BIM技术在基坑工程设计中的应用

彭曙光

（安徽建筑工业学院，合肥 230601）

BIM技术在基坑工程设计中的应用

彭曙光

（安徽建筑工业学院，合肥 230601）

基坑工程的设计、施工、监测是一个持续动态的过程。介绍利用BIM技术高度集成的项目结构、信息共享、虚拟信息结构模型的特点，创建三维信息化基坑模型，实现虚拟设计和智能设计。

BIM；基坑工程；虚拟设计；IFC标准

基坑的设计、施工和监测是深基坑工程的三大主要内容，也是工程质量得到保证的三大基本要素。随着我国基本建设的发展，大深度、大面积、场地条件和周边环境复杂、施工周期长、成本控制严格的基坑工程越来越多，给设计、施工、监测带来了一系列的问题：（1）需要提供多个设计方案，进行技术经济比较；（2）考虑因素多，荷载情况复杂；（3）施工步骤多，工况复杂；（4）周边环境复杂，地面建筑及地下管网等对支护有很高要求；（5）不可预见的因素增加，技术、经济控制难度加大；（6）协作单位多，多方信息沟通与共享意愿增加［1］。

BIM（Building Information Modeling）技术是指利用数字技术进行建设项目设计、施工、运营的过程，技术的核心是一个信息丰富的多维项目模型—BIM模型。在建筑工程整个生命周期中，BIM可以实现集成管理，因此 BIM既包括建筑物的信息模型，也包括建筑工程管理行为模型。将建筑物的信息模型和建筑工程的管理行为模型完美结合，便可以利用建筑信息模型模拟实际的建筑工程建设行为。BIM的出现改变了建筑项目参与各方(业主、建筑师、工程师、施工承包商、后期物业管理运维等 )的协作和交付方式，使各方都能提高生产效率［2］。

将BIM技术引入基坑工程特别是复杂深大基坑的设计、施工、监测过程，通过创建基坑的BIM信息模型，打破基坑设计、施工和监测之间的传统隔阂，实现多方无障碍的信息共享，让不同的团队可以共同工作，通过三维可视化沟通加强管理团队对成本、进度计划及质量的直观控制，提高工作效率，降低差错率，减少现场返工，节约投资，并给使用者带来新增价值。

1 基于BIM的基坑设计的优势

1.1 传统设计方法的不足之处

传统的基坑设计分计算和绘图两部分。计算模型由独立的计算软件创建，设计者根据计算结果，另行绘制二维平面图、立面图、剖面图、详图，以及设计说明、材料表等。传统的基坑设计常常导致信息在各种复杂的平面、立面、剖面图之间互相矛盾，管线、构件之间的碰撞、错位，尺寸标注的错误难以避免。而随着深大复杂基坑的涌现，支护结构、原有地面建筑、地下构筑物、管线的造型和空间关系复杂，传统二维CAD设计方式在设计表达和协同上的问题显得更加突出。这种设计方式使得每张图纸都是一个相对独立的组成部分，由于没有一个能有效整合所有信息以保证数据完整性的中央信息数据库，这些分散的资料必须依靠专业人员的解读才能相互联系成为一个可理解的整体。因此，保证各项设计内容和各专业间的协同配合，使设计意图在各相关方的无障碍沟通和共享，是提高项目整合度和协作度的关键［3］。

1.2 利用多维信息模型替代二维绘图

基于BIM的基坑设计是通过创建包括各种信息的三维基坑模型（BIM模型），实现二维设计向三维动态可视化设计转变，然后根据3D模型自动生成各种图形和文档，而且始终与模型逻辑相关，当模型发生变化时，相关联的图形和文档将自动更新；BIM模型中所创建的对象存在着内建的逻辑关联关系，当某个对象发生变化时，与之关联的对象随之变化［3］。实现不同专业设计之间的信息共享。各专业系统可从信息模型中获取所需的设计参数和相关信息，不需要重复录入数据，避免数据冗余、歧义和错误。

1.3 实现各专业之间的协同设计和相关各方的信息共享

基于BIM的设计过程就是项目的中央信息数据库的建立过程，包括基坑及周边环境的所有实体和功能特征的相关信息。某个专业设计的对象被修改，其他专业设计中的该对象会随之更新。项目的所有实体和功能都存储在这个数据库中，这为项目团队成员间进行信息交换提供了方便，使提高项目整合度和协作度成为可能。BIM采用三维动态可视化设计，将过去的的二维线条式的构件变成三维的立体实物图形进行展示。各专业间的构件、单元等可以用直观的立体三维效果图表示，可以优化设计，以更好地利用建筑空间，并有效避免各专业之间管、线的冲突，提高各专业之间的配合和协调，减少各种图纸的错、漏、缺现象［4］。

1.4 实现虚拟设计和智能设计

利用BIM强大的建模、渲染、动画技术，能够方便地提供基坑工程各个阶段的效果图和动画。同时由于深大基坑的复杂性，围护桩、支撑、锚杆、地下管线和其他地下构物可能会产生交叉、重叠现象，导致施工时无法按设计要求进行。利用BIM建模工具的碰撞检测功能可以方便地进行检查，并据此进行修改设计。

