BIM技术在深基坑工程勘察及支护设计中的具体运用

张靖杰

（中国建筑科学研究院有限公司--北京构力科技有限公司）

1 引言

基坑工程属于集勘察、设计、施工及环境保护于一体的综合性工程，基坑支护作为基坑工程中最重要的一部分受地域及环境条件的影响很大。在进行基坑工程施工时，要能结合具体的地形、地貌及水文地质等情况，合理设计支护结构，以此保证基坑自身的稳定以及周边环境的安全。下面结合实际，就基于BIM技术的深基坑工程勘察与支护设计问题做具体分析。

2 BIM技术特征与优势分析

BIM技术以三维数字技术、计算机技术为基础，利用各项技术手段实现对建筑工程项目各项信息的收集、整理与利用。BIM平台中三维数据库中各项数据信息都能被共享，参与工程建设的各单位、各部门有权力访问数据库，并根据实际情况对数据库中各项信息进行编辑更新，从而使其他部门都能及时、准确的掌握工程设计进度，以便更好地进行沟通协作[1]。BIM模型是以建筑工程项目各项信息数据作为建立模型的基础，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的各项真实信息，从而实现立体建模以及虚拟施工的。作为数据化工具，BIM技术在工程勘察、设计、施工等多个环节都有着重要作用。相较传统技术手段，BIM技术协调性强、可视性高，并且还具有可出图、可模拟等功能。将BIM技术科学应用于深基坑工程的勘察与设计，可大大简化工程流程，提高工作质量与效率，减少设计变更[2]。

3 BIM技术在深基坑工程勘察中的应用

BIM技术的出现与发展为深基坑工程的勘察带来了便利。结合以往的勘察以及研究结果可知，岩土体具有复杂性、非连续性等特征，采用传统的勘察技术难以获得全面、详细、直观的岩土信息，但如果采用计算机、BIM等技术将地质模型三维化，建立起三维实体，那么工程的地质、岩土信息将得到全面且清晰地展示。

某深基坑工程施工区域地形地势复杂，勘察难度大。为降低勘察难度，提高勘察精度，在地质勘察过程中运用了BIM技术。勘察时将BIM技术与周边GIS数据相结合，以Autodesk软件技术平台为基础，以Inventor Professional和Civil 3D为核心建模软件。在勘探过程中，发挥BIM数字化、可视化功能，向参建者通过web监测平台三维立体、高清、全面地呈现深基坑工程的地质信息，使设计人员与建设人员更准确地把握工程地质特征。同时为了进一步提高地质勘察精度，还将IDS套包和Inventor运用到其中，并在勘察过程中结合运用Civil3D进行详细勘察[3]。

在深基坑勘察作业中，运用Revit软件来进行建模。与传统的三维建模软件相比，Revit软件更便于操作且功能更为强大，因而能为深基坑的勘察带来很大帮助。如Revit软件具有强大的API接口，Revit API能将具有分析和可视化功能的软件与Revit对接，或者根据三维可视化和分析功能的要求对Revit进行二次开发，从而提高岩土工程地质勘察的建模效率。在勘察过程中，先将深基坑工程项目的二维勘察资料收集起来，对各段面的地质信息进行提取，获得地层厚度、类型等重要信息（见图1）。完成上述操作后，基于以上信息进行建模，建模时将各勘探点准确布置在平面上并进行标号。在建立场地模型时，可采用导入文件或者放置点这两种方式在场地模型内输入各点的X/Y/Z坐标，经过软件与系统自动转换后，能得到所需的场地模型，深基坑工程的地层信息在三维地质模型中能清晰显示[4]。

图1 Revit软件建模（计算机截图）

在深基坑工程勘察阶段，也可利用CAD文件的等高线绘制地形图面。在CAD文件中，每一条等高线图形相当于很多个点组成的对象，若等高线是一条连接闭合的曲线就能生成一个曲面，当曲线数量越多时，形成的曲面也就越精细。在制图过程中施工区域内的山谷线、山脊线等地形特征线会以特殊的线段表示出来，对这些特殊线段运用三维多段线表示后，同样可以作为一条源数据生成曲面。

