BIM技術(shù)在深基坑工程勘察及支護設(shè)計中的運用

劉偉

江西省勘察設(shè)計研究院有限公司 江西 南昌 330095

基坑工程具備極高系統(tǒng)性、綜合性，此類工程屬于地下工程，施工作業(yè)復(fù)雜性高，隱蔽性強，危險系數(shù)大。在以往，由于工程勘探的深入性、細致性不足，施工建設(shè)前雖進行了工程勘察，但受技術(shù)的限制，無法形成對深基坑工程實際建設(shè)概況的充分了解，設(shè)計碰到的問題也無法在工程建設(shè)前期及時解決。為此，引入新型技術(shù)，強化工程勘察及設(shè)計效益的意義是極為顯赫的。本文將針對BIM技術(shù)在深基坑工程勘察及支護設(shè)計中的運用展開初步探索，以期為相關(guān)人士提供參考。

1 深基坑工程的特點

依據(jù)我國住建部的相關(guān)規(guī)定，開挖深度超過5m，有3層及以上地下室的，或是開挖深度在5m以內(nèi)但具備復(fù)雜基坑條件的，均屬于深基坑工程。此類工程的施工作業(yè)難度較高，工程情況復(fù)雜，因此施工建設(shè)過程中需要格外注意?？偨Y(jié)深基坑工程的特點，可由以下幾方面來說。

1.1 基坑深度較大

目前，隨著建筑行業(yè)的進一步發(fā)展，以及城市化建設(shè)進程的逐步推進，我國地面空間日漸緊缺，因而加大了對地下空間的開發(fā)利用，深基坑工程的基坑深度也在持續(xù)擴大。在工程籌建階段，保障基坑安全性是極為關(guān)鍵的，拓寬基坑深度能夠有效提升其安全性能，但也同時決定了基坑支護形式的復(fù)雜化演變。在這種背景下，需要進一步增強支護設(shè)計精準性，防止因保守設(shè)計造成資源浪費，也不得因過度節(jié)約施工材料而導(dǎo)致支護設(shè)計不規(guī)范、不合理，影響基坑施工安全性[1]。

1.2 巖土層尤為復(fù)雜

由于基坑巖土層復(fù)雜性過高，在支護設(shè)計過程中，常因客觀條件限制而導(dǎo)致設(shè)計計算缺乏實效性，無法符合施工建設(shè)要求，且對施工經(jīng)濟性、安全性造成極大威脅。在這種背景下，需要進一步拓寬基坑支護形式，強化剖面細致性。應(yīng)依據(jù)建設(shè)區(qū)域的巖土層工程特性選擇適宜的支護形式，針對巖土層工程特性的可選擇經(jīng)濟性較高的支護形式，反之則需以安全性為主。

1.3 周邊環(huán)境復(fù)雜性高

針對建設(shè)環(huán)境處于城市中心區(qū)域，周邊建筑物分布密集，且地下管網(wǎng)鋪設(shè)多的區(qū)域，開挖基坑時需要盡可能地降低對周邊環(huán)境所造成的影響，并確保基坑支護結(jié)構(gòu)的安全性，保障周邊環(huán)境不會對其造成影響，落實好基坑支護設(shè)計計算。

1.4 施工空間狹窄

目前，我國城市地面空間正在不斷縮減，在進行深基坑工程開挖的過程中，由于該工程的復(fù)雜性較高，施工空間過于狹窄，給施工建設(shè)造成了極大的阻礙。施工現(xiàn)場的材料堆放問題亦會影響基坑支護開挖作業(yè)。為此，前期進行基坑支護設(shè)計時，需要明確由物料車載造成的支護作業(yè)障礙。

1.5 施工建設(shè)周期長

該工程復(fù)雜性高，工程量大，投入建設(shè)后亦需要較長的時間才能夠完工。為此，在施工時間的不斷推進下，支護結(jié)構(gòu)或會產(chǎn)生變形，因而影響基坑安全性。由這一層面分析，開展支護設(shè)計時需要充分考慮到工期因素，防止造成嚴重的安全事故。

1.6 突發(fā)事件過多

在深基坑工程開挖作業(yè)中，受其開挖深度、所使用施工工藝的復(fù)雜性以及過高的工程勘察難度，施工建設(shè)的安全隱患十分之大。此外，一些臨時工程在安全防護方面的建設(shè)力度薄弱，未落實好應(yīng)急預(yù)案工作，因而導(dǎo)致施工建設(shè)階段的突發(fā)事件較多。此外，該工程的技術(shù)性要求尤為強烈，且涉及范圍較廣，常因突發(fā)事故造成嚴重損失。為此，前期需要進一步強化基坑監(jiān)測，完善應(yīng)急措施構(gòu)建。

