基坑工程BIM应用

何建军 王 硕 姚守俨

(中国建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

基坑工程BIM应用

何建军 王 硕 姚守俨

(中国建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

通过创建基坑工程BIM模型，直观体现项目全貌，实现多方无障碍的信息共享，让不同的团队可以在同一环境下工作，实现BIM技术在支护结构设计、土方开挖、基坑监测等方面应用。

基坑工程； BIM； 地质模型； 支护模型； 变形监测

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.06.10

图1 基坑工程BIM应用流程

1 概述

BIM技术在基坑工程的应用目标是：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，直观体现项目全貌，实现多方无障碍的信息共享，让不同的团队可以在同一环境下工作。通过三维可视化沟通，全面评估基坑工程，使管理决策更科学，采取措施更有效，并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，节约投资。

BIM技术在基坑工程中的应用内容，主要包含以下几个方面：地下基坑支护结构三维模型的建立； 项目所在环境的三维地质模型的建立； 基坑开挖各工况施工顺序的模拟； 自动统计支护结构各部分的工程数量； 三维模型转二维的自动成图； 基于BIM的基坑信息化施工与检测。

2 基坑工程BIM应用业务流程

基坑工程BIM应用业务流程，详见图1。

(1)收集项目相关岩土工程地勘报告和设计资料，获取地形、地质数据，建立三维地质数据模型。所谓三维地质建模，是以各种原始数据(包括钻孔、剖面、地震数据、等深图、地质图、地形图、工程勘察数据、水文监测数据等)为基础，建立能够反映地质构造形态、构造关系及地质体内部属性变化规律的数字化模型，这其中包含各种物理信息如地层信息、水文地质等信息。通过适当的可视化方式，该数字化模型能够展现虚拟的真实地质环境，更重要的是，基于模型的数值模拟和空间分析，能够辅助用户进行科学决策和规避风险。

(2)获取周边建筑物、道路及地下管线等设施的数据，建立施工场地布置模型。

(3)导入地形数据模型及施工场地模型数据，进行基坑工程的支护体系模型建立。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。

(4)土方开挖施工方案设计及施工模拟。通过土方开挖施工方案工程仿真，了解桩基变位，支护结构变形，地形变形对周边设施(相邻建筑及管线等设施)的影响等情况。

(5)根据土方开挖设计数据及地形数据进行土方算量。

(6)导入基坑变形监测数据，该数据存放在Excel表格中，通过读取该数据生成基坑边形形状，可以查看到临界区域和超限危险点。还可以将某时间点的变形模型与初始模型叠合并进行误差检验。

(7)基坑监测人员及管理人员确定危险点后调取基坑监测报表，确认危险点是否属实并及时启动应急预案，第一时间开始基坑危险时间处置工作。

3 基坑工程BIM应用软件方案

基坑工程BIM应用软件方案有多种选择[1]，本文以常用Civil3D、Revit、Navisworks、Ansys软件组合为例介绍。

3.1 基于Autodesk软件应用方案

图2 基坑工程BIM应用软件方案

利用AutoCAD Civil3D建立地质模型，Autodesk Revit建立支护结构模型及施工场地模型，三者在Revit中整合形成基坑工程模型[3]。

在Revit进行基坑工程施工流水段划分及土方算量，Navisworks进行土方开挖及支护结构施工模拟。Ansys获取基坑变形监测数据，该数据存放在Excel表格中，Revit通过读取该数据生成基坑变形形状。

3.2 其他软件应用方案

对于特殊基坑工程，如崖壁类基坑，软件难以建模的，可以借助三维激光扫描仪，通过点云数据处理逆向建模，然后在Revit软件中进行模型整合及相关应用。

4 基坑工程BIM建模方法

4.1 地形模型建模方法

常规地形建模方法，可通过勘察获取的高程点或等高线为基础数据，导入BIM软件(如Autodesk Revit、Civil3D等)自动生成三维地形模型，方便快捷。

对模型精度要求高，现场环境比较复杂的地形，可以采用三维激光扫描方式，获取现场点云数据形成三维BIM模型，实现逆向建模。此方法需要借助三维激光扫描仪，成本较高。

4.2 地质模型建模方法

目前，国内已有单位自主开发独立三维岩土工程勘察信息系统，但缺乏与建筑、结构等专业数据交换接口，无法进行各专业协同工作。利用现有的BIM软件(如Civil3D、Revit等)将岩土工程勘察成果建立三维可视化地质模型并与其他专业进行协同工作是将BIM技术应用于岩土工程勘察领域的一条途径。如图3是通过Civil3D建立的三维地质模型效果图。

图3 某地块三维地质模型

图4 某项目基坑支护模型

4.3 支护结构建模方法

基坑支护结构、支撑体系或锚固体系模型，可直接用现有的BIM软件(如Revit)建模，并与地质模型在同一软件平台进行整合，如图4所示。

4.4 施工场地建模方法

施工环境及场地布置模型，可直接用现有的BIM软件(如Autodesk Revit)对施工现场进行规划布置并建模，并与基坑模型在同一软件平台进行整合。

5 基坑工程BIM模型细度

基坑BIM模型的内容主要涉及到两大类主体：地质结构和支护结构。模型主要内容及细度要求详见表1。

表1 基坑工程BIM模型内容

模型类别模型元素及信息地质模型地形模型、土层模型等几何尺寸/材质/空间位置信息支护体系模型基坑支护结构模型(钢板桩、排桩、桩孔灌注桩、劲性混凝土搅拌桩、土钉墙、地下连续墙等)、支撑或锚固形式模型等几何尺寸/材质/空间位置信息基坑模型基坑、土方开挖分区、行车路线等几何尺寸/空间位置信息场地环境模型地下管线、周边道路与建筑、基坑临边防护、上下基坑通道、施工通道等几何尺寸/材质/空间位置信息

