基于BIM技术的深基坑工程施工运用分析

王 佳

山西三建集团有限公司 山西 长治 046000

在城市化建设进程不断推进的背景下，高层及超高层建筑数量增多，基坑深度也越来越深。为了提高建筑工程的稳定性、安全性，就要充分利用BIM技术，以解决深基坑施工中的问题，协调建筑工程和周围环境的关系，提高工程的整体质量。另外，在BIM技术的辅助下，可根据工程特征建立三维立体模型，以确保工程质量为前提，校核并优化施工方案，为相关工程的施工提供指导，提升施工管理水平。现结合自身经验，就BIM技术在深基坑工程中的应用展开探讨。

1 工程案例

某工程有1栋38层、2栋42层高层住宅，建筑总面积11.3万m2。本工程中，有地下室3层，基坑坑底最深处标高21.4m，开挖深度约13.9m，基坑面积4310m2。在基坑开挖深度内，有中风化泥质粉砂岩、素填土，基底处于中风化泥质粉砂岩中。基坑南北两侧均临近道路，安全等级1级，重要系数1.1；东西侧安全等级2级，重要系数1.0。基坑施工中，以旋挖桩为围护结构，桩型800@1100旋挖桩，排水方式为明沟排水。

施工重难点：①本工程有3层地下室，基坑内有格构柱换撑体系，和结构楼板的连接施工、底板防渗漏、土方开挖等是施工重难点。②支护桩和板边缘相互重叠，此处施工面积狭小，增加基础施工的难度。③地下室底板面积大，集水井、电梯井土方开挖是安全管理难点。为保证施工质量和安全需求，采用BIM技术，前期策划考虑结构是否合理，进行三维模型构建、优化设计、模拟等，并在施工过程中展开安全监测。

2 BIM技术概述

BIM技术是一种基于三维数字技术，构建数字化模型的技术形式，是指运用三维技术和软件，根据工程特征和各构件的关系，构建具有高仿真度的建筑模型，使其以立体、直观的形式呈现出来。在三维模型中，工程全部信息都被纳入其中，包括施工设计、管理、运营管理等，贯穿工程全生命周期，对提升工程管理效果、提高建筑质量具有重要意义[1]。此外，运用BIM技术能从多个角度和层面进行深化设计，具有极高的信息集成性；明确各环节间的关系，便于进行碰撞检验，避免各工序的相互冲突，强化工程的协同管理；基于某一环节的变化调整施工方案，增强各环节的关联性，实现数据信息共享，方便各参与主体对接沟通；在高度仿真可视化条件下，可跨越人脑思想的局限预演施工方案。同时，基于施工组织设计对施工过程进行模拟，保证施工方案的合理性。

3 BIM技术在深基坑工程的运用

3.1 BIM技术的应用流程

BIM技术在深基坑工程中的应用流程见下图1。

图1 BIM技术在深基坑工程中的应用流程

3.2 BIM技术的应用要点

3.2.1 施工前勘察

在深基坑工程施工前，对施工环境、地质水文条件进行全方位的勘察是一项必要且重要的工作。通过对施工现场环境、水文地质的调查，判断地貌情况，了解其是否经过人工回填改造处理；测量施工场地稳定水位的埋深，明确其标高。若地下水来自降水补给，提示地表水年度变化介于1m-2m，且含水层间相互连通。在获得工程相关信息后，结合工程特征和要求，对不同施工方案进行比较，从中选择最合适的一种。后借助BIM技术建立环境模型，使施工环境特征更加直观、全面的显示出来。在此基础上，对环境模型进行分析、计算，选择最优方案。需要注意的是，环境模型要包含地下管线分布、地形地质、周围环境等内容，才能保证环境模型的适用性。

3.2.2 构建三维可视模型

在环境模型构建完成后，需全面考虑模型所包含的信息，在此基础上构建三维可视模型，确保深基坑结构的科学性，充分发挥出深基坑的支护作用。一般来讲，在深基坑施工过程中，由于各因素影响导致实际施工和设计方案存在偏差，所以必须充分运用BIM技术建立三维模型，此时各工序和构件关系一目了然[2]。如果施工过程中出现不足或变动，通过该模拟展开模拟可优化施工方案，提高方案设计的有效性。另外，经BIM技术的可视化功能实时监测工程，并科学设置临界预警值，当模型发现数据超出规定值后自动发出警报，实现智能监控的效果，确保深基坑施工安全。本工程中，深基坑监测内容和预警值见下表1。

表1 深基坑监测内容和预警值

3.2.3 设计优化和图纸会审

（1）设计优化。在深基坑结构阶段的优化，通过施工前勘察资料的整合、模型建立、数据分析，帮助相关人员了解工程情况，深化地质参数，设计施工方案，方便相关人员了解设计想法。在方案设计优化过程中，通过施工场地的布置、模型的应用，对模型中的土方展开分析，划分开挖区域，根据开挖量、高程的区别，将基坑划分为3个区域，然后再开挖土方。同时，参照不同的开挖作业优化运输线路，经三维模型展示施工现场内的道路及开挖前后的基坑面貌[3]。（2）图纸会审。基于BIM模型对深基坑工程进行三维查看、图纸输出，并核查结构图纸、支护结构设计、监测点位布置等，辅助图纸会审。发现图纸和实际有出入后，安排人员到现场勘察、审核，为施工图纸的优化调整提供参考。

