何梁興

（寧夏中材巖土工程有限公司，寧夏 銀川 750021）

1 概述

建筑信息建模(BuildingInformationModeling，簡稱BIM)，是一種建筑信息的三維可視化手段，其具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、出圖性等特點。20 世紀70 年代，喬治亞理工大學的Chuck Eastman 教授提出了BIM 概念，BIM 研究至今已經(jīng)歷了萌芽、產(chǎn)生和發(fā)展三個階段。隨著我國對BIM 研究時間的增加，國家相關技術規(guī)范的陸續(xù)出臺，BIM 技術在建筑工程中得到了廣泛的推廣和應用，但其在地下空間工程領域內(nèi)應用相對比較少。對于基坑支護工程，以往的設計都是通過CAD 進行二維平面設計，其無法直觀的反應出擬開挖基坑的三維狀態(tài)，這使得和業(yè)主方、施工方等相關方的溝通交流很不方便，對于設計圖紙中的不合理處難以及時發(fā)現(xiàn)，對于施工過程不能進行直觀的指導，將BIM 技術引入到基坑支護工程中，有利于實現(xiàn)工程信息共享，優(yōu)化設計方案，促進溝通交流，提高協(xié)同工作效率，減少施工中的常見問題。本文基于BIM 技術，針對實際工程案例建立基坑支護模型，分析如何有效地將BIM 技術應用于基坑支護設計中，以期對類似工程起到一定參考作用。

2 工程概況

某建筑工程由2 棟29～30 層，3 棟1～2 層的商業(yè)用房，1棟1 層的垃圾中轉站組成，均設2 層地下室，采用框剪結構，筏板基礎。基坑形狀為矩形，長約137.9m，寬約112m，基坑預計開挖深度9.4m。場地北側為道路，南側為1～3 層已建建筑物，西側為已建小區(qū)，東側為2 層已建售樓部。本工程地質(zhì)條件較為簡單，土層自上而下分別為：①雜填土，雜色，松散-稍密、干-稍濕，主要由砂土、爐渣、建筑垃圾、舊建筑物基礎及少量生活垃圾組成，厚度約0.5m；②細砂層，黃褐色-青灰色、稍密-密實，稍濕-飽和狀，其礦物成份主要為長石、石英、云母片等，巨厚層。

場區(qū)屬河漫灘平原潛水區(qū)，水位埋深約5.0m，巖土以細砂為主，地下水主要受溝、渠側向滲入補給，其次為大氣降水的補給。地下水動態(tài)類型屬黃河側補蒸發(fā)～徑流型。地下水位動態(tài)主要受氣象、水文、灌溉等因素影響呈季節(jié)性變化。正常年份水位變化幅度在0.5～1.0m 之間。

3 基坑支護方案

基坑距離周邊道路和建筑物較近，開挖深度大，土層以細砂為主，基于基坑開挖深度、周邊環(huán)境以及場地地質(zhì)情況，基坑安全等級為Ⅰ級?；又ёo方式采用土釘墻+錨拉式排樁，即上部一定深度采用土釘墻支護，下部采用錨拉式灌注樁進行支護。a.土釘墻：地面下0～3m 采用1:0.5 土釘墻放坡，埋深1.5m 處設置一排注漿土釘，土釘長4.5m；b. 錨拉式排樁，土釘墻下部采用灌注樁，樁徑600mm，樁間距1.0m，樁長11.0m，灌注樁頂下1m、3.5m 各設置一般錨索，錨索長度分別為15m，腰梁采用14A 雙拼槽鋼，支護示意見圖1。

圖1 土釘墻+錨拉式排樁支護示意圖

4 BIM 模型的建立

4.1 建模準備

目前進行BIM 建模的軟件較多，本次基坑建模軟件主要使用CAD、Revit、Navisworks、Photoshop 以及會聲會影，通過各軟件配合使用進行BIM 基坑建模，以及后期施工動畫模擬。