6 基坑工程BIM应用成果

基坑工程基于BIM技术应用成果主要有[2]：

6.1 三维可视化BIM模型

可用于指导基坑施工的BIM模型主要包含地质结构模型、支护结构模型和施工场地模型，如图5所示。以地勘报告为初始数据，将二维地勘资料转换成三维地勘模型，在Revit中与基坑结构模型合并，可以实时、任意视角查看地下室结构构件地下连续墙、底板、桩等)与不同深度土层之间的关系，快速查看土层属性信息，指导设计、施工，辅助监理、监测人员判断桩基持力层和有效桩长，对比开挖实际情况与地勘报告的符合度辅助验槽工作。通过适当的可视化方式，该数字化模型能够展现虚拟的真实地质环境，更重要的是，基于模型的数值模拟和空间分析，能够辅助用户进行科学决策和规避风险。

图5 某项目基坑工程模型

6.2 施工模拟

基于三维空间技术，可视化是其一个显著的特点，即在输入相关信息后，可以直观地看到土方开挖和支护施工过程、周边环境变化、建成后的运营效果等。同时可以科学指导方案优化和现场施工，方便业主和监理及时了解工程进展状况，可以让更多非专业领域的人参与进来，如图6所示。

图6 某项目基坑工程施工BIM模型

图7 某基坑工程BIM算量

图8 基于BIM基坑监测

6.3 工程算量

根据支护结构各构件定义对应的属性、名称，在视图区可自动生成工程明细表，明细表中可根据需求查看任意命名构件的工程数量，方便、快捷、准确。如图7。

在土方工程中，根据开挖前后各工况的基坑模型体量差集计算，可以准确得出各阶段土方工程量。

6.4 信息化施工

BIM技术最大的一个特点是信息资源共享，这可以成为各项目参与方最佳的沟通平台，也将为基坑支护设计、施工、监测等参与方及时反馈相关信息，提高基坑支护施工效率、质量和安全性。例如，可以利用信息模型，有效地避开地下管线，协同各施工作业安全施工。

将地勘模型集成到Revit中，并赋予土层属性，使监理、设计、施工人员能在平台上进行设计、校核工作，这种集成式模型更适合民用建筑的监理、施工、设计工作的开展，提高工作效率。这种集成式地勘模型有效地拓展了常规模型的应用价值，实现了多模型、多专业在同一平台上协同工作，同时可以对地勘模型进一步开发，当修改桩长或桩径等属性时能实时输出变化后的桩承载力、桩材料用量及单桩成本，对设计阶段的桩型选取、确定桩基方案有非常重要的实用价值。

6.5 信息化监测

将BIM技术引入基坑工程监测工作，以解决以往在基坑围护结构变形监测过程中不能直观表现其变形情况和变形趋势的缺点，如图8所示。

通过BIM技术将基坑的形状、围护结构、周边环境以及各类监测点建立模型，在模型中导入每天的监测数据并采用4D技术(三维模型+时间轴)+变形色谱云图的表现方式方便工程师、管理人员、业主、施工人员等查看基坑围护结构的变形情况[4]。

基于BIM技术的基坑监测的优势：

(1)直观表现基坑围护结构的变形情况，通过添加时间轴的4D变形动画可以准确判断基坑的变形趋势；

(2)快速定位基坑围护结构的危险点，并根据变形趋势及现状及时作出应急预案；

(3)辅助施工管理，非监测专业人员同样可以看懂基坑变形情况；

(4)结合其他监测数据如水位变化、道路沉降、管线变形、周边建筑物变形等辅助工程师判断基坑变形的原因及主要影响因素；

(5)结合已有的基坑围护结构的变形历史判断未来一段时间的变形趋势，对危险位置提前预警重点监测，有利于施工管理人员和业主方的工程决策。

7 结语

目前，BIM技术在深基坑工程中应用还处于初级阶段，需要在不同的阶段使用不同的软件实现不同的功能，还比较分散。要实现BIM技术在深基坑工程中系统应用，关键的一步就是要通过二次开发实现BIM软件平台具有深基坑建模和模型计算功能，实现BIM技术在基坑工程领域的信息化应用。这需要广大工作者长期不懈的探索，不断完善BIM技术在深基坑工程中的应用理论和实践方法。

[1]杨敏， 赵军．BIM技术在深基坑工程中的应用探讨[J].工程地质学报， 2014(22)： 407.

[2]张燕.BIM在基坑工程中的应用探索[J].技术研究， 2015(6)：63.

[3]林孝城.BIM在岩土工程勘察成果三维可视化中的应用[J].福建建筑， 2014(6)：111.

[4]赵华英， 陆扬.基于BIM的基坑5D变形监测.第十七届全国工程建设计算机应用大会论文集， 2014： 192.

BIM Application in the Foundation Pit Engineering

He Jianjun， Wang Shuo， Yao Shouyan

(ChinaConstructionEighthEngineeringDivisionCo.，Ltd.，Shanghai200122，China)

Reflected the project landscape intuitively and realized the obstacle-free information sharing through creating a foundation pit engineering BIM mode，made the different teams work in the same environment，realized the BIM technology in supporting structure design，earth excavation and foundation pit monitoring applications.

The foundation Pit Engineering； Building Information Modeling； Geologic Model； Supporting Model； Deformation Monitoring

何建军(1985-)，男，中级工程师。主要研究方向：施工领域BIM应用。

TU17；TU198+.6

A

1674-7461(2016)06-0055-05