3.2.4 技术交底

深基坑施工涉及众多工序，为了保证施工质量，对关键工序、重要部位采用基于BIM模型的技术交底。具体包括：（1）格构柱调垂。在工程逆作施工区，实施“一柱一桩”支撑体系，采用于格构柱内插入钢筋混凝土立柱桩支撑系统（竖向）。在格构柱施工过程中，运用气囊法调垂处理，此工艺属于隐蔽工程，再加上格构柱是整个工程主要的承重构件，故需严格把控其的制作和安装；构建格构柱调垂模型，细度LOD300，包含气囊调垂设备、钢筋笼，经模型介绍气囊法的工作原理和组成部分[4]。（2）梁柱节点处理。“一柱一桩”支撑体系是永久结构柱，位于上部梁柱节点的梁钢筋需穿过钢立柱，因此其节点处理比较复杂。本工程中，格构柱横截面（外缘）400×400，框架梁界面500×1100、800×1100，框架梁纵筋间距也比较大，拟采用钻孔钢筋连接法对各节点进行处理。（3）后浇带细部构造。深基坑施工作业面大，需要在多处设置后浇带，尤其是顺逆、逆作区结合处。基于此，需构建LOD400级后浇带模型，并在模型内纳入材料信息、施工工艺，运用BIM模型逐一展示后浇带细部构建。实际施工中，为了能够均匀传递后浇带受力，于基坑西侧后浇带添加工字钢作传力杆件，提高结构受力的整体性。

3.2.5 施工模拟

（1）基于优化方案和工程模型，相关人员只需使用Revit软件即可达到深化施工场地布置的效果，关键内容有：基坑分区开挖、土方运输等。需要注意，过程中不能只关注工作开展，还要检查是否符合要求，若发现和要求不符的地方，需重新设置，以免影响后续工作的开展。（2）结合专项施工方案进行施工模拟，严格把控施工进度。在施工场地布置完成后，在相应软件内导入模型，辅以漫游技术观察施工情况及对周围环境的影响。漫游技术的应用，不仅能把握地下管线、建筑结构的影响，还能预测工程竣工后的效果，比较适用于不同方案的比较。对于不合理的地方，及时制定整改措施，原则上是合理调整施工工艺和作业面，以便提高施工效率和工程质量。

以土方开挖为例，受周围环境、支撑体系、施工场地等方面的限制，土方开挖是前期基坑设计需要关注的重点，如开挖顺序、车道设计等。前期对施工场地进行勘察，由于本工程基坑开挖深度较深，底板面积大，采取盆式开挖法，分区域、分层开挖；基于三维模型，模拟不同施工阶段的工况，直观展现施工方案，提高各工序的沟通效率；基于BIM模型、围护体系，结合各阶段的施工工序，通过摆放施工设备、模拟车辆行进路线等，来了解施工现场的机械使用情况。

3.2.6 施工安全监测

本工程基坑开挖深度在10m以上，是一项危险性较大的工程。基坑工程不可预见性多，设计、施工首先考虑的问题是确保基坑和周围环境安全，基于BIM技术的参数信息化、协同性等特征，不仅能快速识别基坑施工中的危险点、敏感点，还能清晰直观的展示出基坑变形情况，从而有效防范安全事故的发生[5]。在施工安全监测中，要做好以下几点：（1）布置监测点位。按照监测要求和设备类型建立监测点位模型，运用模型布置监测点位、传感器，经第三方软件上传监测数据和结果，监测系统整合后再将数据上传至Revit模型，以直观的形式完整展示监测过程。（2）采集数据和整合。定时或不定时的采集监测数据，通过传感器传至第三方，经监测系统进行分析、统计，形成完整的数据结论。（3）和BIM模型关联。通过对基坑位移、建筑物沉降、地下水等监测点位数据的采集，经Revit软件进行二次开发，和三维模型颜色相关联，运用三维可视化功能直观反映安全预警的区域。对于监测点位，在Revit软件内单独增设参数，设置警报值，在范围内为绿色，超出范围为红色，并设置预警提示。

对于深基坑工程而言，只有全方位的监测支护结构、周围土体等，才能全面把控工程施工对周围环境的影响、工程安全性，同时也能在出现问题后做出反馈，并基于实际情况对相关参数、施工工艺进行调整，以此来保证深基坑施工安全顺利的进行。

3.3 BIM技术的应用效果

在深基坑工程施工中，BIM技术的应用具有显著成效，主要表现为：（1）通过BIM模型优化场地布置，保证材料区、设备选址的合理性，防止因场地布置不合理影响施工进度。（2）对于难以把控的施工环节进行模型展示，有助于相关人员了解设计意图，防止因盲目施工频繁出错，引发质量问题[6]。（3）对施工过程进行模拟，能够了解各工序的施工情况，避免管理人员错误估算施工情况，实现对施工进度的预测与把控。在本工程中，通过BIM技术的应用，不仅保障了深基坑工程的施工质量，还获得了良好的经济与社会效益，至少节约了65万元的成本。

4 结语

综上所述，BIM技术在深基坑工程中具有显著优势，市场前景广阔。本文通过上述分析，得出以下结论：（1）BIM技术的优势在于能够完整的勾画工程落实流程，同时也能分析、存储各阶段的数据信息，形成完整的数据库，方便日后调用。（2）通过前期勘察、模型构建、设计优化和图纸会审等，能够充分发挥出BIM技术的作用，为深基坑工程的顺利施工提供指引。（3）目前，BIM技术日益成熟，本文BIM技术应用只是基本的功能尝试，还存在一些问题，全方位、全过程的BIM技术应用有待深化。