刘一鸣，刘国楠，顾问天（.中国铁道科学研究院，北京　0008；.中国铁道科学研究院深圳研究设计院，广东深圳　58000）



BIM可视化技术在基坑设计中的应用

刘一鸣1，刘国楠2，顾问天2
（1.中国铁道科学研究院，北京100081；2.中国铁道科学研究院深圳研究设计院，广东深圳518000）

摘要BIM可视化技术是一种三维数字表达技术，与二维图纸表达方式相比，其表达更完整、准确、清晰。深圳一高层建筑基坑支护工程周边环境、设计和施工方案较复杂，本文应用BIM可视化技术进行该基坑设计方案展示和施工模拟。采用ArchiCAD 17建立三维基坑模型，展示设计方案，并结合Navisworks进行施工模拟，对完善设计和施工方案极为便利。

关键词基坑设计；建筑信息模型（BIM）；可视化；方案展示；施工模拟

我国城市地下空间开发利用程度不断加大，形成了大量设计、施工复杂的深基坑。现行二维设计方法在方案展示时，存在表达不完整、不准确等问题。BIM （Building Information Modeling）可视化技术为解决这些问题提供了技术支撑。其利用三维数字技术，以项目各相关信息为基础，构建三维建筑信息模型，对项目的物理特性等进行数字表达［1］。该技术真正实现了“所见即所得”的效果，在设计建造过程中关于项目的沟通、讨论、决策均在可视化状态下完成［2］。该技术在国内一些建筑工程中已经得到应用［3-5］，但在基坑工程中应用较少。

深圳工商银行大厦基坑支护工程周边环境、设计和施工方案较复杂，二维图纸的表达方式难以满足工程实际需求。因此，将BIM可视化技术引入该基坑设计中，用以展示基坑设计和施工方案。本文介绍了该技术具体的应用过程和施工模拟效果。

1　工程概况和设计难点

1. 1工程概况

深圳工商银行大厦基坑位于深圳市后海中心区，平面位置如图1所示。其北侧邻地铁11号线后海站，西侧邻市政道路，地下有给水管、雨水管、燃气管、电缆沟等多种管线，东侧和南侧为待开发空地。建筑总高度190. 5 m，设4层地下室。基坑开挖深度约20 m，基坑周长289 m。基坑工程安全等级为一级。

1. 2基坑支护方案

基坑支护方案采用桩撑方案。围护结构采用咬合桩形式，由桩径1. 2 m钢筋混凝土桩与同直径素混凝土桩相互咬合0. 2 m排列形成；支撑采用3道钢筋混凝土环形支撑。基坑地铁侧支护剖面见图2。

图1　基坑平面位置（单位：m）

图2　基坑地铁侧支护剖面（单位：m）

1. 3土方开挖方案

场地东侧、南侧为待开发空地，考虑土方挖运便利，局部于东侧围护结构中预留出土口，出土坡道从该出土口向内放坡到坑底，向外逐级放坡到地面。

1. 4基坑设计难点

1. 4. 1周边环境

该基坑周边环境复杂，北侧地铁后海站结构外墙与基坑围护结构最短距离＜4. 0 m，西侧地下管线与基坑围护结构最短距离不足1. 0 m，且车站、管线与基坑相对位置不断变化，采用传统平、立面图完整、准确地展示该基坑周边环境难度大。

1. 4. 2支护方案

该基坑支撑采用3道椭圆撑，在第3道支撑标高处增设1道桁架对撑，出土口外侧增加支护桩及钢筋混凝土传力板。基坑支护结构空间位置关系复杂，采用二维图纸清晰地表达该基坑支护方案难度大。

1. 4. 3施工方案

基坑土方、出土坡道开挖与支护结构施工时序交叉，采用常规施工工序图表达该施工方案难度大。

2　设计方案展示

2. 1三维建模

2. 1. 1建模步骤

本项目采用ArchiCAD 17建立三维基坑模型，建模流程如图3所示。

图3　ArchiCAD建模流程

2. 1. 2三维建模

根据基坑开挖影响范围确定基坑建模范围为围护结构外边线以外最少40. 0 m（2h，h为基坑开挖深度）。兼顾基坑建模工作量及重点部分的展示效果，建模时场地东侧、南侧待开发空地采用同标高土层处理，并与出土坡道采用不同表面颜色进行对比；地铁车站覆盖土层采用浅色系表面颜色。

该基坑各组成元素及采用的ArchiCAD建模单元见表1。考虑该基坑模型最终的生成效果，模型各元素表面颜色采用1～5级灰度等级（1级饱和度相对最低，5级饱和度相对最高）控制。基坑三维模型如图4所示。

表1　ArchiCAD基坑模型元素相关信息

图4　基坑三维模型

2. 2设计方案展示

设计方案展示内容包括周边环境和支护方案。在展示各部分内容时，为突出展示重点，模型次要部分做淡显处理。

2. 2. 1周边环境的展示

周边环境与基坑位置关系参见图4。模型完整、准确地展示了周边环境与基坑的位置关系，较容易地确定出基坑北侧和西侧最不利支护剖面位置。同时，还可进一步利用软件3D剪切功能剖分模型查看剖面。图5为基坑地铁侧一剖面模型。

