基于BIM的岩土工程设计优化及应用

2019-01-08王志远王晓初

沈阳大学学报(自然科学版) 2018年6期

李伟, 王志远, 王晓初

(1. 沈阳大学建筑工程学院, 辽宁沈阳 110044;2. 辽宁省环境岩土工程重点实验室, 辽宁沈阳 110044)

建筑业是国民经济的支柱产业,而当代土木工程里最重要的辅助工具就是建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM).BIM技术具有可视性、协调性、优化性、可出图性这四大特点,其核心目标就是通过对信息化技术的应用,提高建筑的性能,优化建筑设计的质量,促进各个部门及不同工种、专业之间的协调工作,实现全生命周期中各个不同阶段的工程信息共享,对整个工程周期实现更好的统筹运营[1].BIM技术运用施工流程标准化,施工难点可视化等特点,能够保质保量地按时竣工,从而使施工组织和运营管理品质达到质的飞跃.BIM技术是一种把当前工程建设行业的知识、技术及平台集于一体的技术理念,并且是未来工程建设行业发展的前沿技术,尤为重要的是,它并不是在整个实践过程贯穿后才能实现其价值,而是可以由工程设计先行并实现阶段性的价值.

自10年前引入中国以来,随着电子信息技术的蓬勃发展,BIM技术的应用与实践有力地推进了各个行业的科技创新和管理创新的快速发展[2].

1 BIM技术在岩土工程现状分析

岩土工程是求解地基与基础、边坡和地下工程等问题.对于这些问题,BIM技术在三维数字技术基础上,集成了各种相关信息的工程数据模型,可以为设计、施工和运营提供相协调的,内部保持一致的并可进行运算的信息,并贯穿于建筑工程项目的规划设计阶段、施工阶段,以及维护阶段等整个建筑生命周期管理过程中,BIM技术的应用与实践使建筑工程项目达到缩短工期、节约成本的理想目标[3].根据技术应用的现状来看, BIM技术已广泛应用于建筑、桥梁、隧道等工程,而在岩土工程中应用相对滞后.

岩土工程与其他工程有着显著的差异,因为其与地质关系密切等特征,所以建筑业中已成熟的BIM技术不能够全部复制到岩土工程的应用中.综合分析BIM技术在岩土工程中的应用现状可知,BIM技术的引进不仅带来了机遇,同时也遇到了软件系统的不成熟、宣传力度不足、经济回报不明显等客观问题,但很多建设单位早已尝试对BIM技术在岩土工程中进行应用并且推广,并且对BIM技术实施的过程中所遇到的问题进行分析和总结,以及解决推广过程中遇到的难点[4-5].在当今信息时代的大背景下,随着设计的可视化和信息化的发展,BIM技术可运用三维模拟、施工模拟等技术,对设计及施工等过程达到最大优化,更加直观地展示施工工序,从而使施工工序更加优化.下面以赤峰市红山区文体活动中心、剧场、影院及地下停车场项目为例,由于该工程对BIM技术的完整实施, 并对模型建立方式与施工应用方法进行深入研究,使得BIM技术应用与实践在岩土工程中产生了显著的影响.

2 BIM在某岩土工程中的应用

2.1 工程概况

拟建的红山区文体活动中心、剧场、影院及地下停车场项目位于赤峰市八里铺北街南侧,宁澜南路东侧.拟建物东侧基坑周边20 m内无已建建筑物,西侧基坑距离已建宁澜南路约15 m,南侧距离已建B12小区住宅楼约25 m,北侧基坑距离已建八里铺北街约15 m.本次勘察的拟建物为文体活动中心、剧场、影院及地下停车场,剧场及影院为地上2层,带有1层地下车库,高度为20.1 m,局部24.1m,框剪结构;文体活动中心为地上5层,局部3层,带有2层地下车库,局部无地下车库,高度24.0 m,局部15.3 m,框架结构.总建筑面积约为27 470.37 m2,其中地上建筑面积为14 460.73 m2,地下建筑面积为13 009.64 m2.文体活动中心、剧场及影院拟采用独立基础或桩基础.

本项目的难点在于该项目的用途以及场地面积过大,对地下结构各部分之间的协同设计要求较高,同时在独立基础关键节点处连接的施工工艺难点决定了地下结构设计的复杂性.在设计阶段分析施工可行性过程中,要着重减少施工返工,缩短工期,节约成本及提高工程质量.

2.2 BIM技术构建思想

如图1和图2所示,在勘察报告中大部分使用柱状图、剖面图、钻孔平面信息去构建整个地质信息.由于场地面积过大和人的差异性,对勘察报告所获得的信息或结论会存在差异,使得构建的地质信息会有所偏差.建筑工程的设计工作大多是由具有多年工作经验的设计人员来完成.从对项目各项前期资料的理解及对关键节点的设计、预留洞口设计等,都主要由设计编制人员依靠自身的经验知识加以判断,这就使得设计方案的编制过程带有较浓重的主观色彩.然而,具有三维地质模拟的BIM技术可以抛除点(钻孔柱状图)、面(钻孔刨面图),有效地利用地质信息形成一个三维立体的地质模型,使得建筑信息展示的更加全面、详细.

