BIM技術(shù)在基坑工程信息化中的應(yīng)用

童希明 劉光磊

(北京中巖大地科技股份有限公司,北京 100041)

引言

BIM是建筑信息模型(Building Information Modeling)的縮寫，它是一種數(shù)據(jù)化工具，將建筑物的特性用信息化形式模擬，在工程的設(shè)計、施工、運維管理等領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。近幾年BIM技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用的熱度不斷攀升，給建筑行業(yè)帶來了從二維到三維的巨大變革，建筑行業(yè)步入了信息化發(fā)展的新階段[1]。

通過BIM技術(shù)在建筑行業(yè)各領(lǐng)域的不斷發(fā)展，在各項目主要參建方的實際應(yīng)用中，實現(xiàn)對項目全生命周期的把控。在基坑工程中，通過BIM模型的創(chuàng)建，將二維設(shè)計圖紙以三維形式進行展現(xiàn)，讓工程各方參與人員直觀感受項目全貌。通過施工過程模擬，對施工方案進行可行性分析，全面把控施工過程，合理優(yōu)化現(xiàn)有施工方案，提高施工效率。4D的施工建造過程，對于項目管理層能夠更好地管控工程進度，對于一線工人能夠更清楚施工流程，從而保證了工程施工的安全和質(zhì)量。5D的施工管理，在4D的基礎(chǔ)上增加了成本的因素，讓項目成本控制更加高效。BIM技術(shù)的應(yīng)用，為項目各參建方提供了一個信息化共享的平臺，提高了對安全、進度、質(zhì)量、成本的管控效率，達到了為項目建設(shè)增值的目的[2]。

1 工程概況

擬建國家會議中心二期項目位于北京市奧林匹克公園南側(cè)，位于大屯路以北?；右?guī)模210×480m，開挖深度為14.3m，地上3層，高45m，設(shè)計2層地下室，結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)型式為平板筏板基礎(chǔ)。設(shè)計室內(nèi)±0.00標高為45.20m，設(shè)計室外地坪標高為43.80m?；又苓叚h(huán)境相當復(fù)雜，南側(cè)緊貼運營中的地鐵奧森公園F口和環(huán)隧9號匝道，西側(cè)和北側(cè)整個斷面緊鄰環(huán)隧。地鐵口位于紅線范圍內(nèi)，將于基坑開挖前停運并與國會二期項目統(tǒng)一進行改建，南側(cè)涉及地鐵保護區(qū)施工，所有基坑側(cè)壁安全等級均為一級。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用點分析

2.1 可視化

建筑行業(yè)目前還是依賴于二維的CAD圖紙進行設(shè)計和施工，二維圖紙傳遞的信息不直觀，只有專業(yè)的技術(shù)人員才能真正明白圖紙表達的內(nèi)容，造成圖紙信息的傳遞效率低下[3]。利用BIM技術(shù)，通過三維模型的創(chuàng)建，將二維CAD圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的可視化模型，能夠幫助管理人員直觀地了解建筑的對象、工程的進展、施工順序及前后工序的銜接等內(nèi)容[4]。

模型的建立通過Revit軟件實現(xiàn)，依據(jù)基坑支護設(shè)計圖紙，對基坑的模型進行創(chuàng)建，基坑的構(gòu)件主要包括鉆孔灌注樁、錨索、冠梁、腰梁、鋼支撐等。模型建好后通過轉(zhuǎn)換格式，導(dǎo)入專門的渲染及漫游軟件里，(本工程渲染采用的是lumion)對整體模型和相關(guān)的構(gòu)件進行渲染，基坑的效果圖如圖1所示。

圖1 基坑平面圖

2.2 施工模擬

根據(jù)Revit繪制好的三維模型，將其轉(zhuǎn)換成nwf格式文件，利用Navisworks軟件對施工過程進行模擬。施工模擬的效果直接取決于三維建模的精細程度，因此，模型的構(gòu)件名稱要細化，以便模型導(dǎo)入Navisworks里能夠通過選擇樹命令直觀明了地區(qū)分不同構(gòu)件的信息。

土方的開挖順序要按照基坑開挖專項施工方案進行，土方模型采用分區(qū)分層，按照先分層后分區(qū)段的原則，將土方模型細分為塊單元，并對其進行命名區(qū)分。基坑支護各構(gòu)件的施工過程設(shè)置為構(gòu)造，土方的開挖過程設(shè)置為拆除[5]。施工進度計劃可以通過導(dǎo)入編制好的Project文件直接識別，也可通過該軟件的TimeLiner功能編制進度計劃，計劃時間和實際時間可以采用不同的顏色予以區(qū)分，方便項目管理人員直觀地對進度進行管控。其它各構(gòu)件的模擬過程可以根據(jù)Animator功能設(shè)置場景文件，包括縮放、旋轉(zhuǎn)和平移，更加清晰地掌握基坑的施工過程。