图5　基坑地铁侧一剖面模型

图6　支护方案模型

2. 2. 2支护方案的展示

图6为支护方案模型。模型清楚地表达了基坑整体支撑布置情况及出土坡道与支护结构的空间位置关系。

为更清晰地展示基坑出土口处的支护设计，利用软件漫游功能，以第一人视角的形式逐步观察该处设计结果。漫游观察见图7。

图7　漫游观察

3　施工模拟

3. 1施工方案

本基坑施工内容主要包括土方开挖及支护结构施工。坑内开挖土方根据支撑及坑底标高共分为4层。

施工步骤：土方开挖至冠梁底部，施工支护桩、冠梁、立柱→开挖第1层土至第1道支撑底部，施工第1道支撑系统→开挖第2层土至第2道支撑底部，并开挖坑外出土坡道，施工腰梁及第2道支撑系统→开挖第3层土至第3道支撑底部，并开挖坑内出土坡道，施工腰梁及第3道支撑系统→开挖第4层土至基坑底部。

3. 2土方开挖技术要求

基坑土方开挖遵循“分层、分区、分段，适时兼顾，综合平衡”的原则，严禁任何空间和时间意义上的超挖，最大分层厚度不大于支撑竖向间距。考虑到基坑北侧地铁车站结构在基坑施工期间的安全，土方开挖由南向北进行。

3. 3建立施工模型

基于方案展示阶段的基坑模型，仅保留支护结构和出土坡道模型部分，并补充坑内土方模型，将模型以ifc格式文件导入Navisworks中生成施工模型。为便于施工模拟，并满足施工重点的展示要求，对坑内土方模型作如下处理：

1）坑内土方模型采用板单元建立，并按照实际土方开挖顺序逆向建立每层土方，即从第4层开始建立到第1层结束。

2）本基坑形状呈规则四边形，在满足土方开挖技术要求下，坑内土方分层厚度取相应上下支撑竖向间距，每层土方按照“田”字形分为4个区，由4块板（土方）组成。同时，为更加方便快捷地编制施工进度表，在建立土方模型时，需对每块土方进行命名。

3）为更清晰地展示土方开挖过程，每层土方分别采用不同表面颜色对比处理。

3. 4施工模拟

利用Navisworks中Timeliner功能，以天为时间单位，按照施工方案进行施工模拟，生成模拟动画。过程如下：

1）编制施工进度表。施工进度须细化到每一块土方，即每一块土方都要建立与之相对应的任务，且任务时序须满足土方开挖技术要求。兼顾任务工作量和施工模拟的细化程度，每层支撑根据“田”字形土方分区对应建立4项任务；每10根支护桩建立1项任务；坑外开挖土方作为1项任务。

2）任务链接。按照施工进度表将施工任务与对应模型单元依次链接，并定义土方任务类型为“拆除”，其它单元任务类型为“构造”。

3）施工模拟。点击“模拟”查看整个施工过程，并导出施工模拟动画。部分动画截图见图8。

图8　施工模拟部分动画截图

4　结论

在深圳工商银行大厦基坑支护工程中，引入了BIM可视化技术展示基坑设计和施工方案，得到以下结论：

1）基于BIM可视化技术的设计方案展示可以使设计人员清楚地表达设计难点及设计意图，使业主快速直观地评估设计方案的可行性。在与设计人员讨论设计方案的过程中，大大增强了互动效应，最终为双方达成共识奠定了基础。

2）基于BIM可视化技术的施工模拟可以使设计人员清晰地解释施工过程，使业主更直观地了解项目施工工序，使施工方更早地发现施工中存在或可能存在的问题，进一步对原有的施工方案进行优化，对加快项目进程具有重要意义。

参考文献

［1］Singapore Building and Construction Authority. Singapore BIM Guide（Version 1. 0）［Z］. Singapore：Singapore Building and Construction Authority，2012.

［2］上海市政工程设计研究总院.中国市政设计行业BIM实施指南［Z］.北京：中国勘察设计协会市政工程设计分会信息管理工作委员会，2015.

［3］苏骏，叶红华.基于BIM的设计可视化技术在世博会德国馆中的应用［J］.土木建筑工程信息技术，2009，1（1）：87-91.

［4］贾宝荣. BIM技术在上海中心大厦工程中的探索应用［J］.施工技术，2014，43（增）：254-258.

［5］柯尉. BIM技术在地铁车站工程中的应用初探［J］.铁道勘测与设计，2014（2）：39-44.

（责任审编郑冰）

Application of BIM（Building Information Molding）Visualization Technology to Foundation Pit Design

LIU Yiming1，LIU Guonan2，GU Wentian2
（1. China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. Shenzhen Research and Design Institute，China Academy of Railway Sciences，Shenzhen Guangdong 518000，China）

AbstractBIM（Building information modeling）visualization technology is a three-dimensional digital expression technology. Compared with the expression of two-dimensional drawings，its expression is more complete，accurate and clear. Because of the complexity of surrounding environment，design and construction scheme of the foundation pit supporting project of the high-rise building in Shenzhen，the BIM visualization technology was used into the presentation of design scheme and the construction simulation. T he 3D foundation pit model was established by using ArchiCAD 17 to display design plan and simulate construction process with Navisworks. T he application results show that the BIM visualization technology is very convenient to improve the design and construction scheme.

Key wordsFoundation pit design；Building information modeling；Visualization；Scheme presentation；Construction simulation

中图分类号TU17；TU753

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 33

文章编号：1003-1995（2016）06-0125-04

收稿日期：2015-12-21；修回日期：2016-03-23

作者简介：刘一鸣（1990—），男，硕士研究生。