1.5 基于BIM的基坑模型具有附加价值

BIM信息模型是贯穿基坑整个周期的模型，它本身的丰富信息可以用于基坑设计、施工、监测的整个阶段。如在施工阶段，可以利用该模型进行施工4D（3D模型加时间轴）模拟；在成本控制上，可以利用其中的信息进行预决算；在监测阶段，可以将动态监测的结果输入BIM模型，进行实测数据与虚拟模型的结合，实现虚拟现实监测等［5］。而这种多方的协作，都可以方便地利用BIM信息模型信息共享与沟通来实现。

2 基于BIM的基坑设计的实现

2.1 BIM模型的建立

在BIM基坑设计中，首先需要建立符合IFC标准的三维信息模型，这其中包含各种物理信息如地层信息、水文地质信息、支护（围护结构、支撑等），及周边环境（道路、建筑物、地下管线等），模型除了对工程对象进行3D几何信息和拓扑关系的描述外，还包括完整的工程信息描述，如对象名称、支护类型、材料类别、工程物理力学性能等设计信息。由于多工况分析和技术经济比较分析的需要，还需要提供施工工序、进度、成本、质量以及人力、机械、材料资源等施工信息；工程安全性能、材料耐久性能等维护信息；对象之间的工程逻辑关系等。

2.2 物理模型与结构计算模型的信息共享与交换

基坑工程当前主流的设计方式是利用有限元分析软件(程序)进行建模计算和支护整体空间受力和变形分析，然后利用2D绘图工具来绘制传统的2D施工图文档。基于BIM技术的结构设计方式是：工程师将物理模型发送到结构分析软件，分析程序进行结构分析计算，随后返回结果信息，并动态更新物理模型和施工图文档。由于基坑本身所固有的特性，如结构的分散性、工程对象的惟一性、工程信息的复杂性、项目参与方各自不同的信息要求与表达方式等，使得BIM的数据表达和交换的实现异常复杂且艰难。国际协同工作联盟（IAI）为此推出的IFC（Industry Foundation Classes）为BIM 的实现提供了项目数据表达与交换的标准［6］，共享相同的BIM信息模型的各不同用途的软件平台只要符合IFC标准，就能方便地进行数据交换和链接，以输入、编辑、提取和识别所需要的信息［7］。

2.3 实际应用

本文以一实际基坑为例，说明BIM设计的过程：首先在三维建模软件中建立几何模型，导入BIM整合软件（如revit系列软件）进行信息补充（如材料的物理力学性质、构件类别等，典型的就是土层的重度、内磨擦角、粘聚力，支护桩的砼标号、钢筋等级等），然后导出为结构计算模型格式文件，并将其导入专用的符合IFC标准的基坑有限元分析软件，分析其稳定性、变形、支护受力、配筋等，在必要的情况下进行人机交互，以干预软件功能的不足可能引起的错误，所得的信息返回并贮存于BIM信息模型中，然后利用二维CAD出图功能，根据分析的结果导出二维工程图纸和计算书。

3 结 论

基于BIM的基坑设计具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等优势特点，支持建设项目生命期中动态的工程信息创建、管理和共享，在提高设计效率，改善沟通效果，加强质量控制方面具有极大的优势，是未来基坑工程信息化设计和施工的发展方向。

[1]林鸣，徐伟.深基坑工程信息化施工技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2006:2-3.

[2]张建平.BIM技术的研究与应用[J].施工技术，2011（1）:15-18.

[3]岳杰.BIM技术及其在建筑设计中的应用[J].四川建材，2011，37（163）：270-271.

[4]龙辉元.BIM技术应用于结构设计的探讨与案例[J].土木建筑工程信息技术，2010,2(4):89-93.

[5]张建平，曹铭,张洋.基于IFC标准和工程信息模型的建筑施工4D管理系统[J].工程力学，2005,22(6):220-227.

[6]邓雪原，张之勇.计算机辅助设计软件间的信息共享与交换[J].湖南科技大学学报：自然科学版，2006，21（1）：54-58.

[7]Chen P H,Cui L,Wan C,et al.Implementation of IFC-based Web Server for Collaborative Building Design between Architects and Structural Engineers[J].Automation in Construction,2005,14(1):115-128.

Application of BIM Technology in Foundation Pit Design

PENG Shuguang
(Anhui University of Architecture,Hefei 230601)

The foundation pit project design,construction,and monitoring is an ongoing dynamic process.The characteristics of highly integrated structure of the project,information sharing,virtual information model of BIM are described in the article，and provide ideas to create three-dimensional information model of foundation pit,so as to achieve virtual and intelligent design.

BIM；foundation pit；virtual design；IFC standard

TU929

A

1673-1980(2012)05-0129-03

2012-04-14

安徽省高校省级自然科学基金研究项目(KJ2009A101)

彭曙光（1972-），男，安徽潜山人，硕士，安徽建筑工业学院讲师，国家一级注册结构工程师，注册土木（岩土）工程师，研究方向为岩土工程。