朱金林，袁梓瑞，徐成皓

（1.江苏省地矿局第三地质大队，江苏 镇江 212111；2.江苏科技大学，江苏 镇江 212003）

0 引言

随着国家城市化和经济建设的快速发展，城市用地越来越紧张，地下空间与工程的深入开发利用促使基坑工程的开挖深度和规模不断增大[1]。深基坑的地质条件和周边环境也趋于复杂化，其对基坑进行实时监测是十分必要的，而常规手段获取的数据通过文字、表格及二维曲线无法让管理人员直观地看到基坑的整体变形时间趋势[2]。建筑信息模型（building information modeling, BIM）是对于项目进行设计、施工和运营维护管理的一种新型过程方法[3]。将BIM 技术引入项目施工中，建立BIM 模型，不仅可以对施工场地进行优化布置、而且为复杂的施工工艺进行技术交底、质量检查、资料收集及进度模拟等提供理论依据[4]。

关于BIM 技术在基坑工程中的应用方面，已有众多学者开展研究，如吴清平等[5]借助BIM 技术对上海SOHO 天山广场超大深基坑的施工全过程进行模拟与分析，结果表明，BIM 建立的三维模型及漫游动画可以对施工中具体部位与管理进行预测和修正；彭曙光[6]通过对比传统基坑设计与BIM 技术在深基坑工程设计中的应用，发现BIM 技术对于提高设计效率及后期施工质量具有显著优势；杨敏[7]提出利用参数化建模的方法进行基坑支护结构的创建，并进行优化调整；慕冬冬[8]以武汉绿地中心深基坑工程为例，运用BIM 软件Revit建立基坑三维模型，并用Navisworks 软件进行碰撞检查和施工模拟，对基坑支护结构复杂节点进行深化设计。张燕[9]在铁四院总部大楼基坑工程中采用BIM 技术，建立三维地质模型和支护结构模型，并对基坑开挖的施工工况进行模拟。结果表明，BIM 技术不仅可以揭示地层的连续性、校核和检验支护结构及基础持力层位置，而且Revit 自带的明细表功能可以快速、精确地统计各类支护构件的数量以及开挖土石方量。

综上，BIM 技术在基坑工程中已有初步应用，对基坑工程的合理施工具有重要指导意义，然而，由于BIM技术在基坑工程中的应用仍处于起步阶段，在复杂地域，无法表达地质构造，尤其对于复杂市域条件下的逆错层式深基坑工程的研究分析很难。因此，本文以丹阳市某逆错层式深基坑工程为依托，采用工程实际地质条件和岩土物理力学参数，对基坑的支护结构进行综合设计，并借助Revit、Fuzor 及Naviswork 等软件，建立了该项目的岩土工程BIM 三维仿真模型。之后结合勘察资料及周边环境，建立基坑支护结构模型，进一步模拟动态施工过程，实现三维立体支护效果，并对该基坑支护结构碰撞问题进行分析。

1 工程背景

1.1 项目信息

拟建深基坑工程为丹阳某建设项目地下室基坑支护工程，该项目位于镇江丹阳市新民中路南侧、城河路西侧。项目场地位于丹阳市中心，周边环境复杂，场地北侧、东侧及西侧红线外均存在已建5～6 层砖混结构居民楼，场地南侧红线外为内城河。

项目场地整平标高为7.50m，地下室负二层底标高为-2.50m，基坑的开挖深度为10.00m。地下室负一层底标高为1.30m，基坑挖深6.20m。基坑周长约740m，基坑面积约22500m2。基坑形状不规则，地下室负二层平面与地下室负一层平面不统一，存在错层。

1.2 工程地质条件

根据基坑工程岩土工程勘察报告，可知场地上覆土层为第四系全新统人工填土、粉土、淤泥质粉质粘土夹粉土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土和粉质粘土夹粉土，上更新统粉质粘土，下伏基岩为白垩系（K2）砂岩。本场地的地下水类型主要为孔隙潜水和基岩裂隙水。孔隙潜水初见水位埋深0.91～2.25m，稳定水位埋深0.82～2.15m，水位为5.90～6.18m。水位受季节性变化及附近河水位影响较大，年变化幅度一般在1.2m 左右。含水层厚度较大，对工程施工影响较大。基坑开挖影响范围内土层的主要物理力学参数如表1 所示。

表1 土层物理力学参数

1.3 基坑工程特点

（1）场地周边环境复杂。场地三面为已建5～6 层居民楼，一面为内城河，若基坑开挖导致周边较大变形，将危及居民楼安全；若地下水未合理控制，内城河中水将渗进基坑内，坑外水位下降较大，出现沉降问题，造成安全事故。

