彭曙光

（安徽建筑工業(yè)學(xué)院，合肥 230601）

BIM技術(shù)在基坑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

彭曙光

（安徽建筑工業(yè)學(xué)院，合肥 230601）

基坑工程的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測是一個(gè)持續(xù)動(dòng)態(tài)的過程。介紹利用BIM技術(shù)高度集成的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)、信息共享、虛擬信息結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)，創(chuàng)建三維信息化基坑模型，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)和智能設(shè)計(jì)。

BIM；基坑工程；虛擬設(shè)計(jì)；IFC標(biāo)準(zhǔn)

基坑的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測是深基坑工程的三大主要內(nèi)容，也是工程質(zhì)量得到保證的三大基本要素。隨著我國基本建設(shè)的發(fā)展，大深度、大面積、場地條件和周邊環(huán)境復(fù)雜、施工周期長、成本控制嚴(yán)格的基坑工程越來越多，給設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測帶來了一系列的問題：（1）需要提供多個(gè)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較；（2）考慮因素多，荷載情況復(fù)雜；（3）施工步驟多，工況復(fù)雜；（4）周邊環(huán)境復(fù)雜，地面建筑及地下管網(wǎng)等對(duì)支護(hù)有很高要求；（5）不可預(yù)見的因素增加，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)控制難度加大；（6）協(xié)作單位多，多方信息溝通與共享意愿增加［1］。

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是指利用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的過程，技術(shù)的核心是一個(gè)信息豐富的多維項(xiàng)目模型—BIM模型。在建筑工程整個(gè)生命周期中，BIM可以實(shí)現(xiàn)集成管理，因此 BIM既包括建筑物的信息模型，也包括建筑工程管理行為模型。將建筑物的信息模型和建筑工程的管理行為模型完美結(jié)合，便可以利用建筑信息模型模擬實(shí)際的建筑工程建設(shè)行為。BIM的出現(xiàn)改變了建筑項(xiàng)目參與各方(業(yè)主、建筑師、工程師、施工承包商、后期物業(yè)管理運(yùn)維等 )的協(xié)作和交付方式，使各方都能提高生產(chǎn)效率［2］。

將BIM技術(shù)引入基坑工程特別是復(fù)雜深大基坑的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測過程，通過創(chuàng)建基坑的BIM信息模型，打破基坑設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測之間的傳統(tǒng)隔閡，實(shí)現(xiàn)多方無障礙的信息共享，讓不同的團(tuán)隊(duì)可以共同工作，通過三維可視化溝通加強(qiáng)管理團(tuán)隊(duì)對(duì)成本、進(jìn)度計(jì)劃及質(zhì)量的直觀控制，提高工作效率，降低差錯(cuò)率，減少現(xiàn)場返工，節(jié)約投資，并給使用者帶來新增價(jià)值。

1 基于BIM的基坑設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

1.1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足之處

傳統(tǒng)的基坑設(shè)計(jì)分計(jì)算和繪圖兩部分。計(jì)算模型由獨(dú)立的計(jì)算軟件創(chuàng)建，設(shè)計(jì)者根據(jù)計(jì)算結(jié)果，另行繪制二維平面圖、立面圖、剖面圖、詳圖，以及設(shè)計(jì)說明、材料表等。傳統(tǒng)的基坑設(shè)計(jì)常常導(dǎo)致信息在各種復(fù)雜的平面、立面、剖面圖之間互相矛盾，管線、構(gòu)件之間的碰撞、錯(cuò)位，尺寸標(biāo)注的錯(cuò)誤難以避免。而隨著深大復(fù)雜基坑的涌現(xiàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)、原有地面建筑、地下構(gòu)筑物、管線的造型和空間關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)二維CAD設(shè)計(jì)方式在設(shè)計(jì)表達(dá)和協(xié)同上的問題顯得更加突出。這種設(shè)計(jì)方式使得每張圖紙都是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的組成部分，由于沒有一個(gè)能有效整合所有信息以保證數(shù)據(jù)完整性的中央信息數(shù)據(jù)庫，這些分散的資料必須依靠專業(yè)人員的解讀才能相互聯(lián)系成為一個(gè)可理解的整體。因此，保證各項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容和各專業(yè)間的協(xié)同配合，使設(shè)計(jì)意圖在各相關(guān)方的無障礙溝通和共享，是提高項(xiàng)目整合度和協(xié)作度的關(guān)鍵［3］。