4D施工模擬為項目管理人員制定工期計劃及場地布置提供了直觀的依據(jù)，優(yōu)化了護坡樁的分區(qū)施工順序。結(jié)合土方的開挖進度，合理調(diào)整了錨索和噴錨施工的工作面，在一定程度上避免了窩工及工序間的制約問題，改善了施工部署，提高了施工效率。利用施工模擬可以讓管理人員對基坑工程的各項重難點產(chǎn)生直觀的認識，方便施工人員直接了解設(shè)計圖紙的內(nèi)容和施工過程[6-8]。 協(xié)助項目管理人員提前發(fā)現(xiàn)施工過程中可能出現(xiàn)的問題，從而及時通過調(diào)整設(shè)計等手段，避免問題的出現(xiàn)，提升基坑的施工質(zhì)量。施工模擬設(shè)置界面如圖2所示。

圖2 施工模擬界面圖

2.3 協(xié)調(diào)性

協(xié)調(diào)意味著各單元之間不會相互影響，協(xié)調(diào)性可以通過碰撞檢測功能實現(xiàn)。在完整的基坑模型創(chuàng)建過程中，可以發(fā)現(xiàn)大量隱藏在設(shè)計圖紙中的錯漏等問題[9]。碰撞檢測是BIM技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛的功能之一，對基坑設(shè)計和施工有一定的指導(dǎo)意義。在本工程中，碰撞檢查包括基坑支護體系與周邊環(huán)境的碰撞、支護體系之間的碰撞情況。檢查中共發(fā)現(xiàn)81處碰撞問題，具體如：在基坑的陽角位置，錨索易產(chǎn)生“打架”現(xiàn)象，通過碰撞報告，調(diào)整該區(qū)域的錨桿布置角度來減少相互間的受力影響； 鋼支撐支護處，錨索與鋼支撐位置沖突，在保證滿足設(shè)計的情況下，調(diào)整該處錨桿的高度予以避免； 錨索與原有環(huán)隧結(jié)構(gòu)和環(huán)隧支護結(jié)構(gòu)的位置沖突，對錨桿的角度和長度進行了相應(yīng)的調(diào)整。將碰撞檢查作為一項預(yù)判的方法，為設(shè)計和施工人員提供一定的參考，通過設(shè)計優(yōu)化或者通過一定的施工方法予以消除。利用BIM技術(shù)提前發(fā)現(xiàn)圖紙問題，在現(xiàn)場施工前將問題解決，避免后期窩工返工等現(xiàn)象，為確保工程按質(zhì)按量按工期完成提供了保障。錨索碰撞情況檢查如圖3-4所示。

圖3 陽角處錨索圖

圖4 錨索碰撞檢測報告圖

3 精細化管理

3.1 施工進度管理

本工程周邊環(huán)境比較復(fù)雜，在基坑支護設(shè)計階段，通過Revit的出圖功能生成平、立、剖圖，三維模型的創(chuàng)建在一定程度上避免了二維圖紙的構(gòu)件沖突問題，改善了設(shè)計圖紙的質(zhì)量[10]。通過BIM技術(shù)可視化進行4D模擬施工，有利于各參建方提前熟悉施工過程，了解與其他參建方的工序銜接等問題，確保了項目各施工階段的順利進行，在一定程度上保證了進度和減少了工程的成本?，F(xiàn)場施工面有限，材料加工、堆放和運輸?shù)冉?jīng)常出現(xiàn)混亂狀況，利用BIM技術(shù)對施工過程多次模擬，對現(xiàn)場的機械設(shè)備、人員、物料進行優(yōu)化區(qū)域布置，保證物料的及時供應(yīng)，提高施工單位的管理效率，利于其對施工進度的掌控。

3.2 施工質(zhì)量管理

施工過程中，各專業(yè)交叉現(xiàn)象較為常見，往往由于溝通不暢造成窩工和返工現(xiàn)象。施工前利用BIM技術(shù)將二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維模型，便于參建各方直觀了解工程全貌，使得建筑設(shè)計圖紙的意思表達更為明了。在模型修改過程中，應(yīng)用BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)圖紙隨著模型變化而變化，減少了圖紙設(shè)計人員的工作量，提高了圖紙的質(zhì)量[9]。本工程部分周邊環(huán)境資料與實際有偏差，施工過程中進行了很多次設(shè)計變更，模型隨著圖紙變動快速更改，對變更處及時向現(xiàn)場人員進行可視化交底，避免盲目施工。