（2）地下室形状不规则，施工用地紧张，基坑开挖边线不规则。

（3）地下室负二层平面与地下室负一层平面不统一，存在错层，需考虑地下负一、二层相对高差。若采取支撑结构体系，需明确支撑换撑与地下室底板施工顺序。

（4）场地工程地质条件差，地下水丰富，场地分布土层②层粉土具有一定的透水性，且③层淤泥质粉质粘土夹粉土及④层淤泥质粉质粘土厚度较大，开挖时易产生较大变形。

2 基坑工程模型的建立

根据初始设计方案，运用Revit 中的“概念体量”功能创建基坑体量。首先新建一个基坑概念体量，在概念体量内建立基坑标高，然后导入CAD 设计图纸，建立基坑体量，如图1 所示。

图1 基坑体量模型

把建立好的基坑体量模型载入到新建项目中，基坑形状已基本确立，此时的三维基坑模型相当于现实环境中基坑土方开挖后阶段。之后，进行基坑支护方案的设计与分析并建立基坑支护模型。

根据基坑工程施工顺序，依次建立基坑坡面模型、支护桩、冠梁以及内支撑等相关结构构件，最后，建立土钉、腰梁及其他剩余构件。具体建模步骤如下。

（1）导入CAD 图纸。

根据导入结果，依次建立基坑止水桩、支护桩、上部周围挡土墙模型以及桩顶冠梁模型。挡土墙、支护桩、内支撑、冠梁及格构柱等局部构件模型，整体基坑支护模型。由于后期需要对模型进行可视化处理和施工模拟，本基坑模型需要按照相关施工工艺流程进行展开。

（2）支护桩、冠梁、内支撑、土钉墙等主要基坑支护构件创建后，还要根据现场周边环境建立基坑周边道路、房屋、市政管道等模型。通过建立整体模型，可直观地观察到基坑与周边环境的关系，如图2 所示。

图2 基坑三维模型

3 BIM 技术在基坑施工阶段的应用

BIM 技术主要应用于基坑工程施工过程的模拟控制，一是对基坑工程的施工场地进行动态布置，如机械设备、建材构件、仓库以及住宿区等；二是通过4D 施工模拟土方开挖等情况，对复杂工序进行三维可视化技术交底。

3.1 施工场地动态布置

应用BIM 技术对施工场地规划动态模拟，建立三维模型直观显示施工现场的作业过程，通过动画漫游查看施工现场布置是否合理，对不合理的地方进行修改，特别是对深基坑施工现场的开挖位置、材料堆放位置、土方外运交通、机械运行路径等进行规划和布置。

3.2 4D 施工模拟

在Revit 中将建好的三维模型与基坑工程的施工进度计划相关联，使模型中的每一个构件和进度计划的每一个时间点按真实施工的工序进行模拟。在4D 施工模拟过程中，采用Fuzor 软件对基坑工程中各项施工步骤和施工进度计划进行模拟，对基坑三维模型进行渲染和漫游，并进行动画与视觉上的宣传展示。

在基坑工程施工前，通过4D 施工模拟不同工况可以针对性解决施工过程中可能出现的问题，总结提出有效的解决方案，不仅有效地提高工程安全性，还可避免成本浪费。在基坑工程施工过程中，4D 施工模拟可以合理地指导不同施工工况，节约施工工期，减少工程质量事故。

4 支护结构碰撞问题分析

通过BIM 模型，可有效解决各支护结构之间的碰撞问题。通过调整各结构构件的支护形式，可规避各支护结构之间的碰撞风险。本工程中场地红线外三面为已建居民楼，基坑支护应采取措施保证居民楼及地下管线及构筑物的安全，且地下室形状不规则，上下层之间存在错层，需考虑地下负一、二层相对高差支护形式。通过Naviswork 软件的碰撞功能对该项目的支护结构进行了优化，经与项目部沟通后，本项目一、二级支护皆采用钻孔灌注桩+混凝土内支撑进行支护，坑外采用三轴深搅桩止水，支护结构剖面如图3 所示。

图3 梯级支护形式

5 结语

基于丹阳市某复杂市域环境中逆错层式深基坑工程，根据现有的CAD 平面图，采用Revit 软件建立了复杂市域环境下深基坑工程三维可视化模型，借助Fuzor软件对模型进行了渲染和漫游，以论证基坑支护工程施工方案的可行性。最后，通过Naviswork 软件的碰撞功能对支护结构进行了优化。结果表明，利用Revit 可以预测施工场地布置的不合理之处；有利于在施工过程中缩短工期并精确判断施工中所遇到的工程问题；通过Naviswork 软件的碰撞检查可进一步对支护结构进行优化。BIM 技术在基坑工程施工中，有利于各方的信息共享和协调配合，有效的保证了工程质量安全，其在深基坑的应用中有广泛的前景。