2 現(xiàn)階段深基坑工程施工控制中的問題

現(xiàn)階段，施工單位在進行深基坑工程施工作業(yè)時，所使用的施工控制方式缺乏科學(xué)性，導(dǎo)致后續(xù)施工階段常出現(xiàn)各式問題，造成工程延誤，并帶來嚴重的經(jīng)濟財產(chǎn)損失。在施工建設(shè)前期，各施工單位未能深入落實工程勘察工作，對實際施工建設(shè)場地的了解不夠細致，將工程進度計劃視為單一的施工控制參照。然而，在施工進度不斷推進下，常產(chǎn)生實際施工作業(yè)狀況與前期設(shè)計不相符的問題，造成嚴重的工程延誤。

此外，深基坑工程屬于地下工程，施工隱蔽性高，若支護設(shè)計不合理，工程勘察不全面，常會在后續(xù)施工過程中出現(xiàn)明顯的碰撞問題。有一些工程所選用的支護構(gòu)件為土釘、錨索類，此類支護構(gòu)件常出產(chǎn)生相互碰撞的問題，且極易與工程建設(shè)場域中原有的建筑物及地下管網(wǎng)碰撞，由此造成的負面影響不僅包括施工進度延誤，還會威脅到基坑施工安全性。

另外，現(xiàn)階段的場地布置規(guī)劃還停留于二維圖紙層面，大多施工人員對圖紙設(shè)計意圖的了解并不夠透徹，實際施工建設(shè)過程中存在明顯的經(jīng)驗化思維。且由于二維平面的局限性過高，難以達成真正意義上的三維場地實況還原，進一步加劇了深基坑工程的建設(shè)難度，由該工程過高隱蔽性造成的施工障礙仍存在[2]。

由此，可以充分認識到現(xiàn)階段所存在的施工問題多是因技術(shù)限制過大所引起的，若能夠?qū)IM技術(shù)引入到工程勘察及支護設(shè)計中，其可視化功能將得到充分發(fā)揮，能夠有效彌補深基坑工程的隱蔽性缺陷，增強工程勘察的全面性、實效性及可操作性。

3 BIM技術(shù)在深基坑工程勘察及支護設(shè)計中的運用方式探究

3.1 全面、細致地展開工程勘察

在以往，因深基坑工程的隱蔽性過強，復(fù)雜性高，且相關(guān)工程單位的技術(shù)水準過于有限，因而所實行的工程勘察方式缺乏全面性，導(dǎo)致過多安全隱患未能得以及時發(fā)現(xiàn)，增大了現(xiàn)場施工作業(yè)的復(fù)雜性。為此，相關(guān)單位需要積極引用BIM技術(shù)落實工程勘察工作。實際工作過程中，可將BIM技術(shù)與周邊GIS數(shù)據(jù)相結(jié)合，依托于相關(guān)信息化平臺，充分發(fā)揮出BIM技術(shù)的可視化及數(shù)字化特點。引入自動化數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)后，可由其來落實對深基坑工程周邊建設(shè)環(huán)境的勘察，并將所得到的地質(zhì)信息自動上傳至BIM監(jiān)測平臺中，以三維立體的方式進行工程信息反映，確保相關(guān)人員能夠準確把握實際建設(shè)場域的工程特性。

此外，還可引入IDS套包、Inventor等，以此來進一步增強工程勘察的細致性。相關(guān)人員可依據(jù)實際建設(shè)所需，以及工程規(guī)劃現(xiàn)場的實際狀況，選擇所使用的軟件?？梢劳杏凇癛evit”軟件來展開工程建模，利用好該軟件所具備的強大API接口，進一步增強工程建模效率。相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)首先做好二維勘察信息數(shù)據(jù)收集與整理，提取地層厚度、類型等重要地質(zhì)信息，并完成各節(jié)點坐標輸入與轉(zhuǎn)換，進而獲得清晰準確的三維地質(zhì)模型。

