夏欣劉光磊

(1.北京北辰會(huì)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(xiàng)目簡(jiǎn)介

國(guó)家會(huì)議中心二期項(xiàng)目位于奧林匹克中心區(qū)，在國(guó)家會(huì)議中心(一期)和亞投行之間，總建筑面積為77萬(wàn)m2，包括會(huì)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(kāi)挖深度為14.3 m。配套B23地塊基坑占地約25 000m2，開(kāi)挖深度為20 m。項(xiàng)目周邊環(huán)境復(fù)雜、工程體量大、工期要求緊、質(zhì)量安全控制要求嚴(yán)格?；幼鳛樽钕仁┕さ牟糠郑谠O(shè)計(jì)和施工方面面臨著巨大的壓力，國(guó)家會(huì)議中心二期效果圖如圖1所示。

圖1 國(guó)家會(huì)議中心二期效果圖

1.2 工程項(xiàng)目難點(diǎn)

(1)基坑深度大，本項(xiàng)目開(kāi)挖最深處約20 m。

(2)周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑南側(cè)緊鄰正在運(yùn)營(yíng)的地鐵15號(hào)線，且?jiàn)W森公園站地鐵出入口位于主體用地紅線范圍內(nèi)； 主體基坑內(nèi)還有大量既有電線電纜穿過(guò)，施工期內(nèi)不能受到任何影響，需要特殊保護(hù)，基坑鳥(niǎo)瞰圖如圖2所示。

(3)工期緊張，在2022年北京冬奧會(huì)時(shí)，本項(xiàng)目需正常投入運(yùn)營(yíng)。

(4)支護(hù)形式多，根據(jù)周邊環(huán)境的不同，需有針對(duì)性的采用不同的設(shè)計(jì)支護(hù)類型。

(5)安全要求嚴(yán)格，所有基坑側(cè)壁安全等級(jí)均為一級(jí)。

圖2 基坑鳥(niǎo)瞰圖

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

為解決基坑深度大、周邊環(huán)境復(fù)雜、工期緊張、支護(hù)形式多、安全要求嚴(yán)格的難題，在基坑工程設(shè)計(jì)和施工上，通過(guò)BIM技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

(1)實(shí)現(xiàn)基坑工程BIM正向設(shè)計(jì)的初步應(yīng)用探索，提高設(shè)計(jì)工作的效率。

(2)針對(duì)基坑工程施工特性，將BIM技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)管理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基坑工程的精細(xì)化管理。

(3)將BIM技術(shù)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)三維可視化自動(dòng)監(jiān)測(cè)效果。

2.2 實(shí)施方案

本項(xiàng)目的BIM應(yīng)用是巖土工程行業(yè)為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化、智能化進(jìn)行的探索。使用BIM正向設(shè)計(jì)建模技術(shù)，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段建立全專業(yè)的模型，充分考慮周邊復(fù)雜環(huán)境對(duì)工程項(xiàng)目的影響[1]。 通過(guò)4D施工過(guò)程模擬，指導(dǎo)項(xiàng)目過(guò)程施工和管控[2]。 同時(shí)在管理平臺(tái)中集成三維模型基本屬性信息、基坑自動(dòng)化監(jiān)測(cè)信息、自動(dòng)伺服系統(tǒng)信息以及施工過(guò)程中物料信息，將BIM技術(shù)應(yīng)用于基坑設(shè)計(jì)、施工全過(guò)程[3]。

在團(tuán)隊(duì)組織上，本項(xiàng)目由業(yè)主方統(tǒng)一規(guī)劃管理。項(xiàng)目上實(shí)行全員參與制，多部門(mén)人員分工協(xié)作，保證BIM應(yīng)用落地。建立企業(yè)、項(xiàng)目部和作業(yè)層協(xié)同工作管理架構(gòu)，做到逐層細(xì)化、協(xié)同管控。通過(guò)定期組織培訓(xùn)，讓項(xiàng)目施工人員能熟悉BIM技術(shù)，便于應(yīng)用落地。

