BIM技术在某水质净化厂工程复杂结构深基坑中的应用
时间：2023-04-22 10:20:05 来源：千叶帆 本文已影响人
曹 阳 李 顺 金 旭
(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明 650000)
作为建筑工程中的重要组成部分，深基坑工程本身具有地质条件影响明显、施工条件复杂以及专业性较强等特点[1]，在设计、施工管理、质量和安全管理等方面都有很多重点和难点。当前， BIM技术主要用于方案展示和土方挖运过程的模拟[2]，而在辅助基坑施工安全、质量、优化控制方面的研究和应用还处于初步发展阶段。采用BIM技术进行精细化管理尝试，十分符合当下工程建设的应用需求[3]。
在深基坑设计的研究方面，慕冬冬等人应用Revit软件建立了基坑支护三维模型，主要从理论层面分析总结了BIM技术运用于深基坑工程时存在的问题和原因[4]；
在质量和进度管理方面，谭佩等人重点对深基坑3D模型的建立、基坑监测数据实时查看、复杂节点配筋以及施工进度模拟等内容进行了阐述[5]，但目前利用BIM技术的基坑建模和计算技术都不够成熟；
在基坑工程信息化应用方面，童希明等人在方案设计和基于模型的实施应用方面进行了积极实践，但在与信息化结合开发应用方面略有欠缺[6]；
在安全风险识别方面，张志慧利用Revit二次开发技术构建了深基坑施工安全识别系统，但该系统较为粗略，各项功能需要进一步完善[7]。
借助BIM技术的可视化、优化性和模拟性等优势，可以更好地攻克深基坑工程在设计、施工管理等阶段中存在的困难，而目前国内在此领域的研究还比较薄弱。因此，本文对于BIM技术在复杂结构深基坑中的应用研究具有十分重要的意义。
1.1 项目概况及介绍
本项目是位于广东省珠海市的水质净化厂工程，处理规模5万m3/d，占地面积50 084.15m2，项目结构主体为整体地埋式结构，工程主体埋于地下。基坑总面积36 678m2，基坑最深处为12.3m；
项目基坑施工体量大、结构复杂，总用桩量36 000余根。采用深层搅拌桩软基处理+三轴搅拌桩止水帷幕+双排钻孔灌注桩(局部设1-2排锚索)支护，顶部设连接板，中部设连接腰梁，基坑支护平面的基坑支护形式，如图1所示。
图1 基坑支护平面图
项目在设计施工全过程深度应用BIM技术，以信息化的手段辅助解决基坑施工中的设计优化、工序搭接、施工模拟、地质研判、施工安全保障和基坑监测等重难点问题，BIM技术在本项目中的应用流程如图2所示。
图2 项目基坑工程BIM应用流程
图3 参数化建模
1.2 基坑BIM模型的创建
本项目采用Revit软件、Civil 3D软件、自主研发地质建模软件、无人机航拍倾斜摄影及360全景等技术进行基坑全方面模型的精细化创建。
1.2.1 场地布置、倾斜摄影、基坑全景数据创建
使用Revit软件创建场地布置模型，对场地布置各项构筑物设施设备等进行等比例建模，采用无人机航拍建立基坑施工区域及周边区域倾斜摄影模型，将全景技术引入项目，使用全景相机采集基坑施工现场全景数据，进行全景漫游查看。
1.2.2 土方开挖模型、桩基BIM参数化建模、地质模型创建
采用Civil 3D软件根据土方开挖方案进行分层土方开挖模型的创建，使用Dynamo参数化建模方法进行基坑桩基模型的创建，桩基模型参数可变并实现了对3万余根桩基的快速编码。桩基模型与编码挂接，最终将信息完整的模型集成到BIM技术服务平台，如图3所示。
