陳燕安 王 榮1,2 廖 羚1,2 鐘超瑜3 賴溯欣3 趙婕

(1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，柳州 545006； 2.廣西科技大學(xué)BIM研究中心，柳州 545006; 3.廣西建工集團(tuán)第三建筑工程有限責(zé)任公司，柳州 545002)

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)水平的不斷提升，高層建筑、地鐵工程以及地下空間的開(kāi)發(fā)發(fā)展迅猛，基坑工程的深度、規(guī)模及數(shù)量日益增加，并向著更大更深的方向發(fā)展[1-2]。當(dāng)前我國(guó)深基坑工程呈現(xiàn)出與周邊建筑距離近、對(duì)施工工藝要求高、形狀復(fù)雜、施工場(chǎng)地緊張等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了施工過(guò)程必然潛在各種不確定性風(fēng)險(xiǎn)[3]，這樣的不確定性可能存在重大的成本超支和延遲風(fēng)險(xiǎn)以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[4]。而傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)及施工模式已經(jīng)難以滿足基坑工程的有效管理。

近年來(lái)，BIM(building information modeling)技術(shù)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用日趨廣泛。BIM是“以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建筑項(xiàng)目各種相關(guān)信息的產(chǎn)品信息模型，是對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)”[5-6]。它的提出是為了解決建筑全生命期各階段信息傳遞與應(yīng)用?；贐IM的三維可視化、模擬性等優(yōu)勢(shì)，突破了許多以往無(wú)法攻克的施工難題，尤其在當(dāng)下建筑產(chǎn)品設(shè)計(jì)愈見(jiàn)多樣化、個(gè)性化，地質(zhì)條件較為復(fù)雜多變的情況下，BIM的價(jià)值將更能體現(xiàn)出來(lái)[7-11]。目前BIM技術(shù)在基坑工程中的應(yīng)用涌現(xiàn)出諸多優(yōu)秀的工程案例，如劉一鳴[12]等采用BIM可視化技術(shù)對(duì)基坑周邊環(huán)境及支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)； 吳邁[13]等基于BIM的可視化及可模擬性對(duì)大面積深基坑的土方開(kāi)挖方案進(jìn)行了優(yōu)化； 宮培松[14]等基于BIM模型對(duì)深基坑工程施工方案自動(dòng)圖審進(jìn)行了研究，較傳統(tǒng)的人工圖審方式節(jié)約了時(shí)間和人力資源。本文基于當(dāng)前BIM與基坑工程相結(jié)合的研究理論及方法，在某電視中心項(xiàng)目深基坑的施工全過(guò)程中引入BIM技術(shù)，致力于提高項(xiàng)目的施工效率和建造效益。

1 工程概況

擬開(kāi)工建設(shè)的某電視中心項(xiàng)目位于城市中心，四周均為城市道路，路邊均有已建成的高層商住大樓。項(xiàng)目總投資約3.07億元，計(jì)劃于2019年5月竣工。項(xiàng)目建成后，將面向東盟，集電視傳播、譯制、制作、演播、影視文化交流、電視影像展示、電視節(jié)目交換于一身。工程總用地面積約為5 183.63m2，總建筑面積31 915.26m2，設(shè)地下室3層，地上21層，基坑開(kāi)挖深度約為14.8～18.0m?；又荛L(zhǎng)約257m，面積約4 068m2，地下室范圍線距紅線距離僅5m。西北側(cè)紅線外為34層某商業(yè)大廈； 東北側(cè)紅線外為商業(yè)購(gòu)物中心； 東南側(cè)紅線外為20層的某技術(shù)業(yè)務(wù)綜合樓； 西南側(cè)紅線外為22層商住大廈?；又苓厽o(wú)放坡空間，基坑開(kāi)挖深度較大，且受錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)不能超出紅線范圍的限制，支護(hù)只能采用內(nèi)支撐支護(hù)形式(詳見(jiàn)圖1)。由于現(xiàn)場(chǎng)條件較為苛刻，為保證深基坑施工的順利進(jìn)行，廣西科技大學(xué)BIM研究中心與廣西建工三建聯(lián)合以“校企合作，產(chǎn)教融合”的模式開(kāi)展BIM技術(shù)在項(xiàng)目深基坑施工方案優(yōu)化中的研究與應(yīng)用。