在應(yīng)用依據(jù)上，項(xiàng)目前期BIM應(yīng)用依據(jù)住建部發(fā)布的《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB/T51212-2016》和《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)GB/T51235-2017》，編制符合巖土工程項(xiàng)目特點(diǎn)的公司級(jí)BIM模型標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)和針對(duì)本工程的BIM實(shí)施方案。

在軟硬件環(huán)境建設(shè)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(jī)。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(kāi)發(fā)插件進(jìn)行輔助深化設(shè)計(jì)[4]。使用Navisworks、Lumion、Fuzor、3DMax進(jìn)行虛擬建造、施工工藝模擬。使用BIMFACE和自主研發(fā)的云平臺(tái)進(jìn)行過(guò)程中的信息集成和施工質(zhì)量交底。

3 BIM應(yīng)用

3.1 針對(duì)基坑深度大

結(jié)合本項(xiàng)目的工程地質(zhì)及水文條件，包括巖性類別、厚度、工程地質(zhì)特征，以及含水層的類型、厚度等特征。同時(shí)考慮鄰近建(構(gòu))筑物和道路的地下管線，鄰近建(構(gòu))筑物的工程情況、結(jié)構(gòu)形式、地下基礎(chǔ)形式、既有支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)完好情況，鄰近道路的通行情況、交通負(fù)載的影響。綜合考慮建設(shè)過(guò)程中對(duì)臨近地鐵、環(huán)形隧道等周邊環(huán)境的影響。

通過(guò)可視化編程設(shè)計(jì)對(duì)參數(shù)化構(gòu)件的驅(qū)動(dòng)，在計(jì)算后可以立即更新模型，經(jīng)過(guò)綜合比對(duì)得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案[5-6]，保證基于BIM的正向設(shè)計(jì)能真正應(yīng)用。在設(shè)計(jì)方案確定后，形成一套指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的精細(xì)模型與一套用于平臺(tái)集成信息的輕量化模型，二者同源，確保平臺(tái)管理與現(xiàn)場(chǎng)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(duì)周邊環(huán)境復(fù)雜

盡可能收集地勘資料和周邊建(構(gòu))筑特別是地下管線、基礎(chǔ)的圖紙，建立全專業(yè)的模型，使BIM模型與實(shí)際情況保持一致。在設(shè)計(jì)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(zhì)模型、地上和地下環(huán)境模型[4]。 對(duì)于周邊復(fù)雜管線等因素，通過(guò)建模大師插件，將管線的CAD圖紙快速轉(zhuǎn)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(jù)基礎(chǔ)輪廓、地下室外墻邊線、地下室分層平面圖確定基坑開(kāi)挖線； 根據(jù)基坑支護(hù)受力情況和周邊構(gòu)筑物、管線的限制，利用BIM技術(shù)可視化的特點(diǎn)[7]，高效調(diào)整設(shè)計(jì)方案，提前解決施工中可能遇到的碰撞問(wèn)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(duì)工期緊張

本工程屬于2022年冬奧會(huì)項(xiàng)目，工期倒排，為保證工程能保質(zhì)保量、如期交付，通過(guò)已有管理軟件的使用，實(shí)現(xiàn)了本項(xiàng)目基坑工程的BIM精細(xì)化管理。

3.3.1 進(jìn)度管理

使用廣聯(lián)達(dá)斑馬夢(mèng)龍網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃編制工程進(jìn)度計(jì)劃，再導(dǎo)入Navisworks軟件中，將時(shí)間及任務(wù)與BIM模型關(guān)聯(lián)，對(duì)工程進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，直觀、快速地將施工計(jì)劃與實(shí)際工程進(jìn)展相對(duì)比[8]。通過(guò)三維可視化溝通，加強(qiáng)管理團(tuán)隊(duì)對(duì)成本、進(jìn)度的直觀控制[9]，計(jì)劃進(jìn)度排布如圖6所示，4D施工進(jìn)度模擬如圖7所示。

