基于Revit的基坑工程外族創(chuàng)建及BIM模型設(shè)計

尹傳忠，盧藝偉，王林菲，徐躍冰，蔣先平，王文軍，王曉密，劉磊磊*

（1.中國有色金屬長沙勘察設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410011；2.湖南師范大學地理科學學院，湖南 長沙 410081；3.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室（中南大學），湖南 長沙 410083；4.湖南省有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探查湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410083；5.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083）

0 引言

20世紀以來，我國經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展迅速，人們對于地下商場、地下交通工程等大規(guī)模地下建筑的需求不斷加大，幾十年來我國興建了許多地下建筑，比如?？谌赵聫V場、上海SOHO天山廣場等。地下建筑涉及的基坑工程施工區(qū)域性顯著（地質(zhì)條件復(fù)雜、巖土類型和參數(shù)多變）、風險大、時空效應(yīng)強（土體強度會隨著土體蠕變而降低）、綜合因素多（基坑工程受土體強度、地面變形、滲流效應(yīng)等多種因素的影響）和環(huán)境效應(yīng)突出（基坑施工極易導(dǎo)致土體變形，同時也會影響施工場地周圍的交通狀況）等特點，給基坑工程的設(shè)計和施工帶來了巨大的挑戰(zhàn)［1-3］。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是近些年來國內(nèi)外快速發(fā)展的一種技術(shù)。依靠信息技術(shù)手段，BIM不僅能夠提供建設(shè)項目的3D視覺效果，而且將施工過程信息數(shù)字化，進行基坑支護結(jié)構(gòu)與地下主體結(jié)構(gòu)的碰撞檢查，提前修改模型和設(shè)計圖紙，減少因碰撞問題造成的工程返工、工期延誤和經(jīng)濟損失，對加快我國基坑工程發(fā)展進程有著十分重要的意義［4-5］。族是BIM中對同一類別圖元的總稱，通常根據(jù)參數(shù)（屬性）集的共用、使用上的相同和圖形表示的相似來對其進行分組，由許多族構(gòu)成的集合稱為族庫。由于BIM軟件自帶的族有限，常需要從外部導(dǎo)入用戶自定義的族，這類外部導(dǎo)入的族稱為外族。

關(guān)于BIM技術(shù)在基坑工程中的應(yīng)用，眾多學者開展了大量研究。例如，蔣先平等（2022）［6］提出將基坑工程BIM全過程構(gòu)件族類化，利用Revit API二次開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)基坑工程造價自動化計算。孫斌等（2021）［7］依托蕭山機場項目南長廊S5基坑，通過Revit軟件創(chuàng)建了深基坑三維模型及該區(qū)域內(nèi)建筑的結(jié)構(gòu)模型，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。汪慧等（2021）［8］基于BIM技術(shù)對基坑工程施工仿真系統(tǒng)進行了研究，將Revit基坑工程模型進行信息化處理后，導(dǎo)出JSON格式模型，以JSON模型為核心，搭建Web端基坑工程施工仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)基坑工程的可視化施工仿真模擬。郭延輝等（2020）［9］以某商業(yè)小區(qū)深基坑工程為背景，對基坑的支護進行綜合設(shè)計，應(yīng)用Revit軟件建立該深基坑工程三維可視化模型，采用Navisworks軟件對深基坑工程施工工藝及流程進行仿真模擬。王薇（2020）［10］以某建筑深基坑支護工程為案例，采用Revit建立基坑三維模型，同時借助Navisworks進行施工模擬和碰撞檢查，檢查初始設(shè)計中存在的問題并對其進行優(yōu)化，從而使得設(shè)計過程更加高效準確，且在一定程度上實現(xiàn)了施工過程可視化。孫博（2019）［11］基于Autodesk Revit平臺，對基坑工程參數(shù)化建模及計算功能進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了基坑工程建模、計算和出圖一體化。袁志華等（2019）［12］采用Revit進行深基坑的建模，但建模精度和效率較差。曹建濤（2019）［13］基于Revit軟件平臺，開展了基于BIM技術(shù)的公路隧道正向設(shè)計研究，為基于三維地質(zhì)環(huán)境進行隧道正向設(shè)計提供參考。李暢（2019）［14］基于Revit二次開發(fā)技術(shù)，提出了一個針對類Weaire-Phelan（WP）多面體為基本單元的多面體空間結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模的新方法，實現(xiàn)了類WP多面體空間結(jié)構(gòu)的建模。

