三方咨詢機構(gòu)的圖紙算量對比，誤差較小，在允許范圍之內(nèi)。

通過模型和傳統(tǒng)的圖紙算量對比分析，使工程量數(shù)據(jù)更加真實可靠，為后面的施工和資源投入、造價提供依據(jù)，基于BIM模型來測算造價數(shù)據(jù)，提高了測算的準確度和精度[8-9]。

1.3.3 圖紙會審與三維交底

基坑支護圖紙設(shè)計完成后組織進行圖紙會審和三維交底。

(1)基于基坑BIM模型進行三維細節(jié)查看、三維圖輸出，并對結(jié)構(gòu)圖紙、監(jiān)測點布置、支護樁設(shè)計及其計算參數(shù)進核查，輔助圖紙會審工作；

(2)基于基坑BIM模型三維交底，對開挖注意事項、開挖順序、出土(坡道設(shè)置、出土方式等)基底保護層留設(shè)進行說明，如圖6所示。

(a)基坑開挖分區(qū)

1.3.4 施工模擬與進度管控

借助BIM軟件所構(gòu)建的基礎(chǔ)模型完成對本項目基坑施工的直觀化施工模擬[10]，對基坑施工場地布置、施工進度、施工工序及施工工藝進行三維可視化演示，模擬情況如下：

(1)工程地質(zhì)模擬：場地由上至下依次為人工填土、淤泥及淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土及粗礫砂、第四系殘積層、全強風化花崗巖各巖層展示；

(2)基坑圍護結(jié)構(gòu)和施工順序模擬：圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)容、施工區(qū)域劃分和順序；

(3)支護結(jié)構(gòu)施工工藝模擬：①三軸水泥攪拌樁“兩攪兩噴”工藝； ②深層水泥攪拌樁“四攪四噴”工藝； ③旋挖灌注樁施工：開挖、成孔，吊安放鋼筋籠、澆筑、“跳三鉆一”施工方法； ④連接板施工； ⑤錨索施工：設(shè)備就位，造孔，索(桿)制作與安裝，注漿，張拉，鎖定，封錨工藝；

(4)基坑開挖模擬：監(jiān)測點布置、基坑開挖順序、開挖進度和施工流程等，如圖7 所示。

圖7 基坑施工模擬

采用全景相機對現(xiàn)場進行全景采集，如圖8所示，周期性、全局性、大范圍采集施工現(xiàn)場影像數(shù)據(jù)，及時記錄現(xiàn)場形象面貌和進度情況，通過統(tǒng)一的BIM技術(shù)服務(wù)平臺進行集成，支持平臺客戶端、移動端微信小程序進行查看，使得項目參建各方管理人員在不到現(xiàn)場的情況下可以隨時查看現(xiàn)場施工情況，強化基坑施工現(xiàn)場管理和進度管控。

圖8 基坑施工全景

2 基于項目BIM技術(shù)服務(wù)平臺的創(chuàng)新性研發(fā)應(yīng)用

2.1 模型及信息集成展示

模型及信息集成展示解決的問題是基于項目BIM技術(shù)服務(wù)平臺對基坑施工全過程資料進行收集上傳、統(tǒng)一管理，對三維模型、現(xiàn)場實景GIS模型及其附帶屬性信息進行集成，基于完整的數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)挖掘和三維應(yīng)用。具體包括采用信息化的手段開發(fā)基于平臺的地質(zhì)研判系統(tǒng)、樁基驗收系統(tǒng)、基坑監(jiān)測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)大屏等，對集成的基坑數(shù)據(jù)包括文檔資料、二維紙和三維模型等數(shù)據(jù)進行展示。

2.2 地質(zhì)研判及分析應(yīng)用

在本項目中采用信息化與BIM技術(shù)相融合的方法，使用BIM+GIS、Web技術(shù)，開發(fā)平臺端的地質(zhì)研判系統(tǒng)，集成地質(zhì)模型，實現(xiàn)在瀏覽器端的快速訪問。將每一層地質(zhì)信息以三維面貌的形式進行直觀展示，可以對地質(zhì)層信息進行詳細瀏覽和查詢。通過三維地質(zhì)模型和場地模型，基于地質(zhì)研判系統(tǒng)直接在地質(zhì)模型上進行虛擬鉆孔、虛擬打樁、長度面積測量和地質(zhì)剖切等，輔助決策基坑中樁的布置； 通過坐標設(shè)置、鉆孔尺寸設(shè)置進行虛擬鉆孔，并以截面、剖面的方式對鉆孔處地質(zhì)層信息面貌、深度等進行直觀展現(xiàn)； 結(jié)合現(xiàn)場實際情況、針對分區(qū)的某一樁基施工進行坐標定位、樁基直徑大小、樁基實際施工長度輸入，系統(tǒng)根據(jù)輸入設(shè)置自動進行模擬打樁，提供BIM樁長數(shù)據(jù)，并與設(shè)計樁長對比； 施工方在施工時，除參考設(shè)計提供的樁長數(shù)據(jù)外，更能同時參考BIM提供的樁長數(shù)據(jù)，降低因設(shè)計誤差而導(dǎo)致的施工樁長數(shù)據(jù)誤差。

圖9 基坑施工模擬打樁

2.3 樁基驗收

本項目中樁基數(shù)量較多，對36 000多根樁基資料審批簽章工作量大。通過BIM技術(shù)服務(wù)平臺對樁基驗收資料進行收集上傳，對樁基模型進行自動編碼，基于編碼實現(xiàn)驗收資料和樁基模型自動對應(yīng)。通過查看三維樁基施工模型同步查看該樁基的驗收資料，也可在不同界面下進行驗收資料和模型的單獨查看，支持檢索查詢、突出顯示等，實現(xiàn)基于BIM技術(shù)服務(wù)平臺的樁基驗收資料信息化管理，如圖10所示，同時實現(xiàn)對工程建設(shè)其他主體結(jié)構(gòu)驗收資料的集成管理。

圖10 樁基驗收

2.4 基坑監(jiān)測

BIM技術(shù)在基坑施工監(jiān)測方面憑借其可視化強、應(yīng)用廣泛和專業(yè)覆蓋性強的特點有著明顯的優(yōu)勢作用[11]。

本項目將BIM技術(shù)融入施工監(jiān)測當中為基坑監(jiān)測提供一種可行性方法， 通過BIM技術(shù)服務(wù)平臺對基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理和分析，圖表化、模型化的展示極大地方便了項目參與各方的溝通交流，如圖11所示。

(a)水平位移

3 結(jié)語

本文通過將BIM技術(shù)深度融入基坑施工當中，基于項目BIM技術(shù)服務(wù)平臺進行創(chuàng)新性開發(fā)應(yīng)用解決項目實際問題。

(1)通過基坑施工全過程模型創(chuàng)建，為項目工程量計算、施工模擬、場地布置等提供基礎(chǔ)支撐積累了大量深基坑建模成果和經(jīng)驗；

(2)成功搭建了服務(wù)于項目施工的地質(zhì)研判系統(tǒng)、樁基驗收系統(tǒng)、基坑監(jiān)測系統(tǒng)、三維集成與展示系統(tǒng)等，并在深基坑施工地質(zhì)研判、項目驗收、基坑監(jiān)測及模型與數(shù)據(jù)可視化方面取得良好效果；

(3)在平臺開發(fā)中將BIM與信息化相結(jié)合，拓展了BIM應(yīng)用的深度和廣度，充分發(fā)揮了BIM技術(shù)與信息化相結(jié)合的獨特優(yōu)勢和價值，為行業(yè)基坑施工BIM技術(shù)應(yīng)用提供參考示范。