基坑顺逆结合施工方案研究及BIM技术应用

李金龙，于丽娜，吴 迈

（河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401）

基坑顺逆结合施工方案研究及BIM技术应用

李金龙，于丽娜，吴 迈

（河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401）

以天津市东丽区詹庄等七村村民还迁安置经济适用房项目的住宅人防工程基坑为研究对象，进行了超大面积基坑支护选型分析、顺逆结合施工方案研究等工作，并尝试将BIM技术应用于基坑施工方案比选优化、可视化技术交底、工程算量、施工模拟，实践证明，取得了良好效果，为达到工程质量和工期要求提供了保障．

基坑工程；顺逆结合施工；BIM技术

顺作法与逆作法作为基坑支护总体方案的两类基本形式，具有各自的优缺点和适用范围，对于一些较为复杂的基坑工程，亦可采取顺逆结合的方式以扬长避短，达到最佳效果[1]．目前工程实践中常见的顺逆结合方式为主楼顺作、裙房逆作．上海明天广场、长峰商城、由由国际广场、铁路上海站北广场、上海中心大厦等项目均采用主楼顺作、裙房逆作的方式施工，此处不一一赘述．相比之下，采用大面积顺作、边缘局部逆作以加强支护作用的顺逆结合施工方式，国内鲜有案例介绍．

本次研究即以天津市詹庄等七村村民还迁安置经济适用房项目住宅人防工程基坑为例，进行基坑支护选型分析和大面积顺作、边缘局部逆作、顺逆结合施工方案研究．同时，引入BIM技术进行方案展示、工程算量、施工模拟等工作，挖掘BIM技术在基坑施工中的应用价值．

1 工程概况

本工程为天津市詹庄等七村村民还迁安置经济适用房项目住宅人防工程，位于东丽区詹庄东至雪莲南路，南至利福路，西至现有住宅小区，北至娄山道．基坑平面大致呈四边形分布，西北侧较西南侧凸出一块，凸出部分呈较规则矩形，边长约为40 m（南北侧）×110 m（东西侧），西北切角两直角边约为30 m×20 m．基坑整体面积约为65 000 m2，自然地面标高3.2 m（大沽高程），设计标高±0相当于大沽高程3.850 m，建筑设计标高场地平整后相对标高为-0.300 m，基坑开挖深度为7.850 m．

土质条件根据地勘报告整理如表1所示．

表1 土层参数Tab.1 The soil parameters

基坑整体范围内围护桩及立柱桩已先行施工，桩身打入④层粉质粘土层，基坑内土方开挖至②3粉质粘土层．降水工作自开工前2个月开始，已降至安全水位下，并实时监测中．

基坑四周采用φ700@1000三轴水泥搅拌桩作截水帷幕，桩长14 m；西侧及南侧采用φ800@1200钻孔灌注桩作围护结构，桩长14.6 m．基坑内工程桩及支承桩均为钻孔灌注桩，参数同上．

2 基坑支护选型分析

基坑西侧紧邻3栋住宅楼，基坑边缘距离最近的建筑物不足10 m，因此该侧对变形要求控制严格，且无法布置贯通的施工道路及材料堆放区；南侧为学校、菜市场和垃圾中转站，距离槽边距离约为15.5 m，按照场地布置方案加设临时施工道路后，场地也较紧张．基坑支护是保障结构安全的重要一环，支护方案选择一方面要考虑结构整体安全及周边环境影响，另一方面也要综合项目工期及工程造价等诸多投入要素．经多方面权衡，决定采取如下支护方式．

基坑西侧采取钻孔灌注桩结合支撑结构支护，南侧采取钻孔灌注桩支护，其余范围内充分利用场地便利，采用放坡开挖．西侧围护桩结合角撑及逆作支撑的方案能缓解该区域场地紧张、对变形控制严格的问题；放坡开挖充分利用了场地优势，经济快速．该种方法适用于面积较大、地下室不超两层、挖深不超10 m的深基坑工程，并充分考虑了工程所处具体环境[2]．

支护结构布局如图1所示．沿基坑西侧边缘施作钻孔灌注桩，两端分别向东侧延伸40 m加强支护能力，桩体围护区内基坑的3个阳角加角撑，紧邻居民楼的受力薄弱区采取逆作支护，将对居民楼产生的变形和沉降影响降至最低．中部角撑最外侧增设一排支撑，并向南延伸与逆作次梁对接以提升支撑能力和整体性；基坑阴角处为受力薄弱区，加施短边长1 000 mm厚300 mm的近似等边直角三角形加劲板，并在加劲板短边排桩沿线施作高2 000 mm厚300 mm剪力墙作挡土结构．