綜上所述，已有研究主要集中于BIM模型建成后的分析處理，而較少關(guān)注基坑工程相關(guān)Revit族庫的構(gòu)建和基坑工程建模方法，尚不能滿足基坑工程快速建模的需求。為此，針對當前Revit軟件中適用于基坑工程建模的族庫不完善的現(xiàn)狀，提出采用參數(shù)化建模方法，依據(jù)構(gòu)件標準化命名規(guī)則，構(gòu)建一套適用于基坑工程施工全過程的族庫，為BIM技術(shù)在基坑工程中的應(yīng)用提供模型基礎(chǔ)和支撐平臺。最后，結(jié)合實際工程案例三維建模分析驗證了所建族庫的有效性。

1 基坑工程外族類體系的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 軟件選擇

目前，主流的BIM軟件可以分為2大類：一類以建模為主，而另一類以模型輔助為主。本研究以實現(xiàn)建模功能為主，可選擇的主要建模軟件包括Revit、Bentley和ArchiCAD等。Bentley軟件用戶操作界面太過復(fù)雜，不易上手，且價格昂貴；ArchiCAD用戶操作界面友好，但其在批量建模方面的功能較差，難以快速建立復(fù)雜的基坑工程模型；而Revit軟件界面友好，具有強大的面功能，借此可快速布置項目中所需的構(gòu)件且方便定位，同時也可利用概念體量的方法，完成曲面造型的創(chuàng)建。因此，本研究最終以常用的Revit軟件作為主要設(shè)計工具。

1.2 基坑工程施工流程

基坑工程通常由2個階段組成：前期施工準備階段以及地基與基礎(chǔ)施工階段。第一階段主要包括工程設(shè)計資料處理及施工場地搭建，這一階段涉及到的主要是地層模型，不屬于外族類，需按照工程背景設(shè)計。第二階段主要為土方開挖→基坑支護→樁基施工→基礎(chǔ)墊層混凝土澆筑→防水層及保護層施工→基坑回填，可以通過族庫構(gòu)建實現(xiàn)。

1.3 外族類體系設(shè)計與構(gòu)建

依據(jù)前述基坑施工階段，本文將外族類體系分為：土方開挖體系、支護體系、保護及防水體系三大類。其中支護體系有多種形式，本文以樁錨支護、復(fù)合土釘墻支護及重力式水泥擋土墻支護為主要研究對象進行設(shè)計，外族類體系分類情況見表1。

表1 外族類體系情況Table 1 Foreign family system

1.3.1 土方開挖體系

土方開挖中涉及的模型需依據(jù)實際工程案例進行設(shè)計，且基坑工程一般分層分段施工，所以此分類體系中涉及的特定模型包括原始土體、各層各段土方開挖體以及開挖后土體模型，具體實施方法如下。

（1）原始土體模型。以工程項目資料為基礎(chǔ)，采用Revit概念體量中的拉伸功能完成。通過基坑工程平面圖中所得到的基坑頂邊線、底邊線及各自對應(yīng)的絕對標高，繪制出土體頂邊線及底邊線，選中此2條邊線構(gòu)建實心形狀即可得到原始土體。

（2）各層各段土方開挖體模型。利用基坑支護的剖面圖，整理出各段各層支護的絕對標高，計算出各層各段土方開挖頂邊緣線和底邊緣線的絕對標高。例如，在各層各段土方開挖時，若某層支護使用了錨桿（錨索），則土方開挖高度高于該層錨桿（錨索）標高0.50 m；若支護使用了土釘，則土方開挖高度高于該層土釘標高0.30 m。然后，以基坑底邊線為基礎(chǔ)，根據(jù)坡比及高差計算出的各層基坑開挖邊緣線，基于上一層的偏移量，繪制出各層各段基坑開挖邊緣線。偏移量計算公式為：

式中：Sx——偏移量；Sh——相鄰兩層開挖邊緣線高差；tanα——坡比。

選中相鄰兩層基坑邊緣線構(gòu)建實心形狀即可創(chuàng)建出一層開挖實體。

（3）開挖后土體模型。利用原始土體剪切某一階段所對應(yīng)的土方開挖體模型所得。

1.3.2 支護體系

基坑工程中常見的支護方式主要有以下幾種：重力式擋土墻、樁錨、復(fù)合土釘墻、地下連續(xù)墻、放坡。由于篇幅有限，此處僅以擋土墻和錨桿的構(gòu)建過程為例進行展示，其余幾種支護方式可以通過類似方法自主創(chuàng)建。