4.2 BIM 建模流程

4.2.1 高程系統(tǒng)的建立：為了方便確定不同支護構件的空間位置，在整個三維建模前，需要在Revit 軟件中進行高程系統(tǒng)的建立。對于建模的高程系統(tǒng)，Revit 軟件中有兩種類型，一種是軟件自帶的系統(tǒng)標高，如結構平面標高、樓層平面標高、天花板平面標高等；另一種是用戶根據(jù)需要自行建立的標高。Revit 軟件中關于基坑模型標高基本沒有，用戶需要自行建立標高。以本工程為例，根據(jù)需求劃分出項目所涉及到的標高平面，如基坑底標高、基坑頂標高、樁端標高、樁頂標高、冠梁標高、錨索標高等，使用Revit 軟件中的“建筑”下的“標高”命令，建立高程系統(tǒng)。

4.2.2 基坑輪廓的建立：對于基坑輪廓形狀的建立，Revit軟件中一般采用體量進行建立，體量的創(chuàng)建一般包括內(nèi)建體量和概念體量，但是用體量創(chuàng)建基坑輪廓的速度慢，容易出錯，后期如果基坑形狀發(fā)生改變，基坑體量修改也十分麻煩，鑒于此，本工程使用Revit 軟件中的“地形表面”進行基坑輪廓形狀的建立，將CAD 中設計好的基坑平面布置圖鏈接至Revit 軟件中，使用軟件中的“體量和場地”下的“地形表面”工具，創(chuàng)建出地形表面，通過“拆分表面”工具，將地形表面拆分成不同的區(qū)域，通過“編輯表面”命令對邊界點的高程進行賦值，從而創(chuàng)建出基坑基本輪廓。

4.2.3 模型單元的建立：Revit 軟件建模過程中模型單元大體分為兩種，第一種是“系統(tǒng)族”，包含了大量的基本建筑圖元，如梁、板、柱等，系統(tǒng)族不能被創(chuàng)建、修改，無法通過外部文件載入，也不能保存在除項目之外的地方。第二種是“用戶自建族”，用戶可根據(jù)項目需要自行創(chuàng)建族，族可載入或載出到其他項目中，可重復利用。由于Revit“族”庫中基坑支護工程結構構件較少，對于軟件中沒有的模型單元采用“用戶自建族”的形式進行創(chuàng)建。以本工程為例，支護方式采用土釘墻+錨拉式排樁支護，因此需自行構件土釘墻面層、土釘、鋼板網(wǎng)、冠梁、灌注樁、錨索、腰梁等族，建族時將相關參數(shù)進行參數(shù)化編輯，方便后期建模過程中對族進行參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，本工程中采用的灌注樁樁徑為600mm，樁長11.0m，樁間距1.0m，當后期遇到類似工程或者需要變更樁參數(shù)時，可直接更改族類中的參數(shù)進行參數(shù)化編輯，方便基坑支護設計，灌注樁建族見圖2。

圖2 灌注樁建族示意圖

4.2.4 基坑支護模型的建立：當基坑建模所需要各個構件族建立完成，即開始對基坑進行整體建模，將CAD 圖紙鏈接至Revit 軟件中，通過平面設計圖紙確定支護結構的平面位置，通過已經(jīng)建立的高程系統(tǒng)及支護結構的立面圖確定其豎向位置，將基坑支護模型單元進行空間組合，組合過程中可對不同支護構件按設計方案進行參數(shù)化調(diào)整，使其可以正確的放置在三維空間中。以本工程為例，基坑模型按施工工藝順序進行模型組合，將建立好的構件族導入Revit 項目，對其空間位置進行調(diào)整，從而達到支護模型與實際支護一致，支護模型見圖3。

圖3 支護結構三維模型圖

5 BIM 技術的應用

5.1 優(yōu)化設計

基坑三維模型的建立過程中，可以對基坑空間結構具有一個立體直觀認識，對于其中的設計不合理處，可以進行快速檢查，及時修改。以本工程為例，通過檢查，發(fā)現(xiàn)基坑轉角處土釘墻面層連接不合理，基坑轉角處出現(xiàn)了兩個轉角，而實際上基坑面層連接處應為一個轉角，后對CAD 圖紙中的對應位置進行了檢查，發(fā)現(xiàn)圖紙設計中出現(xiàn)了錯誤，土釘墻面層分界線不是兩個角點的連線，從而對基坑平面設計圖紙進行了修改。

