張春輝 武文娟 宋 楊

(中國兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050000)

BIM技術(shù)在基坑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張春輝 武文娟 宋 楊

(中國兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050000)

簡述了深基坑工程包含的主要工作內(nèi)容，基于傳統(tǒng)基坑設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)，論述了BIM技術(shù)在基坑設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢，并探討了基坑設(shè)計(jì)中BIM模型的創(chuàng)建及信息交換共享技術(shù)，指出BIM技術(shù)有效提高了基坑工程的施工效率。

深基坑，BIM技術(shù)，計(jì)算模型，數(shù)據(jù)庫

0 引言

BIM是建筑信息模型的簡稱，即Building Information Modeling，20世紀(jì)70年代該技術(shù)由美國喬治亞理工大學(xué)的查克伊士曼博士首次提出[1]，隨后由歐特克公司于2002年正式提出。BIM技術(shù)目前在國際各行業(yè)得到認(rèn)可，尤其實(shí)現(xiàn)了建設(shè)工程行業(yè)的可持續(xù)設(shè)計(jì)。BIM是直接將信息化技術(shù)應(yīng)用于建筑行業(yè)，首先需要根據(jù)工程建筑項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)建立模型，通過數(shù)字信息對建筑物的真實(shí)信息進(jìn)行仿真模擬。該技術(shù)將貫穿建筑項(xiàng)目的始終，各階段的所有信息(設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)營階段直至建筑物生命的終結(jié))都將通過三維模型將其集合于數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)基于BIM該建筑項(xiàng)目不同部門工作人員可以協(xié)同工作，防止出現(xiàn)信息孤島，從而提升工作效率、節(jié)約資源、實(shí)現(xiàn)建筑與信息科技的融合[2]。

深基坑工程主要包括設(shè)計(jì)、施工以及監(jiān)測三部分的內(nèi)容，同時(shí)基坑的設(shè)計(jì)、施工以及監(jiān)測也是影響工程整體質(zhì)量的關(guān)鍵因素。目前我國基礎(chǔ)建設(shè)迅速發(fā)展，基坑工程呈現(xiàn)出面積大、深度大、施工周期長以及場地環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，這就給建筑項(xiàng)目建設(shè)提出了更高的要求：設(shè)計(jì)多個(gè)建筑方案，對其技術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行比較；較復(fù)雜的荷載情況，需要進(jìn)行多重因素的考慮；工況復(fù)雜，施工工序多；建筑項(xiàng)目周邊環(huán)境條件復(fù)雜，需要更高要求的支護(hù)；協(xié)作部門較多，各單位部門信息溝通以及信息共享的意愿加強(qiáng)[3]。

BIM技術(shù)應(yīng)用于基坑工程尤其是深大且復(fù)雜基坑工程的設(shè)計(jì)、施工以及監(jiān)測中，通過對基坑工程BIM模型的建立，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)基坑工程在進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工以及監(jiān)測時(shí)存在的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各部門工作人員對信息的無障礙交流與共享，同時(shí)通過三維可視化可以直觀地對進(jìn)度計(jì)劃、成本以及質(zhì)量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源，提高效率的目的。

1 BIM技術(shù)在基坑設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢

1.1 傳統(tǒng)基坑設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)基坑設(shè)計(jì)包括計(jì)算與繪圖兩個(gè)部分。計(jì)算部分是通過單獨(dú)的計(jì)算軟件來對計(jì)算模型進(jìn)行建立，基坑設(shè)計(jì)人員根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行二維剖面圖、立面圖、平面圖、詳圖以及材料表等的繪制。各種立面、平面以及剖面圖中的信息則會在基坑的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中產(chǎn)生矛盾，在構(gòu)件、管線間不可避免地會出現(xiàn)錯(cuò)位、碰撞以及錯(cuò)誤的尺寸標(biāo)注等問題。而針對復(fù)雜的深大基坑，傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)無法在協(xié)同和表達(dá)上更好的滿足其復(fù)雜的地面、地下構(gòu)筑物以及支護(hù)結(jié)構(gòu)等。這種基坑設(shè)計(jì)方法導(dǎo)致圖紙之間的相對獨(dú)立，因?yàn)闆]有信息數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，只能通過專業(yè)人員對分散的資料進(jìn)行整理。因此，為了增強(qiáng)基坑工程的協(xié)作和整合，需要確保各專業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容之間的配合、溝通以及共享[4]。