1.2 利用多維信息模型替代二維繪圖

基于BIM的基坑設(shè)計(jì)是通過創(chuàng)建包括各種信息的三維基坑模型（BIM模型），實(shí)現(xiàn)二維設(shè)計(jì)向三維動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，然后根據(jù)3D模型自動(dòng)生成各種圖形和文檔，而且始終與模型邏輯相關(guān)，當(dāng)模型發(fā)生變化時(shí)，相關(guān)聯(lián)的圖形和文檔將自動(dòng)更新；BIM模型中所創(chuàng)建的對(duì)象存在著內(nèi)建的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系，當(dāng)某個(gè)對(duì)象發(fā)生變化時(shí)，與之關(guān)聯(lián)的對(duì)象隨之變化［3］。實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)設(shè)計(jì)之間的信息共享。各專業(yè)系統(tǒng)可從信息模型中獲取所需的設(shè)計(jì)參數(shù)和相關(guān)信息，不需要重復(fù)錄入數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)冗余、歧義和錯(cuò)誤。

1.3 實(shí)現(xiàn)各專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)和相關(guān)各方的信息共享

基于BIM的設(shè)計(jì)過程就是項(xiàng)目的中央信息數(shù)據(jù)庫的建立過程，包括基坑及周邊環(huán)境的所有實(shí)體和功能特征的相關(guān)信息。某個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)的對(duì)象被修改，其他專業(yè)設(shè)計(jì)中的該對(duì)象會(huì)隨之更新。項(xiàng)目的所有實(shí)體和功能都存儲(chǔ)在這個(gè)數(shù)據(jù)庫中，這為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員間進(jìn)行信息交換提供了方便，使提高項(xiàng)目整合度和協(xié)作度成為可能。BIM采用三維動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)，將過去的的二維線條式的構(gòu)件變成三維的立體實(shí)物圖形進(jìn)行展示。各專業(yè)間的構(gòu)件、單元等可以用直觀的立體三維效果圖表示，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)，以更好地利用建筑空間，并有效避免各專業(yè)之間管、線的沖突，提高各專業(yè)之間的配合和協(xié)調(diào)，減少各種圖紙的錯(cuò)、漏、缺現(xiàn)象［4］。

1.4 實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)和智能設(shè)計(jì)

利用BIM強(qiáng)大的建模、渲染、動(dòng)畫技術(shù)，能夠方便地提供基坑工程各個(gè)階段的效果圖和動(dòng)畫。同時(shí)由于深大基坑的復(fù)雜性，圍護(hù)樁、支撐、錨桿、地下管線和其他地下構(gòu)物可能會(huì)產(chǎn)生交叉、重疊現(xiàn)象，導(dǎo)致施工時(shí)無法按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。利用BIM建模工具的碰撞檢測功能可以方便地進(jìn)行檢查，并據(jù)此進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。

1.5 基于BIM的基坑模型具有附加價(jià)值

BIM信息模型是貫穿基坑整個(gè)周期的模型，它本身的豐富信息可以用于基坑設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測的整個(gè)階段。如在施工階段，可以利用該模型進(jìn)行施工4D（3D模型加時(shí)間軸）模擬；在成本控制上，可以利用其中的信息進(jìn)行預(yù)決算；在監(jiān)測階段，可以將動(dòng)態(tài)監(jiān)測的結(jié)果輸入BIM模型，進(jìn)行實(shí)測數(shù)據(jù)與虛擬模型的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)測等［5］。而這種多方的協(xié)作，都可以方便地利用BIM信息模型信息共享與溝通來實(shí)現(xiàn)。

2 基于BIM的基坑設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

2.1 BIM模型的建立

在BIM基坑設(shè)計(jì)中，首先需要建立符合IFC標(biāo)準(zhǔn)的三維信息模型，這其中包含各種物理信息如地層信息、水文地質(zhì)信息、支護(hù)（圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐等），及周邊環(huán)境（道路、建筑物、地下管線等），模型除了對(duì)工程對(duì)象進(jìn)行3D幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系的描述外，還包括完整的工程信息描述，如對(duì)象名稱、支護(hù)類型、材料類別、工程物理力學(xué)性能等設(shè)計(jì)信息。由于多工況分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析的需要，還需要提供施工工序、進(jìn)度、成本、質(zhì)量以及人力、機(jī)械、材料資源等施工信息；工程安全性能、材料耐久性能等維護(hù)信息；對(duì)象之間的工程邏輯關(guān)系等。