BIM技術(shù)的施工模擬，可以讓施工人員在施工開始就知道應(yīng)該采取什么樣的施工方法，按照怎樣的先后順序進行施工，提高了施工人員的施工技術(shù)水平，保證了施工質(zhì)量?，F(xiàn)場24小時施工，夜間物料進場質(zhì)量不好把控，通過相關(guān)軟件的配合，實現(xiàn)了物料精細化布置和管理。將物料的信息通過二維碼展現(xiàn)，通過手機端和電腦端對物料進行全程跟蹤，降低了物料的損耗，保證了施工質(zhì)量[11]。BIM技術(shù)應(yīng)用施工模擬讓各專業(yè)了解自己的施工順序，為施工過程制定精準的資源供應(yīng)計劃提供了保障，避免額外費用。

3.3 施工安全管理

本工程基坑開挖深度14.3m，屬于危險性較大的分部分項工程。施工安全問題作為工程的首要任務(wù)，是保證工程進度和質(zhì)量的前提。項目部通過BIM技術(shù)合理布置施工場地，對施工平面布置圖進行優(yōu)化調(diào)整。通過可視化應(yīng)急演練模擬，對消防設(shè)施、人員疏散等進行預(yù)判，讓施工布置更為合理。在虛擬環(huán)境中模擬高空墜落、觸電等場景，讓施工人員如同身臨其境，體驗到事故的危險性，提高現(xiàn)場施工人員的安全意識。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，有針對性地編寫施工安全專項方案，降低事故的發(fā)生率。通過對現(xiàn)場施工人員進行安全考評，反饋的結(jié)果顯示，現(xiàn)場作業(yè)人員安全意識明顯增強。利用安全巡檢系統(tǒng)對現(xiàn)場隱患進行記錄，責任落實到人，能夠及時排除安全隱患，提高安全管理的效率。

圖5 結(jié)構(gòu)框架明細表

3.4 施工成本管理

施工成本是基坑工程成本管理的核心，如何管理好成本問題成為了項目管理的關(guān)鍵。本工程主要采用樁錨支護，局部采用內(nèi)支撐，涉及到鋼筋和型鋼的種類多且數(shù)量大。在建模過程中，豐富各構(gòu)件信息，包含構(gòu)件的類型、尺寸、成本等要素。對創(chuàng)建的構(gòu)件族進行必要的文字描述，以便在生成的明細表里篩選統(tǒng)計各構(gòu)件工程量。BIM模型通過相應(yīng)的建模軟件直接導(dǎo)出工程量，而且生成的工程量較為客觀，提高工程概預(yù)算的準確性[12-13]。施工過程中，往往會由于價格波動、設(shè)計變更等因素，造成成本數(shù)據(jù)不能實時掌控，利用BIM5D技術(shù)可以很好地對成本進行管控[14-15]?，F(xiàn)場用料尤其是鋼材，價格波動較大，項目部依據(jù)掌握的材料價格信息，對模型構(gòu)件的成本信息及時更新。在模擬施工過程的基礎(chǔ)上，根據(jù)各階段人、材、機的預(yù)測，合理制定需求計劃，有效地避免了材料進場不足影響施工進度以及進場過多可能出現(xiàn)的存放和二次搬運問題，實現(xiàn)了成本的精細化管理。

4 結(jié)論

伴隨城市建設(shè)的不斷發(fā)展，地下空間的優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)，基坑開挖深度的不斷增加，基坑施工的難度也越來越大。傳統(tǒng)的基坑工程施工管理存在信息傳遞不及時，傳遞效率低、共享性差等問題，各參建方和各專業(yè)人員不能很好地進行溝通與配合。通過在國家會議中心二期項目上應(yīng)用BIM技術(shù)，將模型和施工現(xiàn)場相關(guān)聯(lián)，提高了工程的質(zhì)量，保證了進度，加強了施工成本的管控。BIM技術(shù)應(yīng)用貫穿于基坑工程設(shè)計和施工全過程，將設(shè)計理念直觀以三維的形式展現(xiàn)。BIM技術(shù)對于設(shè)計人員及時修正缺陷以及協(xié)助現(xiàn)場管理人員制定更加有效的方案具有十分重要的意義，也為基坑工程信息化施工管理模式的形成奠定了基礎(chǔ)。