胡云進 虞 盛唐小東

(1.浙江省巖石力學與地質災害重點實驗室，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000；3.浙江省山體地質災害防治協(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和環(huán)境效應強、綜合因數(shù)重、風險系數(shù)高等特點，因此深基坑工程的質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量安全管控成為地鐵車站施工的關鍵.

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、技術實施因素和監(jiān)測因素等.傳統(tǒng)基坑工程的質量安全控制主要是在土方開挖、降水施工、支護結構施工等專項施工過程中按照設計要求和技術規(guī)范進行管控，然而實際施工中由于管理水平不高、材料設備缺陷、施工方法不當?shù)仍蛟谝恍┲匾课缓完P鍵工序不能嚴格達到質量標準；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，由于沒有集成技術參數(shù)，項目參建各方對施工規(guī)范、規(guī)程及相關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技術具有可視化、信息化、模擬性、協(xié)調性、集成性等優(yōu)勢[4]，可以有效解決這些問題.但目前國內外主要將BIM技術應用于基坑優(yōu)化設計、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、支撐圍護結構與土建結構碰撞檢查、管線排布優(yōu)化等應用.刑民等[6]將Revit地鐵車站模型導入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)化施工設計.Azhar等[7]以奧本大學施工項目為例提出一種基于BIM技術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，進行監(jiān)測信息關聯(lián)、復雜節(jié)點配筋、施工進度模擬等工作，加強設計、施工、監(jiān)測之間的溝通和信息共享.Wang等[8]利用BIM技術、光測距技術(LiDAR)，開發(fā)了一套激光實時跟蹤檢測與點云坐標轉換系統(tǒng)，方便施工現(xiàn)場質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技術實時監(jiān)控和預警.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參數(shù)導入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)轉換.

綜上所述，BIM技術與WEB系統(tǒng)、三維掃描、有限元軟件等技術的結合在基坑質量安全管控上發(fā)揮了一定作用，但這些新技術的研究尚處于起步階段，缺乏相關技術標準規(guī)范，沒有從地鐵車站施工質量控制原則上，加強基坑施工過程質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”六大質量控制因素，結合BIM-5D構建出關聯(lián)質量安全維度的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技術在地鐵深基坑施工全過程、全方位、全員共享的應用.

1 基于BIM技術的地鐵深基坑集成控制模型構建

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構模型的設計模塊，像基坑工程里的地連墻、鋼支撐、格構柱等異形構件，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)化族構件.構成模型的這些族構件，也就是組成3D模型的基礎圖元，包含了幾何、材質等豐富的屬性信息，可以滿足深基坑工程構件信息完備性的需求.

1.2 信息化集成控制模型構建

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

1.2.1 質量安全影響因素

為了針對性地集成質量安全信息，首先需要分析深基坑各專項施工的質量通病，從基坑事故致因理論中總結出影響質量安全的有關因素.基坑事故致因機理調查研究表明，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)計算出基本事件結構重要度.

(1)

IK(i)表示基本事件Xi結構重要度的近似值，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所示結構重要度排序進行經濟高效的安全管理.

1.2.2 質量安全維度關聯(lián)

建筑工程施工項目質量控制內容包括：單位

表1 最小徑集值分布表

表2 致因因素重要度

工程質量、分部工程質量、分項工程質量、檢驗批質量、工序質量[14].從最小單元工序質量的“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”屬性信息中關聯(lián)支護結構型號、材質、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用質量信息，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件中關聯(lián)工藝工法的施工信息和質量檢測資料、質量標準文件的工程信息，施工人員利用集成質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技術的支護體系變形分析

根據(jù)前文事故樹分析結果可知，基坑變形重點位置的及時監(jiān)控是保障基坑質量安全的重要環(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構變形的規(guī)律性[15].Midas GTS不需要二次開發(fā)數(shù)據(jù)導入接口，通過“Midas Link for Revit Structure 2018”插件將BIM基坑模型轉換成.mgt格式從而得到幾何模型，不斷調整網格大小和參數(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劃分網格，④定義荷載及邊界條件，⑤設定分析條件并分析計算，⑥查看結果.結合實際監(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，預測重點監(jiān)測位置，提前做好應急預案.

2.2 基于BIM技術的基坑監(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技術的監(jiān)測點族建立

基于Revit的參數(shù)化設計輔助工具Dynamo，相對于Revit API復雜繁瑣的開發(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)測內容在Revit上創(chuàng)建圍護結構水平和豎向位移監(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)設置模塊、外部監(jiān)測數(shù)據(jù)導入模塊、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件設置族類型、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)導入族構件中，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)與設定值比較，根據(jù)判定結果進行顏色分階顯示.編制完成的Revit水位監(jiān)測構件族，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件的安全狀況.

2.3 基于BIM技術的全過程應用流程

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防、事中控制、事后分析三個階段的應用流程，利用BIM分布式管理模式在完成施工任務的同時，滿足各部門BIM應用需求，保證過程控制與結果校核能夠落實到人.

(a)監(jiān)測點族參數(shù)設置

(b)外部監(jiān)測數(shù)據(jù)導入

(c)監(jiān)測點族顏色分階顯示

圖3 BIM技術全過程應用流程

3 工程應用及效果分析

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，圍護結構采用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，圍護結構采用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，組織技術人員利用BIM可視化模型進行技術交底，在三維模型中展示施工重點、難點，細化到每個工藝復雜節(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?；又ёo結構的精細化施工.

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，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)學者的研究結果表明：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格尺寸取5 m，砼支撐、鋼支撐、鋼圍檁、腰梁和冠梁的網格尺寸取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模型關聯(lián)，工藝流程創(chuàng)建完成后在跟蹤模塊里設置工序“責任人”，每個施工工序的所有構件完成時，會通知相應責任人.

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措施，達到施工質量要求的準確性和規(guī)范性.經過培訓的工序檢查小組和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”等質量安全問題時，手機端拍照上傳到云端，消息將會推送給責任人，直到確認整改完成復檢通過之后關閉問題，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生安全隱患.

現(xiàn)場的監(jiān)測工作可與BIM基坑模型相結合，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，如果超過預先設定閾值的危險構件，會發(fā)出紅色預警，方便管理人員查找危險構件的部位并進行維護，解除構件危險狀態(tài)，防止水位過高產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)施工過程中質量安全問題檢查情況的匯總，管理人員在WEB端對工程質量安全進行多視角統(tǒng)計分析，從而對質量活動結果評價認定.質量安全統(tǒng)計分析表可以形成相似問題的經驗數(shù)據(jù)庫，為以后的事前管控提供智能化數(shù)據(jù)基礎.

4 結語

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技術對深基坑施工過程的質量安全管控進行了研究，得出如下結論：

1)通過Revit與廣聯(lián)達BIM-5D的結合，可簡單高效地構建信息化集成控制模型，科學有效地管理質量安全方面的數(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交底，學習施工方案的重難點，通過施工動畫模擬對關鍵工序的危險源進行分析，可以做好安全事故應急預案.

2)通過有限元軟件Midas GTS對基坑開挖過程的模擬，可預測開挖過程中可能出現(xiàn)的問題，做好關鍵位置監(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)測手段更加科學高效的信息化管理流程.