长沙机场GTC项目复杂深基坑群BIM+4D进度模拟技术*

范俊洋，周驰晴，刘 彪，陈镜丞，黄 华，陈 达

(1.中建五局第三建设有限公司，湖南 长沙 410114；2.湖南省机场管理集团有限公司，湖南 长沙 410114)

0 引言

机场综合交通枢纽是民用航空运输和城市的重要基础设施，是区域综合交通运输体系的重要组成部分，其建设往往具有体量大、交叉复杂、建设周期长、接口多、不同标段同步实施等特点[1]。综合交通枢纽工程由多种交通方式相互连接，地上、地下建筑物相互压覆，形成复杂的地下深基坑群。由于综合交通枢纽的基坑开挖范围大，且开挖深浅不一、难度大、周期长等，基坑实施阶段的进度管理成为工程按时交付的关键[2]。调查表明，大部分大型基础工程仍采用传统进度管理模式，进度跟踪分析困难，难以实时跟踪，将计划进度与实际进度对比得到进度绩效指数SPI系数，导致进度管理缺乏整体性、灵活性等[3]，进而影响工程顺利实施。

随着信息技术的飞速发展，BIM技术被广泛应用于工程建设中，通过项目建设全生命周期信息整合、施工方案分析，有效验证并解决施工部署不合理、SPI<1等弊端，提高施工效率。Ceranic等[4]在一些案例的基础上，提出将BIM技术应用于项目施工前期选择更适合、可持续的施工方案。姚明球等[5]准确地将三维BIM技术运用在主体施工前期的场地布置与土方开挖阶段，合理地组织土方开挖施工，并进行现场评估，能较好地支撑后期施工。因此，基坑工程的BIM模型成为研究的重点[6]。基于上述分析，发现BIM技术在基坑阶段的应用已有一定基础，但在多源BIM模型集成、复杂深基坑群的可视化开挖方案随进度计划实时调整等方面的难题尚未得到有效解决。

鉴于以上问题，本文基于Project编制进度计划，利用Revit建立BIM模型，然后通过Navisworks对计划和模型进行整合，推演和展示机场深基坑群施工动态，并结合实际情况进行优化，保证施工流畅，实现基坑建造进度动态、科学管控。

1 工程概况

长沙机场改扩建工程项目位于长沙市黄花镇长沙黄花国际机场T2航站楼跑道东侧。本次建设的综合交通枢纽工程总建筑面积为49.54万m2，项目由“四类五轨”、GTC和市政配套3部分构成。“四类五轨”包括高铁机场站及机场东隧道、磁浮T3站、地铁6号线机场东站(预留10号线、S2长浏城际)，GTC包括综合交通中心、东(西)停车楼，市政配套含航站楼前高架桥、旅客过夜用房及部分室外工程。长沙机场综合交通枢纽工程效果如图1所示。

图1 长沙机场综合交通枢纽工程效果

2 深基坑群施工重难点

1)本项目基坑地层条件不利于开挖。地质勘测报告显示该项目现场土质为泥质粉砂岩，常态下该土体硬度较高，遇水软化，由于现场风化程度、地下水条件及施工天气不同，机械开挖效率波动较大，且项目土石方开挖量极大(近400万m3)，导致整个场地基坑开挖的进度管理难度大。

2)“四类五轨”的基坑两两相互交汇，并与GTC基坑连接，形成一个异常复杂的超大型深基坑群。基坑整体东西向最长约1 090m，最短约412m；南北向最长约966m，最短约389m，基坑群总面积约为23.6万m2，相当于33个足球场大小。各基坑开挖深度不同，基坑坡度变化频繁，阴阳角较多，其中GTC基坑最深处为-14.600m，地铁最深为-21.580m、磁悬浮最深为-31.800m，高铁最深为-38.465m，采用的基坑支护形式多达6种，包括混凝土素喷、混凝土网喷、悬臂排桩、桩锚外支撑支护、排桩与混凝土内撑组合式支护及排桩与混凝土内撑、钢内撑组合式支护，堪称深基坑支护工程的博物馆。

由于该项目深基坑群具备上述特点，且其由不同单位组成联合体进行施工。各单位施工范围相互连接重叠，无明显分界标志，开挖界面划分复杂；由于各单位节点要求和施工部署不同，存在同时进行基坑施工的现象，导致开挖配合困难。因此，基坑施工阶段的进度计划管理存在策划推演效率低、进度分析跟踪困难、多单位进度计划整合困难、进度计划调整工作量大等难题。

