基于BIM技术的复杂深基坑支护设计分析

姜 林 海，刘 帅，黄 钜 君，蔡 佳 愿

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230)

随着我国城镇化进程不断推进，地下空间开发迅猛发展，此背景下复杂的深基坑支护设计和施工不可避免。对复杂的深大基坑，传统的CAD设计无法在协同和表达上更好地描述其复杂的地面、地下构筑物以及支护结构等[1]。BIM(building information modeling)利用三维数字技术，构建三维信息模型，对建(构)筑物物理特性等进行数字表达[2-3]，是一种应用于工程领域全过程的数据化工具。随着国内相关技术规范的相继出台，BIM在工程建设领域得到了迅速推广和应用[4-8]，但在复杂深基坑工程中的应用还不多。本文基于BIM技术，应用Autodesk平台的系列软件，针对实际工程案例建立复杂深基坑模型，分析了如何有效地将BIM技术应用到复杂深基坑的设计和施工中，以进一步提高复杂深基坑的设计效率、设计质量和施工的安全性，以期对工程实践起到一定参考作用。

1 工程概况

一深基坑项目位于闹市区，基坑段为市政下穿道路，道路上方有地铁车辆段，下方有U型槽结构、管廊结构、雨水泵房结构、雨水管和污水管以及上盖结构基础等，各结构交叉多。基坑北侧为已建地铁高架桥，基坑东西两侧周边为邻近项目已建的工程桩和承台，局部工程桩与本基坑围护结构紧贴，基坑条件复杂。基坑开挖面积约1.4万m2，基坑长约210 m，宽约70 m，最大开挖深度约11 m，属于复杂深基坑。

2 基坑支护设计方案

基坑支护主要采用直径1.0 m钻孔灌注桩+钢筋混凝土支撑进行支护，灌注桩之间挂网喷混凝土，在灌注桩外侧设置单排水泥搅拌桩作为止水帷幕，灌注桩靠基坑内侧采用搅拌桩进行坑底加固。南北两端因预留二期施工，采用放坡，局部采用钢板桩支护，基坑支护方案详见图1。

图1 基坑支护方案示意Fig.1 Sketch of design scheme of foundation pit support

3 基坑支护设计难点

(1) 地质条件复杂。开挖范围内原为鱼塘，淤泥软土深厚。场地土层主要以淤泥粉细砂层、淤泥层、细砂层、粉质黏土层、全风化泥质砂岩层、强风化泥质砂岩层以及中风化砂岩层为主，由北向南淤泥厚度逐渐加深。

(2) 周边环境复杂。基坑北侧为在建地铁高架桥墩，东侧和西侧紧邻基坑均为在建施工项目。

(3) 基坑平面为曲线型，呈现不规则基坑形状，导致出土设计和施工困难。

(4) 基坑开挖后需完成U型槽结构、管廊结构、承台结构、雨水泵房结构、污水管、雨水管等施工，基坑支护系统与各种结构易形成交叉。

(5) 如图2所示，该基坑由于含有管廊及U型槽等结构，基坑剖面为“U”型，基坑深度由北向南逐渐变化。基坑东侧坑底为承台，深度约8 m，基坑西侧坑底为管廊，最深处约11 m，基坑底非平面，开挖非对称。

图2 结构关系剖面示意Fig.2 Sketch of relationship between different structures

(6) 该基坑上部为地铁车辆段上盖，基坑的完成进度直接决定着整个项目的施工工期，为关键工作，施工工期短。同时基坑南侧仍有部分土地未能征收，基坑开挖受到周边环境的制约。

由于以上难点，该项目基坑支护设计采用常规的平面设计图纸难以准确表达基坑系统复杂的关键节点、关键工序等内容，因此有必要利用BIM技术建立三维模型进行设计分析，指导施工。

4 BIM模型的建立

4.1 支护方案三维可视化模型

BIM技术可以实现直观的可视化设计。可视化的BIM设计成果一方面帮助人们快速理解设计意图，方便各方进行交流，增加信息交换率；另一方面可以有效地解决空间冲突等问题[9]，有利于设计人员及时发现设计方案中的缺漏、交叉和重难点。

基于BIM技术的基坑设计将传统的二维设计转变为三维可视化的动态设计，该设计方法所建立的BIM三维模型包含各种各样的信息数据，可通过3D模型生成所有文档以及图形，且与模型保持逻辑关系。当设计人员改变基坑模型时，与其配套的文档与图像会同步更新[10]。

如图3所示，根据基坑支护设计方案，利用Autodesk Revit软件，应用自建的支护结构和承台结构等单元族构件，建立基坑支护方案的三维可视化整体模型。

图3 基坑支护三维模型Fig.3 3D model of foundation pit support

4.2 围护结构模型

如图4 所示，该项目支护桩由392根钻孔灌注桩组成，桩的数量多、设计桩长随软土层厚度的变化大。传统的二维基坑支护设计图纸只能通过大样图和工程数量表来表达灌注桩的数量等信息。而应用BIM模型，可以直观表示每根灌注桩的空间位置、间距、长度、尺寸等信息，可以查询桩的详细信息。在后期的施工过程中，还能通过三维模型实时指导支护桩的施工顺序，进一步提高了施工质量，促进设计与施工的紧密结合。