圖1 項(xiàng)目鳥(niǎo)瞰圖

2 參數(shù)化BIM模型創(chuàng)建

參數(shù)化建模是一種快速構(gòu)建、快速修改的方法。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)模型的實(shí)際需要，在原來(lái)的基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)節(jié)構(gòu)件參數(shù)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件發(fā)生改變。由于BIM模型中保存所有需要的信息，參數(shù)包含了構(gòu)件的所有真實(shí)屬性，因此可以在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算等功能，而且參數(shù)之間能夠相互關(guān)聯(lián)，達(dá)到一處修改、處處修改的效果[15]。參數(shù)化技能在實(shí)際BIM工程中隨處可見(jiàn)，根據(jù)對(duì)已經(jīng)完成的BIM模型的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，實(shí)際工作中搭建BIM模型的時(shí)間僅占總時(shí)間的20%， 80%的時(shí)間是在不斷地修改、變更、維護(hù)、完善BIM模型，參數(shù)化技術(shù)可以提高BIM模型修改維護(hù)效率和方便性，節(jié)省工作時(shí)間意義重大[16]。本項(xiàng)目應(yīng)用參數(shù)化建模有效地減少了重復(fù)搭建模型的工作，提高了基于BIM的土方開(kāi)挖方案論證，進(jìn)度控制方案優(yōu)化等應(yīng)用的工作效率。

在項(xiàng)目開(kāi)始初期，團(tuán)隊(duì)就依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)目需求編制建模標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一標(biāo)高軸網(wǎng)，為項(xiàng)目BIM應(yīng)用實(shí)施奠定良好的基礎(chǔ)。同時(shí)為便于實(shí)施過(guò)程中信息的修改和維護(hù)，先根據(jù)項(xiàng)目的需求把要建立的相關(guān)參數(shù)整理出來(lái)，再把相關(guān)族設(shè)計(jì)成參數(shù)可控制族文件，讓各參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，降低了因設(shè)計(jì)圖紙變更等原因?qū)е碌腂IM模型修改工作量，縮短信息傳遞的時(shí)間，提高工作效率和工作質(zhì)量。具體參數(shù)化族創(chuàng)建思路如圖2所示。

圖2 參數(shù)化族庫(kù)創(chuàng)建路線

在本基坑項(xiàng)目中，利用參數(shù)化快速建模，提高建模效率。如施工塔吊的模型構(gòu)建時(shí)，常規(guī)施工塔吊族(如圖3所示)無(wú)法根據(jù)施工的實(shí)際要求對(duì)模型進(jìn)行快速參數(shù)修改，以至于增加建模時(shí)間； 而本文通過(guò)建立施工塔吊可參數(shù)化族(如圖4所示)，根據(jù)施工實(shí)際要求，可對(duì)其高度、臂長(zhǎng)等一系列參數(shù)進(jìn)行快速修改。在內(nèi)支撐建模時(shí)，對(duì)支撐構(gòu)建采用參數(shù)化建族，節(jié)省了大量的建模時(shí)間，提高了工作效率。

圖3 常規(guī)塔吊族

圖4 參數(shù)化塔吊族

3 BIM應(yīng)用

3.1 三維場(chǎng)地布置

傳統(tǒng)施工場(chǎng)地布置往往都是現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)負(fù)責(zé)人根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)CAD平面圖并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行的大致布置。因?yàn)镃AD圖紙是平面二維圖，沒(méi)有具體的模型信息，項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人往往是憑經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)進(jìn)行的場(chǎng)地布置，因此很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地布置中存在的問(wèn)題，更沒(méi)有能對(duì)場(chǎng)地布置方案進(jìn)行合理優(yōu)化的可靠依據(jù)[17-18]。借助 BIM 技術(shù)對(duì)施工場(chǎng)地布置進(jìn)行預(yù)演，通過(guò)三維可視化模型，可以規(guī)避施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的設(shè)備工作范圍碰撞、臨時(shí)設(shè)施布置缺漏、材料二次搬運(yùn)距離過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，促進(jìn)安全文明施工，保障施工計(jì)劃實(shí)施，控制現(xiàn)場(chǎng)成本支出。