（1）重力式擋土墻。擋土墻采用常規(guī)模型樣本文件，利用拉伸功能完成，其可調(diào)節(jié)參數(shù)包括：墻長度、墻高度、墻底厚度、墻體厚度，具體創(chuàng)建流程如圖1所示。

圖1 擋土墻創(chuàng)建流程Fig.1 Procedure for creating the retaining wall

（2）錨桿組合。錨桿組合中包含錨桿及錨桿錨具，采用常規(guī)模型樣本文件，錨桿利用放樣功能完成。錨桿體需按照1.5～2 m的距離設(shè)置定位支架，而由于錨桿長度不一，所需的定位支架數(shù)也不同，因此本文創(chuàng)建了3種固定長度的錨桿：6、9、12 m。錨桿錨具利用空心融合、融合及拉伸功能完成，其可調(diào)節(jié)參數(shù)包括：保護罩長度及半徑、鋼筋長度及半徑、定位支架半徑、錨具孔半徑。以上參數(shù)可結(jié)合實際工程需要進行更改和設(shè)置。錨桿組合三維設(shè)計結(jié)果如圖2所示。

圖2 錨桿組合設(shè)計結(jié)果Fig.2 Design process for bolt components

此體系涉及到的構(gòu)件主要為止水帷幕和排水溝等。此處，僅以排水溝為例進行說明。排水溝一般是在基坑開挖完成后進行布置，目的是防止地面雨水滲入到基坑內(nèi)影響基坑邊坡的穩(wěn)定。排水溝的設(shè)計包括壁厚、深度等的確定。排水溝采用結(jié)構(gòu)框架樣本文件，利用拉伸功能完成，其可調(diào)節(jié)參數(shù)包括排水溝壁厚度、排水溝深度、長度和寬度。排水溝三維設(shè)計結(jié)果如圖3所示。

圖3 排水溝外族設(shè)計結(jié)果Fig.3 Design process for the drainage ditch

2 案例分析與施工模擬

2.1 工程背景

長沙市某基坑分為南北2個部分，北側(cè)地下層數(shù)為2層，南側(cè)地下層數(shù)為1層，標高介于36.64～43.47 m，平面圖如圖4所示?；又ёo長度約435 m，基坑支護共分為10段，各段的安全劃分等級如下：

圖4 基坑及其周圍環(huán)境示意Fig.4 Schematic illustration of the foundation pit and its surrounding environment

一級：BB’、B’C、CD、DD’、D’E；

二級：AB、EF、FG、GA；

三級：G’D。

設(shè)計采用放坡+復(fù)合土釘墻支護、人工挖孔灌注樁+錨索、自然放坡+噴射砼支護相結(jié)合的基坑支護方案?；邮┕み^程中，包含土方開挖、錨桿錨索、基坑底板澆筑、高壓噴射砼護坡、腰梁冠梁、止水帷幕等工序。由于篇幅限制，本文只展示AB段支護剖面，如圖5所示。

圖5 AB段支護剖面Fig.5 Support profile for Section AB

2.2 施工過程BIM模型構(gòu)建

2.2.1 土體方量創(chuàng)建

當X>X*時，Y1=0,Y2=1為兩個穩(wěn)定狀態(tài)，dY1/dt>0,dY2/dt<0,Y2=1是演化穩(wěn)定的戰(zhàn)略，政府激勵對策無效的概率為1，即激勵效果不佳，政府逐漸對被動房推廣失去信心，選擇放棄對被動房的激勵；反之，Y1=0表示被動房推廣激勵對策有效，政府對于被動房區(qū)域性推廣的信心加強。

（1）原始土體創(chuàng)建。首先新建外族，選擇概念體量文件，再將基坑平面圖的CAD文件插入到Revit中。 CAD圖的比例尺為1∶1000，因此導(dǎo)入Revit中時需將平面圖放大1000倍。利用拾取線功能，基于基坑平面圖拾取基坑底邊線，并將底邊線的標高設(shè)置為31.65 m，拾取頂邊線并將其標高設(shè)置為43.65 m（綜合各段基坑頂標高的最高標高），最后利用基坑底邊線與基坑頂邊線創(chuàng)建實心形狀即可完成原始土體的創(chuàng)建。