图4 竖向围护结构模型Fig.4 3D model of vertical enclosure structure

4.3 支撑系统水平结构模型

支撑梁包含主撑、连梁以及角撑等，按照平面布置图进行建模。如图5所示，模型可单独显示水平支撑系统，理清水平支撑与竖向支撑构件间的空间关系，便于进行合理的支撑布置。

图5 水平支撑结构模型Fig.5 3D model of horizontal support

4.4 支撑系统竖向结构模型

建好立柱桩、工程桩模型后，在其竖向标高顶部设置立柱，利用模型统计立柱桩及立柱工程量。立柱与立柱桩间空间关系的清晰表达对设计和施工质量控制尤为关键。在设计过程中，通过Revit软件构建立柱与立柱桩的空间关系，若有碰撞或偏差能及时纠正设计，进一步提高了设计效率和质量。该基坑设计中立柱桩有以下两种类型。

(1) 普通立柱桩。一般立柱按常规设计，底部设置直径1 m的钻孔灌注桩作为立柱桩，立柱桩进入非软土持力层并且满足计算要求。在BIM模型中准确表达出格构立柱与管廊结构、基础承台、支撑梁等位置关系。

(2) 工程桩兼作立柱桩，优化竖向结构设计。为节约造价，利用上盖结构的工程桩兼作立柱桩。布置支撑梁时，需注意将支撑梁的节点置于工程桩的上方，并对中保证精度。在BIM模型中建立承台位置，直观地表达承台与承台底部的工程桩以及立柱与支撑梁的空间位置。后期施工过程中通过BIM模型能够更准确地定位，从而进一步提高桩和支撑系统的施工精度。

5 BIM模型应用

5.1 基坑复杂节点设计

在基坑支护的施工图设计阶段，一些复杂节点常常难以靠二维平面或工程师的想象等方法来进行设计。应用BIM模型能直观地对施工图上的复杂节点进行三维深化设计，降低了对设计人员抽象三维想象能力的要求，既节约了深化设计耗时，又可减少因抽象考虑不足引起的错漏或质量问题。该项目基坑复杂节点设计有以下几方面内容。

5.1.1角板设计

该基坑由于周边存在大量工程桩或承台结构，基坑围护结构因躲避这些结构导致基坑平面不规则，出现阴角、阳角等受力不均匀部位。通过受力分析，支撑体系在阴角、阳角等位置受力复杂，需要采取一定的加强措施。设计中考虑在角部设置200 mm厚钢筋混凝土板，以抵抗不利变形，避免角部受拉导致支撑体系破坏，具体详见图6。

图6 支撑角板模型Fig.6 3D model of slab for support

5.1.2出土口设计

项目施工工期短，基坑周边限制条件多，基坑北端为市政道路，南端为暂未征下的村民用地，出土口设计是该基坑支护设计中的重点和难点。出土口的位置及布置形式直接决定了出土的效率，影响项目的总工期。

基坑东侧为建设场地，具备出土条件，设计中考虑将出土口设置在东侧。出土坡道按不小于1∶7比例设计，坡面铺设500 mm厚碎石垫层，出土口软土采用碎石换填。挖机行驶通过冠梁时应在梁顶上铺设50～70 mm厚土层并压实，再铺设20 mm厚钢板保护冠梁。

二维设计较难反映出土坡道与支撑梁之间的位置关系。如图7所示，设计分析中通过建立出土坡道三维模型，用以确定出土口在基坑中的空间位置，展现出土坡道与支撑梁及支撑竖向构件的空间关系。通过三维模型发现：中部①号支撑梁与运输车辆发生碰撞，设计中通过局部加强等措施，挪动该碰撞的支撑梁来增大空间，从而确保了出土运输的畅通。

图7 出土坡道设计模型Fig.7 3D model of earthwork transport ramp

5.1.3预留反压土台设计

基坑西侧管廊结构距离坑边有一定距离，为进一步提高支护结构的稳定性，减小支护结构水平位移，在西侧坑底预留土台用于反压。应用BIM模型更为直观地表达预留土台。在基坑支护设计交底时，BIM的应用使得相关施工人员清晰理解基坑的施工工序，避免在基坑开挖过程中出现多挖、超挖现象，确保土台预留的完整性。

1) 淮海经济区城市绿化状况对国内旅游收入有显著的正相关作用,相比较而言,建成区绿化覆盖率对旅游经济的影响远不及人均公园绿地面积．人均公园绿地面积和建成区绿化覆盖率都是衡量城市绿化水平的重要指标[15]．但是，绿化覆盖率主要表征绿地空间规模与城市建设空间的关系,更侧重于绿化的生态效益,而人均公园绿地面积则侧重于城市居民人均可以享有的绿地多少,是一种间接衡量绿化的指标,代表绿地产生的社会效益指标[16]．这与人均公园绿地面积对旅游收入的影响更为显著的数据结果相吻合．