1.2 多維信息計(jì)算模型取代二維繪圖

基于BIM技術(shù)的基坑設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S可視化的動態(tài)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方法所建立的BIM三維模型包含各種各樣的信息數(shù)據(jù)，然后再通過3D模型生成所有文檔以及圖形，且與模型保持邏輯關(guān)系，當(dāng)改變基坑模型時(shí)，與其配套的文檔與圖像便會同時(shí)進(jìn)行更新。此外，BIM基坑模型所建立的對象之間具有內(nèi)在的邏輯關(guān)系，當(dāng)其中一個(gè)對象發(fā)生改變時(shí)，與之相關(guān)的對象也會發(fā)生改變[5]。該設(shè)計(jì)方法能夠使各專業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)信息的共享，通過信息模型可以獲取所有專業(yè)系統(tǒng)所需的信息以及參數(shù)，不必反復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入，避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤、冗余。

1.3 各專業(yè)間實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)協(xié)同以及信息共享

基于BIM的基坑設(shè)計(jì)過程是指創(chuàng)建基坑信息數(shù)據(jù)庫的過程，數(shù)據(jù)庫包含基坑以及其周圍實(shí)體環(huán)境與功能等所有相關(guān)數(shù)據(jù)信息。當(dāng)修改其中一個(gè)專業(yè)對象時(shí)，與其相關(guān)的專業(yè)對象也會同時(shí)得到改變。項(xiàng)目實(shí)體和功能由于均儲存在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，這就大大方便了不同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)間信息的交流與共享，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的協(xié)作與整合。BIM技術(shù)通過動態(tài)三維設(shè)計(jì)將構(gòu)件的展示由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中二維線條式轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體式。所有單元、構(gòu)件等都能夠通過三維立體效果對其進(jìn)行直觀的展示，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)，使建筑空間能夠高效地利用，防止各個(gè)專業(yè)間線與管的沖突，同時(shí)減少圖紙缺、漏以及錯(cuò)的現(xiàn)象[6]。

1.4 虛擬與智能設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

BIM的建模、動畫以及渲染技術(shù)可以完美地展現(xiàn)基坑在不同階段的效果圖。同時(shí)深大基坑由于其復(fù)雜性會導(dǎo)致地下管線、支撐、圍護(hù)樁以及錨桿與其他地下構(gòu)筑物產(chǎn)生交叉，進(jìn)而使實(shí)際的施工無法滿足設(shè)計(jì)要求。此外，BIM建模工具中的碰撞檢測功能能夠?qū)ζ溥M(jìn)行檢查以及修改。

1.5 基坑BIM模型的附加價(jià)值

基坑的BIM模型包含基坑的整個(gè)生命周期，其豐富的信息與強(qiáng)大的功能可以應(yīng)用于基坑設(shè)計(jì)、施工以及監(jiān)測的所有階段。在基坑的施工階段，通過BIM模型可以進(jìn)行4D施工模擬；在控制項(xiàng)目成本上，能夠利用BIM模型中的信息對工程進(jìn)行預(yù)決算；在工程的監(jiān)測階段，首先將動態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入BIM基坑模型中，再結(jié)合虛擬模型來實(shí)現(xiàn)對虛擬現(xiàn)實(shí)的監(jiān)測[7]。利用BIM模型可以方便地實(shí)現(xiàn)信息的溝通與共享。

2 基于BIM技術(shù)的基坑設(shè)計(jì)

2.1 BIM模型的創(chuàng)建

基坑BIM的設(shè)計(jì)時(shí)，首先創(chuàng)建滿足IFC標(biāo)準(zhǔn)的信息模型，該三維模型中包含所有物理信息數(shù)據(jù)，如周邊環(huán)境、支護(hù)、水文地質(zhì)以及地層信息等，BIM模型不僅僅對基坑工程進(jìn)行了拓?fù)潢P(guān)系和3D幾何信息的描述，還對工程信息進(jìn)行了完整的描述，例如工程名稱、材料類別、物理力學(xué)性能以及支護(hù)類型等設(shè)計(jì)所需的信息。為進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)與多工況的比較分析，BIM基坑模型還需要包含施工工序、質(zhì)量、進(jìn)度、成本以及材料、機(jī)械、人力資源等施工信息；材料耐久性、工程安全性等維護(hù)信息；工程對象間邏輯關(guān)系等[8]。