3 基于BIM的基坑阶段4D进度模拟应用

施工前，各分包单位大多根据预估土方量进行经验估算，从而编制本单位基坑施工的进度计划，随后由总包单位根据各分包单位编制的进度计划进行整合，形成基坑阶段施工总进度计划。由于传统进度管理方式中多单位沟通协调困难，易导致交叉区域开挖计划存在冲突，不能满足各单位间工作面移交与反移交要求。为保证土方开挖顺利实施，往往需反复调整多单位协作的大型基坑开挖方案，工作量大，工作效率低。

基于上述困难，将基于BIM的4D动态进度模拟技术应用于复杂深基坑群的进度管理中。基坑4D进度模拟是将复杂基坑群的高精度静态三维模型与可调整的时间维度方程结合，形成在三维空间+一维时间的4个维度上均自由运动的可视化模型动态推演技术。相比于传统的进度分析方法，基于BIM的4D动态进度模拟技术将不同进度计划对比结果可视化，帮助施工管理人员更直观、清楚地掌握施工进度偏差情况，同时根据BIM模型中工程量、成本等信息，更快速准确地推算出资源协调所需费用及工程成本间的偏差，实现工程进度全方位仿真分析。

本项目的复杂深基坑群4D进度模拟严格遵循“PDCA”的管理模式，通过现场实际施工与“BIM+”的虚实结合有效保障基坑开挖的时效性及准确性，进而使其满足甚至优于施工总控进度。具体实施流程如图2所示。

图2 4D进度模拟流程

3.1 进度计划编制与整合

根据施工部署，将本项目施工内容划分为5个工区、199个施工段，区段划分如表1所示。

表1 区段划分

为确保后续进度模拟时BIM模型能准确反映进度计划，需严格根据项目区段划分命名，并科学合理地编制各区段的进度计划。各分包单位参考己方工区的基坑工程量，本单位人、材、机的消耗水平等相关资料，使用进度计划软件编制出各工区的初步施工进度计划，将各分包单位的基坑施工进度计划导出为.CSV格式文件，在Project2019软件中进行整合，并以横道图的形式表现。

3.2 基坑模型建立与整合

编制进度计划的同时，由BIM小组根据设计图纸建立基坑模型。为提高后期4D进度模拟推演工作效率，统一采用Revit2019作为建模软件，建模时以相对标高59.300m为基准标高，(x，y)=(96 910.747，74 042.420)为建模基准点，分别建立不同区域模型。为区分不同单位间的土体施工，分别用不同颜色土体表示不同开挖区域土体材质，且在建模的同时将其土体与进度计划编制的开挖土体分区、开挖深度和命名统一。

各区域模型建立完成后，利用Revit软件中的模型链接整合各工区基坑模型的建模基准点，将整合后的基坑模型输出为BIM应用类软件支持进度模拟的.NWC格式文件。各基坑Revit模型如图3所示。

图3 各基坑Revit模型

3.3 基坑模型导入及4D参数设置

Navisworks是一款三维模型可视化软件，可对BIM模型后期进行轻量化处理与整合。4D进度模拟前，需将已输出的.NWC模型文件与整合完成.CSV 进度计划文件作为数据源一并导入Navisworks2019软件。

由于开挖土块分区命名与进度计划文件命名相匹配，在Navisworks中可实现构件与计划自动匹配挂接。自动挂接完毕后，对挂接后的文件关键节点进行校核，并对其他任意节点进行抽查校核，抽查比例为5∶1，校核完毕后如存在挂接区域与进度计划命名不匹配的情况，应对应进行手动调整，使开挖土体与进度计划中命名完全匹配。

完成挂接校核后，设置4D演示参数，针对构造(计划开挖)外观、拆除(正在开挖)外观、偏差部位分别设置不同的颜色(红色为正在开挖，绿色为预计开挖，橘黄色为进度计划冲突区段的警示色)。

3.4 总进度计划的4D模拟及调整

完成上述操作后，对基坑施工进行4D进度模拟。模拟完成后可导出演示动画，此动画包含全部工区的基坑进度计划推演，生成动画时长可根据管理人员的需求进行调整；动画演示过程中，如对某节点有疑问，视频可回溯至该节点暂停查看，便于进行详细的分析研究。根据演示动画可直观地发现和分析不同分包单位间的计划冲突，具体表现为各分包单位在基坑施工时如有计划时间上的冲突，该施工段土方将会显示为橘黄色，对橘黄色区域进行工期及资源配置的调整优化，直至计划冲突消除。