另外，也可引入CAD文件，增強深基坑工程勘察圖紙繪制的精細度。CAD文件中的等高線圖形由多點構(gòu)成，當(dāng)其中所含密閉曲線越多時，將能夠得到更加緊密的曲面。因此，可借此來客觀、真實地表示山谷線、山脊線，進一步增強勘察圖紙的參照價值。由此，若勘察圖紙中存在不規(guī)范、不合理的部分，也能夠被及時查明[3]。

總之，將BIM技術(shù)運用到深基坑工程勘察工作中后，以往勘察圖紙間關(guān)聯(lián)性過于低下的弊端能夠得到有效解決，相關(guān)人員可由整體著手客觀地評價工程概況，依托于三維模型進行科學(xué)的工程切剖觀測，增強相關(guān)建設(shè)人員間的溝通交流通暢性，進一步提升工作效率，確?？辈旖Y(jié)果的準確性與全面性，為后續(xù)支護設(shè)計提供根本參照。

3.2 落實好基坑建模規(guī)劃

完成工程勘察工作后，需要依據(jù)所得勘察資料，靈活選擇基坑建模方式，運用BIM技術(shù)進行三維模型構(gòu)建，實現(xiàn)對工程建設(shè)情況的全方位把控。在制定出工程支護設(shè)計方案后，不得直接投入施工建設(shè)中，必須強化基坑建模規(guī)劃?；诖?，可選用“Revit”軟件進行三維模型構(gòu)建。相關(guān)人員需先整合工程勘察資料，對其中涵蓋的標高、軸網(wǎng)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息加以整理歸納，并參照所制定的工程二維圖紙，準確落實基坑體量建設(shè)，然后根據(jù)前期支護設(shè)計方案中給出的各項節(jié)點數(shù)據(jù)，進一步完善三維模型構(gòu)建，完善預(yù)應(yīng)力錨索等方面的內(nèi)容。當(dāng)全面模型構(gòu)建完畢后，再對其展開整合處理。實際操作過程中，需要注重如下內(nèi)容：

3.2.1 建模前期規(guī)劃

實際建設(shè)過程中，需要保障前期規(guī)劃的精準性，依據(jù)深基坑工程的實際概況，增強模型構(gòu)件的精細化建設(shè)。針對腰梁、灌注樁、錨索等構(gòu)件，必須堅持以施工圖為第一標準，防止其形狀或是尺寸出現(xiàn)偏差，同時也需確保具體位置安排的合理性。應(yīng)參照基坑標高與軸網(wǎng)，進一步加強前期規(guī)劃的細致性。完成基坑建模后，需要進一步加強細節(jié)優(yōu)化。

3.2.2 基坑體量建模

所謂基坑體量建模是針對基坑場地的一種建模類型，實際操作過程中，需要參照平面圖紙規(guī)劃信息，準確參照其外輪廓線繪制，以及所標注的基坑挖深信息，規(guī)范執(zhí)行場地建模操作。運用BIM技術(shù)軟件，于公制體量中進行設(shè)計標高創(chuàng)設(shè)，然后將所繪制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)圖導(dǎo)入其中，分析體量模型，進一步明確在基坑工程設(shè)計中，是否存在不當(dāng)之處，如若基坑開挖深度不一致，需要以此來展開基坑劃分，并在圖紙中加以詳細標注[4]。完成此部分工作后，需要再次展開構(gòu)件族創(chuàng)設(shè)。針對一些異性構(gòu)件，應(yīng)當(dāng)展開自定義參數(shù)化建設(shè)。如針對預(yù)應(yīng)力錨索，需采用公制常規(guī)模型展開構(gòu)建，采用拉伸方式繪制出異性構(gòu)建輪廓，然后再導(dǎo)入?yún)?shù)、屬性信息，再將其導(dǎo)入族中，通過連接與保存形成完整的錨索構(gòu)建創(chuàng)設(shè)。

3.2.3 加強關(guān)鍵節(jié)點把控

深基坑工程具備極高不確定性，實際建模操作過程中，需要加強操作規(guī)范性與細致性，把握好建模操作節(jié)點，針對常見問題需要格外重視。實際建模操作中，一些構(gòu)件是由諸多零碎小構(gòu)件組合而成的，若單個構(gòu)件圖元參數(shù)出錯，后續(xù)將出現(xiàn)無效碰撞。因而需要在實際操作中，強化圖紙設(shè)計階段的規(guī)范性，加強尺寸檢測，保障交叉圖元設(shè)計調(diào)整的規(guī)劃性，盡可能地將設(shè)計失誤降到最低，防止后期出現(xiàn)反復(fù)修改。