研究与实践证明，将BIM技术运用在深基坑勘察工作中后，勘察图纸中的问题将更容易被查明。在传统的技术手段下，勘察资料是由多张剖面图、平面图构成，这些图纸各自独立，相互之间的联系性不强，不利于从整体上把握工程的特征。但是在运用BIM技术构建起三维立体模型后，以上问题都将得到有效解决。三维模型可以在BIM软件中任意转动，随意切剖，这样的直观优势便于工程师们交流沟通，从而提高工作效率。在深基坑勘察作业中合理运用BIM技术，可以获得工程所建区域的地质情况数据信息，从而使后续的支护设计更顺利、更科学有效地开展。

4 BIM技术在深基坑支护设计中的应用

某深基坑工程开挖深度为15m，开挖区域内地质环境相对复杂，设计以及施工难度大。为降低工程设计难度并提高设计方案的科学性与合理性，拟将BIM技术应用于深基坑设计中[5]。

在进行深基坑支护设计时，以工程勘察报告为依据，综合考虑深基坑的开挖深度、场地周边环境条件以及支护高度、基坑平面位置等各项因素之后，确定支护方案。该工程基坑具体情况为：基坑AB、BC、CD段安全等级为一级，重要性系数取值1.1；DE、EF、FA段安全等级为二级，重要性系数取值1.0，稳定安全系数FST取值1.35。深基坑支护工程属于临时支护工程，边坡支护工程设计为永久性支护，在设计时不考虑地震工况[6]。

设计基坑顶部时，将附加荷载值确定为15kPa，将邻近道路荷载值确定为30kPa，建筑物每层荷载确定为25kPa，挡土墙荷载按照高度每米25kPa的值进行设计，各荷载值需科学合理，不能出现超载使用的情况。

在设计支护方案时，首先对区域内的地形地势进行分析。根据勘察结果可知，该施工段基坑轮廓线与挡墙紧邻，并且地形地势变化较大。为避免在施工与使用阶段出现安全问题或质量问题，在设计前先委托第三方专业单位按照《建筑边坡工程鉴定与加固技术规范》（GB50843-2013），对现有挡墙的安全性、稳固性进行分析鉴定，完成鉴定后，根据鉴定结果确定支护形式。经过对可行性方案对比后，针对该基坑，初步选用的总体支护方案是：放坡+100厚C20挂网喷混凝土护、排桩+锚索+100厚C20挂网喷混凝土护等支护形式。

在获得初步的设计方案后，综合分析工程施工环境、经济技术条件、场地条件以及工程项目要求等多项要素。为使任务分析的更加合理准确，在分析过程中可将各项调查数据输入BIM软件，进行计算、整合与分析，为方案设计打好基础。具体的设计流程如下。

首先，基于各项勘察数据，在三维建模软件中建立几何模型，将软件导入并进行信息补充（见图2）。利用Revit等软件补充出土层的粘聚力、内磨擦角、重度以及钢筋等级、支护桩砼标号等重要信息，对各数据进行处理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中，由该软件对其支护受力、变形、稳定性以及配筋率等进行计算，最后得到桩长等重要信息。

系统计算出数据后，设计人员根据系统计算结果对支护方案的科学性与可行性做进一步的分析判断，及时发现方案中的不合理之处，并做出改进，确保深基坑支护方案科学可行。在使用BIM技术进行深基坑支护设计时，如果有必要，设计人员还可借助BIM技术进行人机交互，防止出现因软件功能不足而计算错误的情况发生，确保支护方案的科学合理。在完成各项计算后，将所得数据贮存在BIM信息模型中，之后运用BIM出图功能导出深基坑支护图纸以及相应的计算书。

图2 基坑支护BIM可视化方案（计算机截图）

5 结语

综上所述，BIM技术先进、功能丰富、适用范围广，在深基坑勘察与支护设计工作中发挥着重要作用。在当前背景下，应进一步加大对BIM技术的研究与应用，以提升深基坑工程勘察及支护设计水平。