以西停车楼区域为例，基坑施工4D进度演示如图4所示。

图4 土方开挖演示

以本项目地铁与磁悬浮交叉区为例，通过4D进度模拟发现，地铁开挖作业前，磁悬浮基坑已开始开挖，存在逻辑冲突，地铁与磁悬浮交叉区位置如图5所示。查询进度计划发现，磁悬浮施工队伍于2021年11月20日开始交叉区基坑施工，2022年1月10日完成；地铁施工队伍于2021年12月10日开始交叉区基坑施工，于2022年2月21日完成。

图5 地铁与磁悬浮交叉区位置

根据施工组织设计，地铁基坑深21.58m，磁悬浮基坑深31.8m，其交叉区土方需开挖至地铁设计坑底标高后，再开挖至磁悬浮基坑设计坑底标高。因此，确认地铁与磁悬浮交叉区进度计划安排存在问题，需调整。据此召集各相关负责人对后续开挖作业的时间和资源重新进行整体优化，调整后得到的新进度计划使开挖作业衔接更科学合理。

4D进度模拟能更直观地对进度计划编制进行推演，可有效避免用传统的Project编制进度计划在大型项目中因作业面多、管理复杂、进度计划信息量大而难以发现在进度计划冲突的短板，对存在计划冲突的施工段进行优化调整，有效避免施工过程中工期延误、资源浪费情况出现，从而满足总控计划要求。

3.5 基坑实际施工的4D模拟及对比

通过4D进度模拟完成总计划进度的整合与调整后，定期将现场的实际施工进度参数输入4D进度模型，与计划进度进行可视化对比分析，及时发现偏差部位，并进行纠偏。

现场管理人员通过现场进度检查，准确掌握基坑开挖的实际进度，并记录现场实际施工开始时间与结束时间，然后在原有模型基础上添加实际施工时间与结束时间，在整个过程中对模型进行定期更新，形成实际与计划进度的对比演示动画。该演示动画可直观地对比分析实际进度与计划进度，软件将对实际进度与计划进度存在偏差的区域进行提示，即在偏差区域出现警示色。

管理人员需针对天气、现场施工条件、资源配置、管理力度等因素对警示的偏差区域进行分析，并及时纠偏，在调整后的进度模型中重新模拟开挖，直至满足进度要求。以本项目GTC工区的西2-2单元施工区域为例，4D进度模拟后结果如表2所示。

表2 GTC工区的西2-2单元施工进度对比

针对GTC工区的西2-2单元出现计划偏差分析工期滞后与开挖期限延长的原因，最终得出结论为：因管理力度不够，在西2-2区域开挖前存在大量积水未及时处理，积水清理后现场方可进行施工作业，导致工期滞后3d；在基坑施工期间出现2d小雨，影响了施工效率，比正常计划每天少出土约 5.3万m3，以及资源配置方面作业车辆不足等原因，导致该区域工期延长3d。对开挖不满足计划的施工区域进行纠偏，采取增加施工机械、延长施工时间、优化开挖方案等措施，直至满足进度总控要求，不影响后续施工。

4 基于BIM的基坑阶段进度管理效益评价

本项目通过BIM+进度计划进行4D模拟演示基坑开挖全过程，从问题的发现到解决，从计划的推演到现场实施，多维度考虑。项目开工至今，每月开展进度推演，共计12次，发现进度编排及资源配置问题80余处，其中，包括地铁与高铁交叉区移交、地铁与磁悬浮交叉区移交、关键塔式起重机安装、综合交通中心压覆区域土方开挖、三线并行区开挖、停车楼地下室完成6处关键节点时间的动态优化。通过4D进度模拟制定完成的总进度计划，相较于原进度计划为项目缩短工期约26d。通过4D进度模拟实时管控现场进度推进，使本项目基坑工程实际完成时间比总进度计划提前约16d，总计共为项目缩短工期42d。考虑施工过程中人力及施工机械支出的资源配置，如表3所示。

表3 资源配置

5 结语

以超大深基坑群工程特点为立足点，选取适宜的BIM建模软件，构建深基坑高精度模型[7]，与BIM应用类软件相结合，结合工程实例，实现深基坑群的施工可视化进度模拟和实时漫游，相对于传统的进度管理方法，4D进度模拟可在策划阶段对基坑施工计划进行科学的分析和论证，避免了不合理进度计划造成的工期延误和资源浪费，实现了在超大深基坑中施工方对进度的有效管控、资源配置的科学化管理。同时，利用BIM技术提升深基坑工程施工进度管理的科学性、有效性，为复杂深基坑群的施工管理提供有效参考。