3.3 完善支護設(shè)計碰撞檢測

3.3.1 陽角錨索碰撞分析

針對深基坑工程而言，由于其施工作業(yè)場所位于低下，隱蔽性尤為強烈。支護設(shè)計中的設(shè)計碰撞問題常集中在陽角錨索部分，需要強化BIM技術(shù)運用，實現(xiàn)對陽角錨索碰撞點的可視化監(jiān)測，因而實現(xiàn)量化管控的目的。為此，可引入“Navisworks”軟件，實現(xiàn)對工程支護設(shè)計中所存在碰撞點的檢測，并做好數(shù)量及位置數(shù)據(jù)統(tǒng)計，然后再對其三維模型展開調(diào)整，最終消除碰撞問題。

由于深基坑工程陽角多伸向坑內(nèi)，因而形成了兩大臨空面，導(dǎo)致支護操作過程中，會因支護構(gòu)件入射標高及角度把控不合理而造成碰撞問題。分析二維平面圖紙時，需要格外注意在圖紙設(shè)計規(guī)劃中的陽角錨索交叉問題，防止出現(xiàn)嚴重的群錨效應(yīng)。在利用BIM技術(shù)明確碰撞狀況，對錨索信息進行準確定位后，進行錨索調(diào)試，提升施工效率的同時保障深基坑施工作業(yè)安全性[5]。

3.3.2 周邊建筑碰撞點及其他碰撞控制

實際施工作業(yè)過程中，必須將錨索打入土層中，以此來獲得更高的錨固力。為此，需要在監(jiān)測陽角碰撞問題的同時，防止支護設(shè)計內(nèi)容與深基坑施工場域低下管線和建筑物出現(xiàn)碰撞問題。針對此，亦可運用BIM技術(shù)的可視化特點，依照三維模型來展開碰撞監(jiān)測與優(yōu)化。針對此，可以采用水平旋轉(zhuǎn)錨索角度的方式，保障原設(shè)計方案不變，并為施工作業(yè)提供更多便利。可使用“Revit”軟件同時展示三維及二維形態(tài)的支護設(shè)計方案圖，針對出現(xiàn)碰撞問題的位置加以明確標注，進而展開細致調(diào)整。

此外，需要始終以工程勘察報告為關(guān)鍵參照，保障深基坑支護設(shè)計和實際工程概況間的契合性，依托于各項勘察數(shù)據(jù)進行三維模型構(gòu)建，針對土層粘聚力、內(nèi)摩擦角等信息，需加以明確標注，并保障鋼筋等級、支護樁砼標號此類信息記錄的精準性。完成信息處理后，需要導(dǎo)出具體分分析文件，并利用基坑有限元分析軟件計算出具體的支護受力、變形數(shù)據(jù)，明確在后續(xù)施工建設(shè)過程中，基坑的穩(wěn)定性狀態(tài)，并做好配筋率統(tǒng)計。運用BIM技術(shù)核查支護方案內(nèi)容的規(guī)范性與精準性，分析其是否具備較高可行性，若軟件報錯，或是查出設(shè)計碰撞問題，應(yīng)及時加以改進，避免將不合理的設(shè)計方案投入到施工建設(shè)中，將深基坑施工作業(yè)階段的安全隱患降到最低[6]。此外，相關(guān)設(shè)計人員還可集合實際情況，進一步核查利用BIM技術(shù)所得出的設(shè)計碰撞檢測報告，充分結(jié)合人的智慧，避免因軟件功能有限而造成計算失誤，并將全部監(jiān)測數(shù)據(jù)反映至BIM模型中，導(dǎo)出科學(xué)完整的支護設(shè)計圖紙。

4 結(jié)束語

綜上所述，基于深基坑工程建設(shè)條件的復(fù)雜性，如何提升工程勘察效益，形成對工程建設(shè)場地實況的深入把控，并保障支護設(shè)計的科學(xué)性與可操作性，是各建筑單位亟需解決的難題。近些年BIM技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域的廣泛推廣運用，給工程施工操作帶來了新的生機。為此，可以將BIM技術(shù)引入到深基坑工程中，運用先進科學(xué)技術(shù)來有效緩解工程勘察難度，開展設(shè)計碰撞監(jiān)測，保障后續(xù)施工建設(shè)的規(guī)范性，確保深基坑工程能夠按時保質(zhì)地完成。