本項(xiàng)目地處市中心，周?chē)幼^(qū)密集，基坑周邊無(wú)放坡空間，基坑開(kāi)挖深度較大，且受錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)不能超出紅線范圍的限制，支護(hù)只能采用內(nèi)支撐支護(hù)形式，對(duì)項(xiàng)目部材料堆場(chǎng)、施工機(jī)械放置等提出了嚴(yán)格的要求。通過(guò)初步的場(chǎng)地布置方案，建立施工設(shè)施構(gòu)件庫(kù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)施進(jìn)行一比一的建模，并錄入相應(yīng)的材料、型號(hào)等相關(guān)信息，為場(chǎng)地模型的建立提供精確的族文件，在進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)三維模型建模時(shí)，可以將相關(guān)族文件成批導(dǎo)入到三維模型中，有效提高了三維場(chǎng)布模型搭建速度和精度。根據(jù)三維模型來(lái)設(shè)置施工機(jī)械的進(jìn)場(chǎng)和施工過(guò)程的行走路徑，找出并優(yōu)化其行進(jìn)過(guò)程中的碰撞點(diǎn)。同時(shí)對(duì)辦公室、生活宿舍、材料堆放、材料加工、塔吊、電梯等施工設(shè)施進(jìn)行合理的布置。本項(xiàng)目基坑為分階段開(kāi)挖，各階段現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)布變化較大，利用BIM可視化的功能，建立各開(kāi)挖階段的場(chǎng)布模型(場(chǎng)布模型如圖5-圖6)，論證其合理性，如原開(kāi)挖第一道支撐的方案把鋼筋加工棚設(shè)計(jì)在場(chǎng)地西北側(cè)，經(jīng)三維場(chǎng)布模擬后發(fā)現(xiàn)其位置在后期阻礙支撐澆筑施工，需進(jìn)行位置移動(dòng)，方案經(jīng)重新討論后，把鋼筋棚位置改在塔吊東部一側(cè)，減少了后期搬運(yùn)費(fèi)用，提前發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題并進(jìn)行修改。

圖5 開(kāi)挖階段第一道支撐場(chǎng)布模型

圖6 開(kāi)挖階段第三道支撐場(chǎng)布模型

3.2 基于Revit的工程量計(jì)算

長(zhǎng)期以來(lái)，由于施工過(guò)程的高度動(dòng)態(tài)變化，施工資源及成本管理主要依靠人為控制，現(xiàn)有資源及成本管理軟件只能輔助管理者進(jìn)行必要的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，無(wú)法對(duì)施工資源和成本進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和精細(xì)管理[19]。BIM作為新一代計(jì)算機(jī)輔助建造技術(shù)可以在3D模型的基礎(chǔ)上添加時(shí)間、成本信息，實(shí)現(xiàn)4D、5D虛擬建造，更有利于在工程設(shè)計(jì)階段去發(fā)現(xiàn)、分析、解決建造階段將會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題。本項(xiàng)目通過(guò)工程造價(jià)管理的信息化，開(kāi)展BIM土建算量對(duì)比工作，可更準(zhǔn)確地確認(rèn)工程的材料消耗量、材料入場(chǎng)時(shí)間，減少倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)用，降低資金占用率，提高建設(shè)資金的使用效益。