图1 局部独立基础柱状图(单位: mm)Fig.1 Partial independent foundation histogram(unit: mm)

图2 局部工程地质剖面图(单位: m) Fig.2 Partial engineering geologic profile(unit: m)

2.3 BIM技术建模分析

经现场勘察和试验结果得知,整个场地地形稍有起伏,地面黄海高程为579.12～581.22 m,最大相对高差2.10 m,场地平整高程约为577.00～579.50 m,地貌单元属冲积平原,且拟建场地内地质条件一般,局部岩性变化较大,场地上部为杂填土层,湿陷性粉土层、粉土层,下部主要为砾砂层、圆砾层,本场地勘察期间地表未见地下水,场地整体呈东高西低状,排水条件良好.钻孔所取土样化学分析结果按照最高离子含量分析判断,本场地土对混凝土和混凝土中钢筋具有微腐蚀性.勘察期间,经地表调查,场地西侧发现4条余热管道,沿道路南北走向,管底埋深约2.5 m,直径约5 m,材质为混凝土管,除此之外,未发现其他对工程建设不利的地下埋藏物.并且本场地勘察期间未发现滑坡、崩塌、采空区、溶洞、土洞等不良地质现象.

由以上的现场勘查和实验结果可得三维质地模型图及文体中心桩基础模型图,如图3和图4所示.

图3 三维地质模型Fig.3 Three-dimensional geological model

图4文体中心桩基础模型
Fig.4 Pile foundation model of sports center

由图3和图4可知,根据采集到的信息情况运用计算机进行模拟分析,运用BIM技术进行加工处理,对整个地质信息进行建模分析,建立一个三维立体的地质模型,在施工模拟过程中,如果结构设计及施工管理等方面发现有冲突的问题,可及时对设计模型进行反馈,进而实施一个再修改过程.BIM技术把未及时发现的、不合理的问题在三维地质模型中不断完善,使得人为失误明显减少,大大减少了在人力和物力方面的支出,节约了成本,最关键的是可得到一个最佳的设计方案及施工方案.

由于勘测的原始数据过于庞大,尤其是在复杂关键节点处,人工计算可能与实际结果存在一定的偏差,而作为程序化的设备,计算机可以代替人工计算进行数据核算,把最初的基础平面图、剖面图等设计图编程到计算机里.运用Autodesk Revit软件里最重要的组成元素族可以把复杂关键节点化为简单明了的问题,使结构的分析更加合理及设计方案更加优化.

由图5可知,对于异形结构,可通过新建族的方式进行建模,并可形象地把族理解为一个个不同形状的积木,从而进行“搭接”.对于构件节点交叉处,依靠传统的二维图纸很难得出构件冲突或碰撞等受力问题,而利用Revit软件建立模型后,可对复杂关键节点进行隔离导出并生成格式为.sat的文件,然后导入ANSYS等有限元分析软件进行受力分析计算,根据受力分析结果进行检测结构是否符合设计要求,进而调整三维模型,使设计更加优化合理.

图5 局部复杂关键节点Fig.5 Partial complex key nodes

2.4 BIM技术施工应用

本场地拟建物基坑开挖深度约为现地面下4.5～10.0 m,属二级基坑;根据勘察结果和现场调查,基坑开挖深度内涉及到的主要土层由上而下分别为:①层杂填土;②层湿陷性粉土;③层粉土;④砾砂;⑤圆砾.东侧基坑开挖时采用放坡开挖,由于开挖深度内涉及到的地层均为土层,放坡率为1∶0.75,开挖深度超过5.0 m时,应采用分级放坡,并采用织物袋装砂包反压坡脚坡面法进行挡护,放坡开挖面采用锚钉、钢网混凝土喷面等进行支护;北侧、西侧、南侧基坑采用排桩法进行基坑支护.

由于BIM技术的应用与实践伴随着建筑工程的整个过程,以数据信息为基础,为建筑工程各专业间提供了一个数据共享的系统,从而使得各专业间交流协作更加便捷[6].在岩土工程中,BIM技术把每一个步骤作为基本对象,在基坑的设计分析、施工效率、成本控制以及后期维护上体现出了极大优势.BIM技术是使用各种工程参数来驱动三维建筑模型,再利用该模型对此设计的建筑性能进行分析[7].

由图6可知,把每一项数据通过BIM技术以三维效果图和动画模型进行展示,把复杂关键节点冲突或碰撞等问题提前进行反馈,能够良好地完成性能分析和施工模拟,对施工过程中每一个环节能够进行运行控制,包括施工进度、施工偏差、成本核算等都可以更加直观地展示给施工方及施工人员,以便更加便利地解决施工过程中的难题,保证施工的安全性.对内部支撑进行拆除或者是逆作法施工等复杂性施工部分进行模拟,可以发挥BIM技术的特长给予正确的岩土工程施工,例如临时支撑拆除顺序的先后,又或者是逆作法的施工顺序的先后都可以进行提前模拟施工,达到最优化的施工过程[8-10].