BIM 技术在某工程基坑支护设计中的应用

何梁兴

（宁夏中材岩土工程有限公司，宁夏 银川 750021）

1 概述

建筑信息建模(BuildingInformationModeling，简称BIM)，是一种建筑信息的三维可视化手段，其具有可视化、协调性、模拟性、优化性、出图性等特点。20 世纪70 年代，乔治亚理工大学的Chuck Eastman 教授提出了BIM 概念，BIM 研究至今已经历了萌芽、产生和发展三个阶段。随着我国对BIM 研究时间的增加，国家相关技术规范的陆续出台，BIM 技术在建筑工程中得到了广泛的推广和应用，但其在地下空间工程领域内应用相对比较少。对于基坑支护工程，以往的设计都是通过CAD 进行二维平面设计，其无法直观的反应出拟开挖基坑的三维状态，这使得和业主方、施工方等相关方的沟通交流很不方便，对于设计图纸中的不合理处难以及时发现，对于施工过程不能进行直观的指导，将BIM 技术引入到基坑支护工程中，有利于实现工程信息共享，优化设计方案，促进沟通交流，提高协同工作效率，减少施工中的常见问题。本文基于BIM 技术，针对实际工程案例建立基坑支护模型，分析如何有效地将BIM 技术应用于基坑支护设计中，以期对类似工程起到一定参考作用。

2 工程概况

某建筑工程由2 栋29～30 层，3 栋1～2 层的商业用房，1栋1 层的垃圾中转站组成，均设2 层地下室，采用框剪结构，筏板基础。基坑形状为矩形，长约137.9m，宽约112m，基坑预计开挖深度9.4m。场地北侧为道路，南侧为1～3 层已建建筑物，西侧为已建小区，东侧为2 层已建售楼部。本工程地质条件较为简单，土层自上而下分别为：①杂填土，杂色，松散-稍密、干-稍湿，主要由砂土、炉渣、建筑垃圾、旧建筑物基础及少量生活垃圾组成，厚度约0.5m；②细砂层，黄褐色-青灰色、稍密-密实，稍湿-饱和状，其矿物成份主要为长石、石英、云母片等，巨厚层。

场区属河漫滩平原潜水区，水位埋深约5.0m，岩土以细砂为主，地下水主要受沟、渠侧向渗入补给，其次为大气降水的补给。地下水动态类型属黄河侧补蒸发～径流型。地下水位动态主要受气象、水文、灌溉等因素影响呈季节性变化。正常年份水位变化幅度在0.5～1.0m 之间。

3 基坑支护方案

基坑距离周边道路和建筑物较近，开挖深度大，土层以细砂为主，基于基坑开挖深度、周边环境以及场地地质情况，基坑安全等级为Ⅰ级。基坑支护方式采用土钉墙+锚拉式排桩，即上部一定深度采用土钉墙支护，下部采用锚拉式灌注桩进行支护。a.土钉墙：地面下0～3m 采用1:0.5 土钉墙放坡，埋深1.5m 处设置一排注浆土钉，土钉长4.5m；b. 锚拉式排桩，土钉墙下部采用灌注桩，桩径600mm，桩间距1.0m，桩长11.0m，灌注桩顶下1m、3.5m 各设置一般锚索，锚索长度分别为15m，腰梁采用14A 双拼槽钢，支护示意见图1。

图1 土钉墙+锚拉式排桩支护示意图

4 BIM 模型的建立

4.1 建模准备

目前进行BIM 建模的软件较多，本次基坑建模软件主要使用CAD、Revit、Navisworks、Photoshop 以及会声会影，通过各软件配合使用进行BIM 基坑建模，以及后期施工动画模拟。

4.2 BIM 建模流程

4.2.1 高程系统的建立：为了方便确定不同支护构件的空间位置，在整个三维建模前，需要在Revit 软件中进行高程系统的建立。对于建模的高程系统，Revit 软件中有两种类型，一种是软件自带的系统标高，如结构平面标高、楼层平面标高、天花板平面标高等；另一种是用户根据需要自行建立的标高。Revit 软件中关于基坑模型标高基本没有，用户需要自行建立标高。以本工程为例，根据需求划分出项目所涉及到的标高平面，如基坑底标高、基坑顶标高、桩端标高、桩顶标高、冠梁标高、锚索标高等，使用Revit 软件中的“建筑”下的“标高”命令，建立高程系统。

4.2.2 基坑轮廓的建立：对于基坑轮廓形状的建立，Revit软件中一般采用体量进行建立，体量的创建一般包括内建体量和概念体量，但是用体量创建基坑轮廓的速度慢，容易出错，后期如果基坑形状发生改变，基坑体量修改也十分麻烦，鉴于此，本工程使用Revit 软件中的“地形表面”进行基坑轮廓形状的建立，将CAD 中设计好的基坑平面布置图链接至Revit 软件中，使用软件中的“体量和场地”下的“地形表面”工具，创建出地形表面，通过“拆分表面”工具，将地形表面拆分成不同的区域，通过“编辑表面”命令对边界点的高程进行赋值，从而创建出基坑基本轮廓。

4.2.3 模型单元的建立：Revit 软件建模过程中模型单元大体分为两种，第一种是“系统族”，包含了大量的基本建筑图元，如梁、板、柱等，系统族不能被创建、修改，无法通过外部文件载入，也不能保存在除项目之外的地方。第二种是“用户自建族”，用户可根据项目需要自行创建族，族可载入或载出到其他项目中，可重复利用。由于Revit“族”库中基坑支护工程结构构件较少，对于软件中没有的模型单元采用“用户自建族”的形式进行创建。以本工程为例，支护方式采用土钉墙+锚拉式排桩支护，因此需自行构件土钉墙面层、土钉、钢板网、冠梁、灌注桩、锚索、腰梁等族，建族时将相关参数进行参数化编辑，方便后期建模过程中对族进行参数的动态调整，本工程中采用的灌注桩桩径为600mm，桩长11.0m，桩间距1.0m，当后期遇到类似工程或者需要变更桩参数时，可直接更改族类中的参数进行参数化编辑，方便基坑支护设计，灌注桩建族见图2。