图1 支护结构布局Fig.1 Layout of foundation pit protecting structures

图2 梁柱节点Fig.2 Beam-column joints

3 基坑顺逆结合施工方案

本工程基坑采取边缘局部逆作、其余大面积顺作的施工方案[3]，先行施工逆作区支撑结构．帽梁区域先行挖土至支撑梁下皮标高（相对标高为-3.000 m），进行帽梁施工，并在端点及相关节点处预留钢筋．帽梁施工完毕后，回填外侧土体，保证外侧1∶1放坡，然后采用C20细石混凝土加钢筋网片护坡加固．

逆作区零层梁板采用钢管排架支撑模板施工，先挖去一层土体，然后按照常规方法搭设梁板模板、浇筑混凝土，同时竖向结构向下延伸一定高度．为了减少楼板支撑沉降引起的结构变形，对支撑下土层进行临时加固．具体做法是待帽梁强度形成后，逆施区挖土至-4.000 m（相对标高），将地基土掺白灰拌合并夯实碾压，浇筑约100 mm厚混凝土垫层，为逆作梁板的施工提供稳定的作业平台，防止地基变形沉降对水平结构产生影响．然后在垫层上铺设脚手板、加设垫片，采用落地式钢管脚手架作为支撑架体，对逆施区地库车库顶板结构支模．地库顶板结构柱浇筑至梁下500高，按照规范甩出柱主筋，如图2所示．

逆作梁板浇筑完成后，保留逆施区以下的土体，四周按照1∶1放坡，开挖逆作区域以外的土体．逆施区域以外其它土体挖完以后，在逆施区域与非逆施区域相交的底板设置后浇带．其它区域按照正常施工工序至地库顶板并与逆施区相连接．在逆施区域东侧两道相邻的后浇带加设40a工字钢作为传力杆件，后浇带、传力杆件布置如图3所示．

图3 后浇带布置Fig.3 Post cast strip layout

待基坑全范围内地下室顶板施作完毕，并且强度达到设计要求后，拆除逆施区域混凝土支撑并清理干净，验收该区域的底板混凝土表观．然后开始掏挖逆施区域土体．逆作区土体全部挖完以后，进行逆施区底板及地库柱、剪力墙的施工．将预留钢筋与结构柱、墙主筋进行连接，采用从顶部侧面入仓的方式浇筑混凝土，并在结合面处模板上预留若干注浆孔，以便用压力灌浆消除缝隙，保证构件连接处的密实性．漏斗部分多浇的混凝土待完全硬化后用剁斧凿平，如图4所示．

4BIM技术应用

BIM，即建筑信息模型，美国国家标准（NBIMS）的定义为：BIM是建设项目的兼具物理特性与功能特性的数字化模型，且是从建设项目的最初概念设计开始的整个生命周期里做出任何决策的可靠共享信息资源[4]．

图4 墙下混凝土浇筑模板Fig.4 Concrete casting formwork under wall

通俗的讲，BIM是一种综合的技术管理应用手段，以三维可视化模型为信息的载体，并跟随工程进展实时动态地更新，通过多种软件的对接转换应用于建筑全生命周期中，为工程建设各参与方提供一个沟通协调平台[5]．

4.1 BIM模型可视化应用

BIM模型的可视化、可模拟、可优化等诸多特性，为完成本次研究中基坑施工方案比选优化及相关复杂工艺的展示提供了帮助[6]．BIM核心建模软件选择时，考虑到Revit软件应用广泛，通用性强，支持算量，支持CAD文件导入，并具有良好的出图性，故BIM建模采用Revit软件；再选用配套的navisworks软件进行施工漫游、模拟等综合管理应用．

本次研究分别建立了不同细度的基坑及土方模型，支护模型，施工场地模型，图1～图4均从相关的模型视图中截取．基于BIM模型进行了基坑支护方案对比及优化，并对顺逆结合施工关键技术结合BIM模型作可视化展示，进一步强调了基坑支护方案布置、逆作梁柱节点钢筋穿越及柱下预留钢筋的甩出问题、后浇带布置及墙下混凝土侧面入仓的浇筑方式．