本文所舉例的項目所涉及的優(yōu)化設計只是BIM 技術進行優(yōu)化設計一個小點，對于基坑輪廓形狀較為復雜情況，基坑設計的優(yōu)化會更多，例如當基坑形狀出現(xiàn)陽角的情況下，基坑陽角部位的土釘、錨索等支護結構可能會發(fā)生交叉，陽角的土體卸荷較陰角大，應力狀態(tài)與常規(guī)開挖面、陰角開挖面不同，支護結構承受應力更大，對于基坑陽角土釘、錨索交叉，需要調(diào)整土釘、錨索埋置深度及入射角度，重新驗算安全性是否滿足要求。

在三維模型中整合基坑周邊的建筑物相關信息，可快速核查基坑支護結構與周建建筑物的安全距離。將周邊建筑物基礎的形式、埋置深度等相關信息整合到基坑三維模型中，導入至Navisworks 軟件中進行碰撞檢測，通過檢測報告，核查碰撞部位并進行調(diào)整。以本工程為例，通過碰撞檢測，發(fā)現(xiàn)基坑西側支護段部分錨索打到已建18 層商住樓地下室外墻上，這部分錨索如果按照原先入射角度、埋置深度在后期是無法施工的，這會嚴重影響支護結構的安全性，需要對該部位的支護調(diào)整，經(jīng)重新驗算后，決定將該部位錨索埋置深度加深2m，錨索入射角度從15°變?yōu)?0°，樁長由11m 增加值16m，對支護結構進行針對性的優(yōu)化設計，提高了支護結構的安全性，碰撞檢測見圖4。

圖4 錨索碰撞檢測示意圖

5.2 基坑施工動畫模擬

在Revit 中建立好三維基坑模型，將模型圖導入Navisworks 軟件中進行施工過程動畫模擬、漫游動畫，運用視頻編輯軟件將三維動畫進行剪輯拼接，即可完成施工動畫。

在與業(yè)主方進行設計方案匯報時，設計方案以三維模型形式展現(xiàn)出來，基坑的支護形式、支護方法以及基坑與周邊的道路、管線、建筑物相對關系也會一一反應在整個三維模型中，這可以大大提高設計人員與其他非相關專業(yè)人員的溝通效率，讓業(yè)主方對于整個技術方案有更加深入的了解，方便業(yè)主對于安全、造價、可行性、工期等多方面進行對比分析，選取最優(yōu)方案。當然，如果在投標過程中通過BIM 技術進行方案匯報，對于項目的成功簽約也會有一定幫助，基坑支護總體模型見圖5。

圖5 三維基坑支護總體模型展示

在與施工方進行交底的過程中，通過BIM 技術生成基坑施工模擬動畫，可更加清晰的展示項目施工過程中的關鍵施工節(jié)點、相關重要的施工數(shù)據(jù)，對于項目中的技術難點、要點，施工方可更加了解，有助于施工前提前發(fā)現(xiàn)問題解決問題。以本工程為例，基坑支護施工流程分為:a.灌注樁施工;b.第一板土方開挖;c.土釘墻施工、冠梁施工;d.第二板土方開挖;d.錨索施工、樁面層施工、腰梁施工;e.第三板土方開挖;f.錨索施工、樁面層施工、腰梁施工。對于這些施工階段可以按施工順序進行模擬施工，施工中的關節(jié)節(jié)點、工序可以更加直觀的展示出來。

6 結論

目前，BIM 技術在建筑行業(yè)廣泛應用已成為一種趨勢，通過采用BIM 技術可以將的二維設計圖紙轉化為三維立體模型，以本項目為例，基于BIM 技術建立三維基坑模型，得出以下結論。

6.1 可以形象直觀對工程進行展示，在設計方案匯報時，可見設計方案直觀的展示給業(yè)主單位，方便不同專業(yè)乃至不同行業(yè)人員進行交流，為項目的決策提供參考，提高各方的溝通交流效率，保障了工程項目的順利實施。

6.2 通過BIM 技術對基坑的可視化建模，可以使工程的關鍵部位一目了然，對各種結構之間進行碰撞檢測，可發(fā)現(xiàn)二維圖紙中不容易發(fā)現(xiàn)的問題，避免設計錯誤，使設計更加合理。

6.3 BIM 技術的基坑可視化建模，可演示施工不同階段，有效指導施工，避免紙質(zhì)交底的不足，提高施工質(zhì)量，減少錯誤。