圖6 計(jì)劃進(jìn)度排布

圖7 4D施工進(jìn)度模擬

3.3.2 技術(shù)管理

由于本項(xiàng)目周圍環(huán)境復(fù)雜，涉及到的施工工藝較多，施工質(zhì)量控制要求很高。通過(guò)使用BIM技術(shù)對(duì)施工方案進(jìn)行預(yù)演[8]，對(duì)灌注樁、砼(鋼)支撐、預(yù)應(yīng)力錨桿、疏干井、注漿加固等多種工藝進(jìn)行虛擬施工，從而全面把握和展示施工工藝關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)也形成了標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量管理

使用BIM技術(shù)的信息集成性，除了構(gòu)件基本信息外，本工程中還集成了每個(gè)構(gòu)件的材料信息，通過(guò)管理平臺(tái)可以讓管理人員隨時(shí)隨地在終端查看模型及對(duì)應(yīng)屬性信息[11]。此外，使用BIM技術(shù)對(duì)關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可視化交底，將關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模型上傳至云服務(wù)器，在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)終端進(jìn)行比對(duì)查看，直觀展示關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，提高現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量[12]，云平臺(tái)模型如圖9所示，現(xiàn)場(chǎng)終端查看模型如圖10所示。

圖9 云平臺(tái)模型

圖10 現(xiàn)場(chǎng)終端查看模型

3.3.4 成本管理

在設(shè)計(jì)、施工全過(guò)程，基于參數(shù)化BIM模型，關(guān)聯(lián)成本信息和進(jìn)度信息，隨設(shè)計(jì)變更和施工進(jìn)度自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量。全過(guò)程參與成本管控，將BIM模型算量和商務(wù)算量進(jìn)行比對(duì)，誤差控制在6%以內(nèi)，為預(yù)算及工程造價(jià)人員提供數(shù)據(jù)支撐[13]， BIM算量統(tǒng)計(jì)如圖11所示。

圖11 BIM算量統(tǒng)計(jì)

3.4 針對(duì)支護(hù)形式多

3.4.1 BIM正向設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目根據(jù)周邊環(huán)境的不同，針對(duì)性的設(shè)計(jì)支護(hù)類型?；谄髽I(yè)版模型標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)建立基坑支護(hù)參數(shù)化構(gòu)件族庫(kù)，與實(shí)際工程中所使用構(gòu)件保持一致。然后利用Dynamo可視化編程工具，基于Revit API進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)在Revit中快速建模、參數(shù)化設(shè)計(jì)，解決本基坑工程中樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣的建模難題，為設(shè)計(jì)方案選擇提供便利。在需要設(shè)計(jì)變更時(shí)可以通過(guò)修改參數(shù)，實(shí)現(xiàn)圖模聯(lián)動(dòng)，快速變更模型，提高設(shè)計(jì)師的工作效率[5]。

將滿足IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM基坑支護(hù)模型運(yùn)用接口軟件導(dǎo)入Plaxis3D中，對(duì)該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性分析計(jì)算，既發(fā)揮了 BIM 模型在三維可視化的優(yōu)勢(shì)，又能借助有限元計(jì)算分析軟件對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性分析，從而深化BIM 技術(shù)在基坑工程中的運(yùn)用，為基坑工程設(shè)計(jì)方案提供理論支持，分剖面深化設(shè)計(jì)如圖12所示。

圖12 分剖面深化設(shè)計(jì)

3.4.2 模型出圖

利用BIM技術(shù)的可出圖性，在既有的軟件出圖功能上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，添加自動(dòng)標(biāo)注基本屬性信息、補(bǔ)充缺失字體、自動(dòng)生成構(gòu)件信息列表以及圖層填充功能，提高了出圖的質(zhì)量，自定義出圖如圖13所示。