地质建模采用公司自主研发的地质BIM软件GeoBIM建立。地质BIM软件GeoBIM是基于三维设计软件Rhino的二次开发软件，其功能包含：①数据录入、管理；
②工程地质标准库；
③三维建模功能；
④三维模型分析功能；
⑤图件编绘；
⑥系统接口。
根据地勘资料采用地质BIM软件使用多S结合与集成技术创建地质模型，对每一层地质模型信息进行展示，如图4所示。
(a)地质建模
1.3 基于整合基坑模型的BIM应用
1.3.1 设计优化
基坑工程支护结构设计阶段的优化通过前期地勘资料集成管理、数据分析、地质模型的建立，以辅助了解工程现场实际情况，深化地质参数，进行方案设计，方便施工单位理解设计意图。
在施工方案设计的优化中通过基坑模型和场地布置开展应用，根据基坑模型中土方和场地模型的分析，进行开挖区域划分，按照土方开挖量和设计高程的不同，将基坑总体化分3个独立的区域(1号、2号、3号基坑)进行平行施工开挖，根据不同开挖阶段进行场内运输线路优化，通过三维基坑场布模型对厂区内道路进行展示，通过堆载和卸载土方模型对比方式对开挖前、开挖后基坑形象面貌进行展示，如图5所示。
(a)基坑场布
1.3.2 工程量计算
依据基坑施工BIM模型进行土方开挖工程量、支护结构桩基混凝土用量计算等。
(1)基于CIVIL 3D软件按照开挖方案分三层创建土方开挖模型并计算总工程量为28 5481m3，施工项目部计算土方量为283 729m3；
总体开挖土方量与计算土方量差距较小，采用BIM技术的土方开挖工程量计算为工程施工提供了可靠的数据支持；
(2)本项目中设计施工混泥土钻孔灌注桩1 258根，止水帷幕三轴水泥搅拌桩1 430根、三轴加固搅拌桩322根，加固单轴水泥搅拌桩5 565根、封底水泥搅拌桩9 887根、出土道路单轴水泥搅拌桩10 246根、出土道路加固桩2 140根；
按设计要求进行桩基、连接板、锚索、腰梁等模型的创建，并导入BIM软件进行工程量统计，统计模型工程量经与业主派驻第三方咨询机构的图纸算量对比，误差较小，在允许范围之内。
通过模型和传统的图纸算量对比分析，使工程量数据更加真实可靠，为后面的施工和资源投入、造价提供依据，基于BIM模型来测算造价数据，提高了测算的准确度和精度[8-9]。
1.3.3 图纸会审与三维交底
基坑支护图纸设计完成后组织进行图纸会审和三维交底。
(1)基于基坑BIM模型进行三维细节查看、三维图输出，并对结构图纸、监测点布置、支护桩设计及其计算参数进核查，辅助图纸会审工作；
(2)基于基坑BIM模型三维交底，对开挖注意事项、开挖顺序、出土(坡道设置、出土方式等)基底保护层留设进行说明，如图6所示。
(a)基坑开挖分区
1.3.4 施工模拟与进度管控
借助BIM软件所构建的基础模型完成对本项目基坑施工的直观化施工模拟[10]，对基坑施工场地布置、施工进度、施工工序及施工工艺进行三维可视化演示，模拟情况如下：
(1)工程地质模拟：场地由上至下依次为人工填土、淤泥及淤泥质土、粉质粘土及粗砾砂、第四系残积层、全强风化花岗岩各岩层展示；
(2)基坑围护结构和施工顺序模拟：围护结构的内容、施工区域划分和顺序；
(3)支护结构施工工艺模拟：①三轴水泥搅拌桩“两搅两喷”工艺；
②深层水泥搅拌桩“四搅四喷”工艺；
③旋挖灌注桩施工：开挖、成孔，吊安放钢筋笼、浇筑、“跳三钻一”施工方法；
④连接板施工；
⑤锚索施工：设备就位，造孔，索(杆)制作与安装，注浆，张拉，锁定，封锚工艺；
(4)基坑开挖模拟：监测点布置、基坑开挖顺序、开挖进度和施工流程等，如图7 所示。