2.2 計(jì)算模型與物理模型間信息交換與共享

目前，基坑主要的設(shè)計(jì)方法是通過有限元軟件創(chuàng)建計(jì)算模型，并對整體支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形進(jìn)行分析，然后由2D繪圖工具對2D施工圖進(jìn)行傳統(tǒng)的繪制。而BIM技術(shù)的基坑設(shè)計(jì)方法首先是將物理模型輸進(jìn)結(jié)構(gòu)分析軟件中，然后分析程序?qū)咏Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)返回計(jì)算信息，并時(shí)刻對物理模型與施工文檔進(jìn)行更新?；颖旧碛捎诰哂心承┕逃械奶匦?，例如工程唯一性、結(jié)構(gòu)分散性、信息重復(fù)性以及工程不同參與方對信息與表達(dá)方式的不同要求等等，使得BIM數(shù)據(jù)在進(jìn)行交換和表達(dá)時(shí)出現(xiàn)問題。為此，IAI(國際協(xié)同工作聯(lián)盟)提出IFC，即Industry Foundation Classes的簡稱，IFC為BIM在工程數(shù)據(jù)的交換與表達(dá)上提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[9]。不同的軟件在進(jìn)行BIM模型的共享時(shí)，只要滿足IFC標(biāo)準(zhǔn)，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的順利交換以及鏈接。

3 結(jié)語

基于BIM技術(shù)的基坑設(shè)計(jì)表現(xiàn)出協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、可視性以及模擬性等優(yōu)點(diǎn)，在建設(shè)工程的整個(gè)生命周期中，該設(shè)計(jì)方法能夠動態(tài)地對信息進(jìn)行創(chuàng)建、管理以及共享，并有效地提高了設(shè)計(jì)與溝通的效率，同時(shí)在質(zhì)量控制上也表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。將BIM技術(shù)應(yīng)用于基坑設(shè)計(jì)與施工是未來工程信息化的發(fā)展方向。

[1] 潘 珂.基于BIM技術(shù)深基坑工程信息化施工管理平臺研究[D].南寧：廣西大學(xué),2015.

[2] 慕冬冬,付晶晶,胡正歡,等.BIM技術(shù)在深基坑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].施工技術(shù),2015(S1):773-776.

[3] 劉一鳴,劉國楠,顧問天.BIM可視化技術(shù)在基坑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2016(6):125-128.

[4] 賈善濤,孫 滌,時(shí) 偉,等.BIM技術(shù)在超大深基坑進(jìn)度管理中的應(yīng)用[J].工程建設(shè),2016(3):68-72.

[5] 劉一鳴.BIM在基坑樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用研究[Z].中國鐵道科學(xué)研究院,2016.

[6] 付冠超,孟凡藝.BIM技術(shù)在基坑工程中的專項(xiàng)應(yīng)用[A].第二屆全國智慧結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文集[C].中國城市科學(xué)研究會數(shù)字城市專業(yè)委員會智慧結(jié)構(gòu)學(xué)組，中城科數(shù)智慧城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心，2016:4.

[7] 夏正紅,許利峰,袁 梅,等.BIM技術(shù)在寧波綠地中心項(xiàng)目樁基及基坑圍護(hù)項(xiàng)目工程施工中的應(yīng)用[J].建設(shè)科技,2014(5):92-93.

[8] 高 成,瞿海雁,趙學(xué)鑫,等.BIM技術(shù)在某超高層建筑工程施工中的應(yīng)用研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2010(5):1-4.

[9] 賈善濤.基于BIM技術(shù)的超大深基坑進(jìn)度管理研究[D].青島：青島理工大學(xué),2015.

The application of BIM technology in foundation pit design

Zhang Chunhui Wu Wenjuan Song Yang

(ChinaOrdnanceIndustryNorthernSurvey&DesignInstituteLimitedCompany,Shijiazhuang050000,China)

This paper briefly described the main work contents of deep foundation pit engineering, based on the disadvantages of traditional foundation pit design method, discussed the advantages of BIM technology in foundation pit design, and discussed the BIM model construction and information exchange sharing technology in foundation pit design, pointed out that BIM technology could effectively improve the construction efficiency of foundation pit engineering.

deep foundation pit, BIM technology, calculation model, database

1009-6825(2017)05-0121-02

2016-12-09

張春輝(1988- )，男，助理工程師； 武文娟(1983- )，女，工程師； 宋 楊(1987- )，男，工程師

TU463

A