相较于传统的CAD图纸，BIM模型表达更加直观精确，并可附加相关施工信息，对施工方案展示更加具体，在项目部进行方案讨论中取得了良好效果．

4.2 工程量统计

本工程基坑体量较大，开挖土方量约40万m2，按照初步设定的土方开挖方案对土方进行分层分块后，基于Revit“明细表”功能对土方体积进行统计，对工程量不合理的部分再做相应调整．分块土方量统计明细如图5所示．伴随BIM建模的精细化，基于BIM模型可实现更加准确、快速的工程量统计，从而可进一步把控场地内的资源配置．

4.3 基坑开挖支护施工模拟

选择Microsoft Project编制施工进度计划，选择合适的施工参数选项，在确定好起止日期后能够自动生成横道图．且进度计划编制完成后，有自带检查功能，对于时间衔接空白和安排不合理的地方，系统会自动给出提示以便进一步完善．本次基坑开挖支护计划如图6所示．

图5 土方量明细Fig.5 Earthwork detail Tab

图6 Project进度计划Fig.6 Project scheduled plan

将Revit模型导出为.nwc格式，并在Navisworks中定义合理的选择集与施工计划关联．设置每项工序的任务类型，以明确其在施工模拟中的表现．施工任务中，各标段间及标段内部任务逻辑关系较为复杂，Timeliner中支持将任务进行升级或降级，实现逻辑嵌套[7]．土方开挖施工模拟如图7所示．

本工程中由于施工作业面超大，土方开挖工作量大，通过土方开挖施工模拟，明确了每一时间点基坑整个作业面土方施工作业状态，避免了对施工状态抽象化估计的偏差，实现对施工过程更加全面准确的预判．由于提前对开挖方案做了最详细的模拟和优化，保证了开挖工作有条不紊，很好地控制了进度．

图7 土方开挖施工模拟Fig.7 Earthwork excavation simulation

5 结语

本工程基坑采用大面积顺作、边缘局部逆作的施工方式，目前国内鲜有案例介绍．采用这种逆作方式主要解决了局部施工作业场地紧张、对周边环境影响控制要求高的难题．对变形要求严格及受力薄弱区域加强了支护，条件允许区域放坡开挖，基坑支护结构及周边建筑监测数据反馈表明相关变形值和沉降值均在可控范围内，证明该支护方案安全可行，保证安全的同时更加经济适用．

采用BIM技术进行施工方案比选优化及可视化技术交底，并尝试工程算量和进度模拟，均取得了良好效果，说明BIM技术在基坑工程中具有很好的适用性，值得进一步挖掘其潜在价值，实现建设项目全生命周期管理，为项目增值．

[1] 王允恭.逆作法设计与施工实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2011

[2] 翟文信.上海中心大厦裙房基坑逆作法支护体系实测分析[J].施工技术，2012，41（373）：31-34

[3] 郑信荣.大型深基坑顺、逆作结合施工技术[J].建筑施工，2011，33（4）：256-258

[4] Eastman C.BIM handbook：a Guide to building information modeling for owners，managers，designers，engineers and contractors[M].Hoboken：Wiley，2011.

[5] 邢民，王述红，侯文帅，等.基于BIM技术地铁车站模型建立与应用及明挖法施工方案优化 [J].土木建筑工程信息技术，2016，8（3）：39-43.

[6] 赵雪峰.BIM技术在中国尊基础工程中的应用[J].施工技术，2015，44（6）：49-53.

[7] 王君峰.Autodesk Navisworks实战应用思维课堂[M].北京：机械工业出版社，2015.

Research on top-down and down-top construction method and BIM technical application of foundation pit engineering

LI Jinlong,YU Lina,WU Mai

（School of Civil Engineering and Transportatation,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China）

With the foundation pit of air-raid shelters of affordable housing project for villagers in Zhanzhuang and other six villages in Dongli District of Tianjin city as research object,type selection of retaining and protecting structures of large-scale foundation pit were analyzed.Top-down and down-top construction method and technological process research has also been performed.The paper tried a couple of things to apply BIM information model to technical disclosure and scheme optimization of foundation pit construction.The practice has proved that with the help of BIM technology，it not only brings convenient construction management but also ensures the quality of the project and the requirements of the construction period.

foundation pit engineering;top-down and down-top construction;BIM technology

TU753.1

A

1007-2373（2017） 05-0080-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.05.014

2017-01-14

河北省建设科技研究计划（2015-23）

李金龙（1988-），男，硕士研究生，1054927533@qq.com．通讯作者：吴迈（1972-），男，副教授，博士，wumaitj@126.com

[责任编辑 杨 屹]