图7 基坑施工模拟
采用全景相机对现场进行全景采集，如图8所示，周期性、全局性、大范围采集施工现场影像数据，及时记录现场形象面貌和进度情况，通过统一的BIM技术服务平台进行集成，支持平台客户端、移动端微信小程序进行查看，使得项目参建各方管理人员在不到现场的情况下可以随时查看现场施工情况，强化基坑施工现场管理和进度管控。
图8 基坑施工全景
2.1 模型及信息集成展示
模型及信息集成展示解决的问题是基于项目BIM技术服务平台对基坑施工全过程资料进行收集上传、统一管理，对三维模型、现场实景GIS模型及其附带属性信息进行集成，基于完整的数据库进行数据挖掘和三维应用。具体包括采用信息化的手段开发基于平台的地质研判系统、桩基验收系统、基坑监测系统及数据大屏等，对集成的基坑数据包括文档资料、二维纸和三维模型等数据进行展示。
2.2 地质研判及分析应用
在本项目中采用信息化与BIM技术相融合的方法，使用BIM+GIS、Web技术，开发平台端的地质研判系统，集成地质模型，实现在浏览器端的快速访问。将每一层地质信息以三维面貌的形式进行直观展示，可以对地质层信息进行详细浏览和查询。通过三维地质模型和场地模型，基于地质研判系统直接在地质模型上进行虚拟钻孔、虚拟打桩、长度面积测量和地质剖切等，辅助决策基坑中桩的布置；
通过坐标设置、钻孔尺寸设置进行虚拟钻孔，并以截面、剖面的方式对钻孔处地质层信息面貌、深度等进行直观展现；
结合现场实际情况、针对分区的某一桩基施工进行坐标定位、桩基直径大小、桩基实际施工长度输入，系统根据输入设置自动进行模拟打桩，提供BIM桩长数据，并与设计桩长对比；
施工方在施工时，除参考设计提供的桩长数据外，更能同时参考BIM提供的桩长数据，降低因设计误差而导致的施工桩长数据误差。
图9 基坑施工模拟打桩
2.3 桩基验收
本项目中桩基数量较多，对36 000多根桩基资料审批签章工作量大。通过BIM技术服务平台对桩基验收资料进行收集上传，对桩基模型进行自动编码，基于编码实现验收资料和桩基模型自动对应。通过查看三维桩基施工模型同步查看该桩基的验收资料，也可在不同界面下进行验收资料和模型的单独查看，支持检索查询、突出显示等，实现基于BIM技术服务平台的桩基验收资料信息化管理，如图10所示，同时实现对工程建设其他主体结构验收资料的集成管理。
图10 桩基验收
2.4 基坑监测
BIM技术在基坑施工监测方面凭借其可视化强、应用广泛和专业覆盖性强的特点有着明显的优势作用[11]。
本项目将BIM技术融入施工监测当中为基坑监测提供一种可行性方法， 通过BIM技术服务平台对基坑监测数据的管理和分析，图表化、模型化的展示极大地方便了项目参与各方的沟通交流，如图11所示。
(a)水平位移
本文通过将BIM技术深度融入基坑施工当中，基于项目BIM技术服务平台进行创新性开发应用解决项目实际问题。
(1)通过基坑施工全过程模型创建，为项目工程量计算、施工模拟、场地布置等提供基础支撑积累了大量深基坑建模成果和经验；
(2)成功搭建了服务于项目施工的地质研判系统、桩基验收系统、基坑监测系统、三维集成与展示系统等，并在深基坑施工地质研判、项目验收、基坑监测及模型与数据可视化方面取得良好效果；
(3)在平台开发中将BIM与信息化相结合，拓展了BIM应用的深度和广度，充分发挥了BIM技术与信息化相结合的独特优势和价值，为行业基坑施工BIM技术应用提供参考示范。
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