（2）開挖體創(chuàng)建。在原始土體的基礎(chǔ)上，首先根據(jù)標高整理結(jié)果新建出各層各段的標高，再利用基坑底邊線及各段各層的坡比計算所得偏移量，拾取出各層各段的開挖邊緣線到對應(yīng)標高，各層各段開挖邊緣線如圖6所示。同段中相鄰兩段開挖邊緣線即可形成一層開挖實體，各層各段土方開挖實體如圖7所示。

圖6 各層各段開挖邊緣線Fig.6 Excavation edge lines for different layers and segments

圖7 各層各段土方開挖實體Fig.7 Soil excavation entities for different layers and segments

（3）開挖后土體模型創(chuàng)建。本工程中各段支護層數(shù)不同，支護層數(shù)最多的段為AB段，共7層支護且該段的基坑頂標高低于D’E段基坑頂標高，因此本次工程將分成9層進行施工。首先，需創(chuàng)建出9個土方開挖后的土體模型，開挖后的土體模型以原始土體與開挖體為基礎(chǔ)，利用修改中的剪切工具，將開挖體設(shè)置為空心（如進行第二次開挖后的土體模型創(chuàng)建時，保留各段自上而下的前兩層的開挖體，并設(shè)置為空心，刪除其余部分的開挖體）與原始土體進行剪切。各土體開挖模型創(chuàng)建方法同理，部分開挖后土體模型如圖8所示。

圖8 開挖后土體模型Fig.8 Soil model after excavation

2.2.2 基坑施工過程模型創(chuàng)建

需要創(chuàng)建出各段各層支護結(jié)構(gòu)的標高。由于各次整體模型中所用到的土體開挖模型不同，為保證位置不變，需將9個開挖模型命名成相同名字，載入時進行替換即可。基坑支護結(jié)構(gòu)的布置需在其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)平面進行放置，放置過程主要通過陣列、移動、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)、組等修改功能完成。由于篇幅限制，僅以D′E段第一層支護為例對模型的具體構(gòu)件進行說明。D′E段第一層布置的支護構(gòu)造為6000 mm長錨桿，錨桿間距為1000 mm。首先，打開D’E段第一層錨桿標高對應(yīng)的結(jié)構(gòu)平面，選擇對應(yīng)錨桿與錨桿錨具創(chuàng)建實例，通過修改功能將錨桿與錨桿錨具進行組合，并放置到對應(yīng)起始位置，再選中錨桿及錨桿錨具進行陣列，陣列的間距為1000 mm，最終完成D′E段第一層錨桿支護的布置，布置結(jié)果平面圖如圖9所示，細節(jié)圖如圖10所示。錨桿支護完成后還需創(chuàng)建噴射砼，本項目的噴射砼厚度為120 mm，利用墻結(jié)構(gòu)族將墻厚度設(shè)置為120 mm，通過拾取土體表面即可完成噴射砼的創(chuàng)建。

圖9 D′E段第一層結(jié)構(gòu)平面Fig.9 Overview of the structure of the first floor for Section D′E

圖10 D′E段細節(jié)Fig.10 Design details for Section D′E

其他支護構(gòu)件的放置方法與D′E段第一層錨桿的布置方法相同，樁支護構(gòu)件的間距為2000 mm，其余支護構(gòu)件的間距皆為1000 mm，止水帷幕寬度為1000 mm，位于樁錨支護段的止水帷幕放置在相鄰兩樁之間，其余部分止水帷幕需距離坡頂外側(cè)800 mm以上?；拥椎牡装鍎t利用Revit自帶的樓板族，通過拾取下基坑底面創(chuàng)建，厚度為0.5 m。通過以上方法即可完成此項目各階段的模型構(gòu)建。

2.3 施工過程BIM模型構(gòu)建

在每一階段模型構(gòu)建完成后需進行碰撞檢查，本研究直接利用Revit平臺自帶的碰撞檢查功能，碰撞檢查就是檢查兩實體對象是否在空間上相交（本項目中錨具與錨索或錨桿之間、腰梁與錨桿及錨具之間、樁與冠梁之間的相交是允許有的，因為在實際施工中它們之間是必須有相交之處才能結(jié)合起來），若存在相交則會產(chǎn)生沖突報告，這里可看到第二階段的原始設(shè)計是存在問題的，沖突結(jié)果如圖11所示，這就需要對對存在問題的族實例進行優(yōu)化。