由于施工過(guò)程中圖紙變更頻繁，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)算工作要求高，提前計(jì)算工程量有利于現(xiàn)場(chǎng)物資管理和人力資源分配，本文利用BIM技術(shù)進(jìn)行了工程量計(jì)算的探索。本文工程量計(jì)算基于Revit來(lái)進(jìn)行并只涉及本項(xiàng)目基坑工程部分，共布置立柱樁74根，主樓區(qū)域樁底至柱頂長(zhǎng)度約為32m，其余為27m，其中立柱樁1共45根，支撐下方的灌注樁為φ1500mm長(zhǎng)9m，其中鋼管樁伸入鋼筋籠內(nèi)3m。立柱樁2共29根，支撐下方的灌注樁為φ1500mm長(zhǎng)13m，其中鋼管樁伸入鋼筋籠內(nèi)5m。鋼立柱規(guī)格為φ609鋼管立柱，壁厚16mm，鋼立柱鋼材采用 Q345鋼。高壓旋噴樁共計(jì)768根，最大深度約為27m，最小深度約為24m。直徑800mm，間距450mm，搭接350mm。此外還包括了三層支撐及其他構(gòu)件工程量計(jì)算。Revit是三維設(shè)計(jì)軟件，它與傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)軟件的不同之處在于，Revit是在虛擬的三維空間里搭建工程實(shí)體，在搭建的過(guò)程中會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)實(shí)體的幾何尺寸與體積等各項(xiàng)參數(shù)，且軟件本身自帶明細(xì)表功能，可對(duì)模型工程量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總。例如，根據(jù)設(shè)計(jì)資料和前期建立的參數(shù)化樁基族來(lái)建立精確的三維模型，再通過(guò)體積匯總獲得樁基混凝土用量(部分工程量統(tǒng)計(jì)如圖7、圖8)，可細(xì)化到每一根樁在實(shí)際的澆筑過(guò)程中混凝土的實(shí)際用量與Revit統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)分析差量及時(shí)找出原因，改進(jìn)施工方案，降低施工材料的不必要浪費(fèi)。同時(shí)根據(jù)擬施工要求對(duì)材料供應(yīng)進(jìn)行科學(xué)合理的安排，使得既滿足工程實(shí)際需要也符合施工場(chǎng)地的應(yīng)許條件，保證深基坑現(xiàn)場(chǎng)施工高效有序進(jìn)行。

圖7 高壓旋噴樁明細(xì)表

圖8 第一道鋼筋混凝土支撐梁明細(xì)表

3.3 基于BIM的土方開(kāi)挖方案論證

基坑工程區(qū)別于其他建筑工程的最大之處在于土方施工，由于受周邊環(huán)境、場(chǎng)地或豎向支撐體系的限制，土方開(kāi)挖方案也是基坑設(shè)計(jì)時(shí)需要重視的問(wèn)題，比如出土口的布置、土方開(kāi)挖的先后順序、車(chē)道的設(shè)計(jì)等。使用BIM技術(shù)進(jìn)行4D施工過(guò)程模擬，能夠?qū)⒎桨赋浞终宫F(xiàn)，從而達(dá)到增強(qiáng)溝通，提高工作效率的目的[20]。

由于工期短，場(chǎng)地條件限制大(地處鬧市，無(wú)放坡空間)，涉及多方協(xié)調(diào)施工，所以土方開(kāi)挖方案必須進(jìn)行深度優(yōu)化。通過(guò)項(xiàng)目技術(shù)會(huì)議確定采用分段分層開(kāi)挖，有五層四區(qū)法、四層四區(qū)法兩個(gè)方案。為達(dá)到節(jié)約工期、降低成本和提高方案科學(xué)性與合理性的目的，采用Revit對(duì)各方案進(jìn)行三維模型搭建，再把模型導(dǎo)入Navisworks軟件中，通過(guò)Timeliner功能，對(duì)土方開(kāi)挖進(jìn)行過(guò)程模擬，可直觀地把握每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的施工進(jìn)度，發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖面布置不合理處并及時(shí)調(diào)整。基于BIM的開(kāi)挖方案模擬技術(shù)核心是必須保證圖元與施工任務(wù)相互對(duì)應(yīng)——即選擇集的定義。本文從以下三方面入手。

1)初步確定需要模擬的開(kāi)挖方案與進(jìn)度要求，明確施工任務(wù)安排；

2)在Revit上建模時(shí)，把土方開(kāi)挖模型按照施工要求和進(jìn)度進(jìn)行分解后再導(dǎo)入Navisworks，確保分解后的模型能夠被定義成合理的選擇集；

3)創(chuàng)建任務(wù)，建立選擇集，設(shè)置任務(wù)類(lèi)型，明確其在施工模擬中的表現(xiàn)。

在得到模擬數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)各方意見(jiàn)最終決定采用五層四區(qū)法進(jìn)行土方開(kāi)挖(開(kāi)挖方案模擬如圖9-10)。