图2 灌注桩建族示意图

4.2.4 基坑支护模型的建立：当基坑建模所需要各个构件族建立完成，即开始对基坑进行整体建模，将CAD 图纸链接至Revit 软件中，通过平面设计图纸确定支护结构的平面位置，通过已经建立的高程系统及支护结构的立面图确定其竖向位置，将基坑支护模型单元进行空间组合，组合过程中可对不同支护构件按设计方案进行参数化调整，使其可以正确的放置在三维空间中。以本工程为例，基坑模型按施工工艺顺序进行模型组合，将建立好的构件族导入Revit 项目，对其空间位置进行调整，从而达到支护模型与实际支护一致，支护模型见图3。

图3 支护结构三维模型图

5 BIM 技术的应用

5.1 优化设计

基坑三维模型的建立过程中，可以对基坑空间结构具有一个立体直观认识，对于其中的设计不合理处，可以进行快速检查，及时修改。以本工程为例，通过检查，发现基坑转角处土钉墙面层连接不合理，基坑转角处出现了两个转角，而实际上基坑面层连接处应为一个转角，后对CAD 图纸中的对应位置进行了检查，发现图纸设计中出现了错误，土钉墙面层分界线不是两个角点的连线，从而对基坑平面设计图纸进行了修改。

本文所举例的项目所涉及的优化设计只是BIM 技术进行优化设计一个小点，对于基坑轮廓形状较为复杂情况，基坑设计的优化会更多，例如当基坑形状出现阳角的情况下，基坑阳角部位的土钉、锚索等支护结构可能会发生交叉，阳角的土体卸荷较阴角大，应力状态与常规开挖面、阴角开挖面不同，支护结构承受应力更大，对于基坑阳角土钉、锚索交叉，需要调整土钉、锚索埋置深度及入射角度，重新验算安全性是否满足要求。

在三维模型中整合基坑周边的建筑物相关信息，可快速核查基坑支护结构与周建建筑物的安全距离。将周边建筑物基础的形式、埋置深度等相关信息整合到基坑三维模型中，导入至Navisworks 软件中进行碰撞检测，通过检测报告，核查碰撞部位并进行调整。以本工程为例，通过碰撞检测，发现基坑西侧支护段部分锚索打到已建18 层商住楼地下室外墙上，这部分锚索如果按照原先入射角度、埋置深度在后期是无法施工的，这会严重影响支护结构的安全性，需要对该部位的支护调整，经重新验算后，决定将该部位锚索埋置深度加深2m，锚索入射角度从15°变为20°，桩长由11m 增加值16m，对支护结构进行针对性的优化设计，提高了支护结构的安全性，碰撞检测见图4。

图4 锚索碰撞检测示意图

5.2 基坑施工动画模拟

在Revit 中建立好三维基坑模型，将模型图导入Navisworks 软件中进行施工过程动画模拟、漫游动画，运用视频编辑软件将三维动画进行剪辑拼接，即可完成施工动画。

在与业主方进行设计方案汇报时，设计方案以三维模型形式展现出来，基坑的支护形式、支护方法以及基坑与周边的道路、管线、建筑物相对关系也会一一反应在整个三维模型中，这可以大大提高设计人员与其他非相关专业人员的沟通效率，让业主方对于整个技术方案有更加深入的了解，方便业主对于安全、造价、可行性、工期等多方面进行对比分析，选取最优方案。当然，如果在投标过程中通过BIM 技术进行方案汇报，对于项目的成功签约也会有一定帮助，基坑支护总体模型见图5。

图5 三维基坑支护总体模型展示

在与施工方进行交底的过程中，通过BIM 技术生成基坑施工模拟动画，可更加清晰的展示项目施工过程中的关键施工节点、相关重要的施工数据，对于项目中的技术难点、要点，施工方可更加了解，有助于施工前提前发现问题解决问题。以本工程为例，基坑支护施工流程分为:a.灌注桩施工;b.第一板土方开挖;c.土钉墙施工、冠梁施工;d.第二板土方开挖;d.锚索施工、桩面层施工、腰梁施工;e.第三板土方开挖;f.锚索施工、桩面层施工、腰梁施工。对于这些施工阶段可以按施工顺序进行模拟施工，施工中的关节节点、工序可以更加直观的展示出来。

6 结论

目前，BIM 技术在建筑行业广泛应用已成为一种趋势，通过采用BIM 技术可以将的二维设计图纸转化为三维立体模型，以本项目为例，基于BIM 技术建立三维基坑模型，得出以下结论。

6.1 可以形象直观对工程进行展示，在设计方案汇报时，可见设计方案直观的展示给业主单位，方便不同专业乃至不同行业人员进行交流，为项目的决策提供参考，提高各方的沟通交流效率，保障了工程项目的顺利实施。

6.2 通过BIM 技术对基坑的可视化建模，可以使工程的关键部位一目了然，对各种结构之间进行碰撞检测，可发现二维图纸中不容易发现的问题，避免设计错误，使设计更加合理。

6.3 BIM 技术的基坑可视化建模，可演示施工不同阶段，有效指导施工，避免纸质交底的不足，提高施工质量，减少错误。