2.2 物理模型與結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的信息共享與交換

基坑工程當(dāng)前主流的設(shè)計(jì)方式是利用有限元分析軟件(程序)進(jìn)行建模計(jì)算和支護(hù)整體空間受力和變形分析，然后利用2D繪圖工具來繪制傳統(tǒng)的2D施工圖文檔。基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式是：工程師將物理模型發(fā)送到結(jié)構(gòu)分析軟件，分析程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，隨后返回結(jié)果信息，并動(dòng)態(tài)更新物理模型和施工圖文檔。由于基坑本身所固有的特性，如結(jié)構(gòu)的分散性、工程對(duì)象的惟一性、工程信息的復(fù)雜性、項(xiàng)目參與方各自不同的信息要求與表達(dá)方式等，使得BIM的數(shù)據(jù)表達(dá)和交換的實(shí)現(xiàn)異常復(fù)雜且艱難。國際協(xié)同工作聯(lián)盟（IAI）為此推出的IFC（Industry Foundation Classes）為BIM 的實(shí)現(xiàn)提供了項(xiàng)目數(shù)據(jù)表達(dá)與交換的標(biāo)準(zhǔn)［6］，共享相同的BIM信息模型的各不同用途的軟件平臺(tái)只要符合IFC標(biāo)準(zhǔn)，就能方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和鏈接，以輸入、編輯、提取和識(shí)別所需要的信息［7］。

2.3 實(shí)際應(yīng)用

本文以一實(shí)際基坑為例，說明BIM設(shè)計(jì)的過程：首先在三維建模軟件中建立幾何模型，導(dǎo)入BIM整合軟件（如revit系列軟件）進(jìn)行信息補(bǔ)充（如材料的物理力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)件類別等，典型的就是土層的重度、內(nèi)磨擦角、粘聚力，支護(hù)樁的砼標(biāo)號(hào)、鋼筋等級(jí)等），然后導(dǎo)出為結(jié)構(gòu)計(jì)算模型格式文件，并將其導(dǎo)入專用的符合IFC標(biāo)準(zhǔn)的基坑有限元分析軟件，分析其穩(wěn)定性、變形、支護(hù)受力、配筋等，在必要的情況下進(jìn)行人機(jī)交互，以干預(yù)軟件功能的不足可能引起的錯(cuò)誤，所得的信息返回并貯存于BIM信息模型中，然后利用二維CAD出圖功能，根據(jù)分析的結(jié)果導(dǎo)出二維工程圖紙和計(jì)算書。

3 結(jié) 論

基于BIM的基坑設(shè)計(jì)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等優(yōu)勢特點(diǎn)，支持建設(shè)項(xiàng)目生命期中動(dòng)態(tài)的工程信息創(chuàng)建、管理和共享，在提高設(shè)計(jì)效率，改善溝通效果，加強(qiáng)質(zhì)量控制方面具有極大的優(yōu)勢，是未來基坑工程信息化設(shè)計(jì)和施工的發(fā)展方向。

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Application of BIM Technology in Foundation Pit Design

PENG Shuguang
(Anhui University of Architecture,Hefei 230601)

The foundation pit project design,construction,and monitoring is an ongoing dynamic process.The characteristics of highly integrated structure of the project,information sharing,virtual information model of BIM are described in the article，and provide ideas to create three-dimensional information model of foundation pit,so as to achieve virtual and intelligent design.

BIM；foundation pit；virtual design；IFC standard

TU929

A

1673-1980(2012)05-0129-03

2012-04-14

安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)基金研究項(xiàng)目(KJ2009A101)

彭曙光（1972-），男，安徽潛山人，碩士，安徽建筑工業(yè)學(xué)院講師，國家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，注冊(cè)土木（巖土）工程師，研究方向?yàn)閹r土工程。