圖9 五層四區(qū)法

圖10 四層四區(qū)法

3.4 進(jìn)度控制方案優(yōu)化

建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)度控制是一個(gè)動(dòng)態(tài)控制過(guò)程，是用工作計(jì)劃把一個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)施全過(guò)程的各階段、各承包單位按照建設(shè)規(guī)律依次組織起來(lái)，將各生產(chǎn)要素按照需要布置在各階段和各參與單位的物理空間內(nèi)，然后啟動(dòng)整個(gè)體系，讓體系按照設(shè)定好的程序運(yùn)行起來(lái)。同時(shí)用一個(gè)動(dòng)態(tài)的工程項(xiàng)目進(jìn)度管理系統(tǒng)來(lái)控制和調(diào)整，使整個(gè)項(xiàng)目均衡協(xié)調(diào)有序地達(dá)到預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)[21]。

傳統(tǒng)進(jìn)度控制雖然可對(duì)進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，但是其可視性弱、協(xié)同各專(zhuān)業(yè)較為困難，無(wú)法使進(jìn)度充分優(yōu)化。當(dāng)進(jìn)度計(jì)劃中沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題在施工階段表現(xiàn)出來(lái)時(shí)，會(huì)對(duì)工程項(xiàng)目產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響?；贐IM技術(shù)的施工進(jìn)度控制，利用其可視化、數(shù)據(jù)化、動(dòng)態(tài)化的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行科學(xué)的進(jìn)度控制，把現(xiàn)場(chǎng)的人、材、機(jī)信息同時(shí)錄入，使信息得到整合，及時(shí)修正施工組織計(jì)劃中可能出現(xiàn)的缺陷，協(xié)助管理者制定更為合理的計(jì)劃，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)管理者對(duì)施工過(guò)程的控制力。

圖11 進(jìn)度控制方案優(yōu)化技術(shù)路線

圖12 進(jìn)度控制方案優(yōu)化模型

本項(xiàng)目采用Navisworks軟件進(jìn)行進(jìn)度控制方案優(yōu)化，在Microsoft Project上編制好進(jìn)度計(jì)劃后將其導(dǎo)入到Navisworks中，通過(guò)Timeliner、對(duì)象動(dòng)畫(huà)、Clash Detective三個(gè)功能的相互鏈接，根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)的開(kāi)始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間觸發(fā)各相應(yīng)對(duì)象移動(dòng)并安排其進(jìn)度，進(jìn)行工作空間和過(guò)程規(guī)劃，進(jìn)行基于時(shí)間碰撞檢查和進(jìn)度碰撞檢測(cè)。將提前完成、按時(shí)完成和推遲完成的施工進(jìn)度進(jìn)行模擬，可直觀檢查實(shí)際進(jìn)度是否按進(jìn)度表的要求進(jìn)行，直觀地把握每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的施工進(jìn)度，在出現(xiàn)不可抗力的情況下可以及時(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析并采取補(bǔ)救方案，發(fā)現(xiàn)不合理處及時(shí)調(diào)整(技術(shù)路線如圖11，進(jìn)度控制方案優(yōu)化模型如圖12)。

4 結(jié)語(yǔ)

目前BIM技術(shù)在建筑工程各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是項(xiàng)目實(shí)行有效施工管理的主要輔助手段之一?；谀畴娨曋行纳罨庸こ痰靥幊鞘兄行模┕ぷ鳂I(yè)空間狹小，工序復(fù)雜等一系列施工難點(diǎn)，本文應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)該深基坑工程進(jìn)行三維參數(shù)化建模，然后對(duì)其進(jìn)行三維場(chǎng)地布置和工程量計(jì)算，最后把模型導(dǎo)入Navisworks中進(jìn)行施工可視化模擬以論證基坑施工方案的可行性。結(jié)果表明，通過(guò)參數(shù)化建?？梢怨?jié)約大量的建模時(shí)間； 利用Revit平臺(tái)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行三維模擬布置，提前發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地布置不合理之處，有利于各功能區(qū)在施工全過(guò)程發(fā)揮更大的作用； 通過(guò)Revit工程量明細(xì)表，有利于項(xiàng)目工程量計(jì)算與核對(duì)工作； 結(jié)合Navisworks軟件對(duì)施工方案進(jìn)行模擬，對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化，確保深基坑現(xiàn)場(chǎng)施工高效有序進(jìn)行。