圖11 碰撞檢測沖突結(jié)果Fig.11 Conflict results of collision detection

優(yōu)化原則是調(diào)整族實例的傾斜角度，因為小角度偏移對支護作用的影響最小。借助碰撞檢查在實際施工前就可以盡早發(fā)現(xiàn)會發(fā)生的問題及矛盾，對不合理的設(shè)計方案進行及時調(diào)整或與項目方進行及時溝通商討出最佳施工方案，大大提高項目施工效率，加快進度、節(jié)約成本。為了便于基坑施工過程仿真模擬，本文將基坑施工過程分為9個階段，并創(chuàng)建了各個階段的土方開挖模型。第1階段，基坑原始土體未開挖；第2～8階段，逐層開挖并進行支護；第9階段，基坑施工過程完成。通過對每一階段都進行碰撞檢查，最終得到9個階段的最優(yōu)模型，各階段優(yōu)化模型如圖12所示。

圖12 不同施工階段基坑土方開挖模型Fig.12 Soil excavation models at different stages

2.4 施工過程仿真模擬

本研究進行施工過程仿真模擬選取的軟件是Fuzor。Fuzor具有強大的渲染功能，可以與Revit雙向?qū)崟r同步模型［15］，模型修改便利，因此利用Fuzor可快速完成施工過程可視化模擬，可視化模擬流程如圖13所示。

圖13 施工模擬流程Fig.13 Flow chart for construction simulation

模型導(dǎo)入時需要設(shè)定一些參數(shù)，如模型的精細程度、坐標等。模型成功導(dǎo)入后，可在Fuzor軟件中看到渲染后的模型，如圖14所示。在Fuzor中進行施工模擬的關(guān)鍵是創(chuàng)建施工計劃和進行動畫編輯，此外還可以修改地形、日光分析和天氣等場景設(shè)置，進行更加真實的施工模擬。最后，視點動畫選擇視頻質(zhì)量、視頻幀速率、視頻分辨率及視頻寬高比，輸出為MP4格式的視頻文件，動畫片段如圖15所示。通常質(zhì)量越高分辨率越高對應(yīng)的渲染時間也就越長，而輸出的視頻精度也越高。

圖14 模型成功導(dǎo)入Fig.14 Models successfully imported into Fuzor

圖15 仿真模擬片段Fig.15 Simulation footage

3 結(jié)論

本文針對BIM在基坑工程中的應(yīng)用局限于對某一特定類型或者特定流程的分析，而缺少關(guān)于基坑施工各類型全過程的BIM應(yīng)用研究現(xiàn)象，提出利用Revit以及Fuzor軟件完成基坑施工各類型全過程模擬的目標，并以實際工程案例進行分析完成研究成果的展示，得到的主要結(jié)論如下：

（1）針對Revit軟件基坑工程族庫不完善的現(xiàn)狀，本文在已有族庫的基礎(chǔ)上開展外族及特定模型的設(shè)計，對Revit軟件的族庫進行補充，形成了一套包含錨桿、樁、土釘、錨索、錨桿錨具、錨索錨具、排水溝、止水帷幕、冠梁、腰梁等用于基坑工程的族庫，該族庫可以用于BIM模型的快速創(chuàng)建，使設(shè)計人員能專注于基坑結(jié)構(gòu)的設(shè)計而非模型的設(shè)計。

（2）提出了一種基坑土方開挖模型的創(chuàng)建方法，該方法使得在Fuzor軟件中進行土方開挖模擬時較為簡便，提高了施工模擬的效率，為其他類似工程模型的創(chuàng)建及施工模擬提供了一種有效的方法。

（3）提出采用參數(shù)化建模方法，并依據(jù)構(gòu)件標準化命名規(guī)則，構(gòu)建了一套適用于基坑工程施工全過程的族庫。結(jié)合實際工程案例，采用所設(shè)計的族庫進行基坑三維模型的構(gòu)建，并在Fuzor中進行施工過程的仿真模擬，驗證了所設(shè)計族庫的有效性，為業(yè)主、設(shè)計、施工、管理等人員提供了工程項目可視化手段，為BIM技術(shù)在基坑工程中的應(yīng)用提供模型基礎(chǔ)和平臺支撐。