圖13 自定義出圖

3.5 針對(duì)安全要求嚴(yán)格

針對(duì)基坑工程監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，研發(fā)基于BIM的三維可視化監(jiān)測(cè)云平臺(tái)。以BIM模型作為信息交互的載體，設(shè)計(jì)建模時(shí)布設(shè)關(guān)鍵位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在模型測(cè)點(diǎn)上集成基坑自動(dòng)化監(jiān)測(cè)信息和自動(dòng)伺服系統(tǒng)信息，直觀可視化項(xiàng)目監(jiān)測(cè)概況。通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)和監(jiān)測(cè)硬件設(shè)備之間通信協(xié)議的對(duì)接，完成監(jiān)測(cè)數(shù)值的識(shí)別接收。利用采集單元讀取不同的傳感器測(cè)得的監(jiān)測(cè)因素的數(shù)值，由傳輸設(shè)備上傳至服務(wù)器，進(jìn)而在系統(tǒng)平臺(tái)上呈現(xiàn)出監(jiān)測(cè)效果。

在施工過(guò)程中，通過(guò)可視化的平臺(tái)，在BIM模型上直觀查看監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)位置和相應(yīng)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的歷史曲線。通過(guò)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位控制值，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)相應(yīng)控制值時(shí)及時(shí)報(bào)警，并以郵件和短信形式通知到相關(guān)管理人員。對(duì)大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)人工和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)，全面把控基坑安全[14]?；贐IM的三維可視化監(jiān)測(cè)云平臺(tái)如圖14所示。

圖14 基于BIM的三維可視化監(jiān)測(cè)云平臺(tái)

4 應(yīng)用效果

(1)在本工程中，通過(guò)BIM技術(shù)的應(yīng)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(guò)平臺(tái)及時(shí)更新信息，實(shí)現(xiàn)了各方的數(shù)據(jù)共享。

(2)通過(guò)周邊環(huán)境的精細(xì)建模，與支護(hù)結(jié)構(gòu)整合到同一平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)沖突問(wèn)題680余處。其中支護(hù)結(jié)構(gòu)自身碰撞500余處，支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下管線碰撞100余處，與環(huán)形隧道結(jié)構(gòu)碰撞50余處，與地鐵車站通道碰撞30余處。提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少了施工過(guò)程中的設(shè)計(jì)變更和工期調(diào)整。

(3)在基于BIM技術(shù)的精細(xì)化管理方面，將BIM與進(jìn)度、技術(shù)、質(zhì)量、成本管理相結(jié)合。通過(guò)構(gòu)件與時(shí)間、成本的關(guān)聯(lián)、方案的預(yù)演、終端平臺(tái)可視化的方式，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)度、技術(shù)、質(zhì)量、成本的精細(xì)化管理，解決了傳統(tǒng)項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)應(yīng)用孤島的問(wèn)題。

(4)支護(hù)形式多，給傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員增加了繪圖的工作。通過(guò)基于BIM的正向設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的方式，實(shí)現(xiàn)了快速建模、一鍵出量、自動(dòng)出圖、圖模聯(lián)動(dòng)，減少了設(shè)計(jì)人員大量的重復(fù)性改圖工作。

(5)將BIM技術(shù)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到了三維可視化自動(dòng)監(jiān)測(cè)效果，節(jié)省了人力成本，提高了數(shù)據(jù)的真實(shí)性、及時(shí)性。實(shí)現(xiàn)了基坑的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除隱患，保證了基坑的安全。

5 總結(jié)

本次基坑工程BIM技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)和施工全過(guò)程，是巖土工程信息化之路的一次有益探索，創(chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)使用參數(shù)化構(gòu)件和基于Revit的二次開(kāi)發(fā)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，同時(shí)充分考慮了復(fù)雜的周邊環(huán)境條件，為設(shè)計(jì)深化、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供技術(shù)支持。

(2)通過(guò)施工進(jìn)度及工藝模擬，滿足了嚴(yán)格的工期要求，加強(qiáng)了多方人員的溝通，提高了多部門(mén)配合工作的效率。通過(guò)集成構(gòu)件和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械、物料的信息，建立了二維碼信息管理平臺(tái)，可以隨時(shí)隨地了解質(zhì)量檢驗(yàn)情況，提高現(xiàn)場(chǎng)管理效率。

(3)自主研發(fā)的BIM三維可視化自動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，將BIM模型和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了可視化的實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析預(yù)警等功能，相比傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)持續(xù)可靠度更高，節(jié)省人工。