5.1.4坑底加固

设计中考虑沿着基坑长边方向紧贴支护桩内侧设置宽度约4 m、深度约4 m的坑底加固区，通过对坑底软土进行加固以防止围护结构发生“踢脚破坏”。

在实际施工中，搅拌桩施工质量的成败决定着基坑支护的安全，在基坑深度较深的情况下，搅拌桩的成桩质量难以保证。在施工阶段，可应用已建好的基坑BIM模型向施工单位相关人员进行交底，以便更清晰、更准确地表达设计意图，提高施工质量。

5.2 各种结构间的碰撞检查

在三维模型中整合基坑周边桩基、地铁高架、支护系统和工程桩等结构，快速核查基坑围护桩与地铁高架基础及周边工程桩之间的安全距离，可以直接在模型中修改设计，确保了后续的实际施工安全，提高了出图效率并减少设计变更次数。

在进行基坑内各种结构的碰撞检查时，可将相关结构按构件种类拆分，Revit软件能够较好地查找并显示碰撞位置及碰撞结构间的相对位置关系。

如图8所示，对U型槽、管廊、承台、工程桩以及立柱桩等结构进行碰撞检查，发现碰撞及时修改、调整，避免将碰撞遗留到施工阶段，产生不必要的损失。

图8 立柱桩与管廊结构间的碰撞检查Fig.8 3D model of clash check between erect column pile and allure structure

5.3 施工过程模拟，关键工序交底

基坑的BIM模型包含了基坑的整个生命周期，其丰富的信息与强大的功能可以应用于基坑设计、施工以及监测的所有阶段[11-12]。

基坑工程区别于其他建筑工程的最大之处在于土方施工受到周边环境、场地或竖向支撑体系的限制。土方开挖方案也是基坑设计时需要重视的问题，如出土口的合理布置、土方开挖先后顺序、车道设计、基坑回填等。应用BIM技术进行施工过程模拟时，通过与各方沟通，在设计阶段即充分考虑出土方案对基坑工程的影响，从而确保基坑工程实施的安全，加快进度，提高整体效率。

该工程基坑施工流程多，关键工序多，工艺复杂，施工难度大，需多工种协同配合施工。针对基坑施工的复杂工艺节点及交叉工序，利用基坑BIM模型进行三维可视化技术交底，可使复杂部位和关键节点一目了然。

在模拟深基坑中不断提高的漫游场景时，可以设置一条以内支撑为视觉中心不断盘旋上升的漫游路径，并且漫游路径的升高与深基坑的提高速度是一致的[13]。

该基坑开挖过程中主要关键工序如下：① 放坡支护；② 先撑后挖，分层开挖；③ 拆撑工序。

在具体拆除水平支撑的过程中，为了避免给深基坑支护结构的受力性能带来负面影响，施工人员需要特别注意分区分段地进行，基坑回填至设计要求标高后方可拆除支撑系统[14]。

如图9所示，支撑拆除需在基坑西侧接近冠梁位置预留300 mm支撑用于后期U型槽抗浮压顶。

图9 支撑拆除预留段模型Fig.9 3D model of remained support after dismentling

回填时，填土处理应根据地质条件、建筑物结构的特点和设计要求，选择合适的回填与压实的施工方式[15]。该项目基坑空间复杂：① 基坑东侧开挖至承台底，西侧开挖至管廊底，基坑底标高为变化值，回填要求高；② 基础承台的间距最小约1 m，回填难度大。基坑回填质量是保证该项目的关键工序之一。回填工序要求如下：① 回填过程中必须分层夯实、对称回填。利用BIM模型对回填工序进行模拟，确保回填质量。如图10所示，在承台等结构施工完成后，由中间向两边对称回填；② 基坑回填过程中，应采取措施保护立柱、已建承台、桩基、管廊等结构，保证结构周边回填压实均匀。

图10 基坑回填模型Fig.10 3D model of back-filling process of foundation pit

6 结论与建议

(1) 应用BIM技术，结合复杂深基坑工程实际案例，建立了基坑支护三维模型。通过可视化设计显著提高了参建各方的沟通效率，节约了资源，加快了出图速度，减少了设计变更成本等。

(2) 通过BIM技术对基坑的复杂节点进行详细设计，使工程复杂部位和关键节点一目了然，更好地表达了设计意图；通过对复杂节点细致精准的表达，对各种结构之间进行碰撞检查，避免了设计错误，有效指导了施工。

(3) 利用基坑BIM模型进行可视化技术交底，解决了项目在施工过程中产生的复杂问题，尤其对关键工序的清晰表达，既加快了施工速度、提高了施工质量、减少了施工成本，又降低了深基坑工程实施的风险。

总之，BIM技术应用于复杂深基坑设计和施工中，既节约了大量的时间及资金成本，又确保了复杂深基坑工程的施工质量和安全，降低了对环境的影响，产生了显著的经济及社会效益。BIM技术在复杂深基坑支护工程中的应用具有先进性、优越性和必要性。