基于BIM技术的地铁深基坑质量安全管控研究

胡云进 虞 盛唐小东

(1.浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室，浙江 绍兴 312000；2.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；3.浙江省山体地质灾害防治协同创新中心，浙江 绍兴 312000)

0 引言

随着我国城镇化进程的发展，公共交通方式的转变，地铁总里程数迅速增加.然而，大多数地铁线路处在城市人流量大的商贸区、生活区及道路交通要塞，地铁车站施工所挖的深基坑具有时空效应和环境效应强、综合因数重、风险系数高等特点，因此深基坑工程的质量安全管控难度较大.据统计，基坑发生事故数占基坑总数的1/4，其中深大基坑事故发生率达到总数的20%[1]，如何提高深基坑工程的质量安全管控成为地铁车站施工的关键.

边亦海[2]收集的342例深基坑事故研究资料表明，安全事故发生原因有施工现场管理因素、技术实施因素和监测因素等.传统基坑工程的质量安全控制主要是在土方开挖、降水施工、支护结构施工等专项施工过程中按照设计要求和技术规范进行管控，然而实际施工中由于管理水平不高、材料设备缺陷、施工方法不当等原因在一些重要部位和关键工序不能严格达到质量标准；同时，对于土体变形、围护墙体变形、地下水位监测仍然比较被动和落后，监测数据的采集与处理不及时，不能很好地满足安全管控的需求.丁烈云[3]从信息科学角度分析认为，基坑安全事故的原因是安全管理数据采集和传递不及时、信息分析和利用不充分、安全知识共享和挖掘不足.目前普遍使用的CAD技术信息传递性差，表达能力有限，部门之间无法信息共享与协同作业；即便有电子版图纸，由于没有集成技术参数，项目参建各方对施工规范、规程及相关管理文件信息不对称，施工过程中不能及时发现问题并整改.而BIM技术具有可视化、信息化、模拟性、协调性、集成性等优势[4]，可以有效解决这些问题.但目前国内外主要将BIM技术应用于基坑优化设计、信息化施工、信息化监测与管理等方面.Luo等[5]利用BIM模型进行模拟施工方案、支撑围护结构与土建结构碰撞检查、管线排布优化等应用.刑民等[6]将Revit地铁车站模型导入Navisworks中进行漫游模拟，利用TimeLiner功能模拟不同开挖方式的合理性，优化施工设计.Azhar等[7]以奥本大学施工项目为例提出一种基于BIM技术的施工安全管理方法，通过BIM 模型及4D 施工模拟对深基坑开挖进行安全规划管理.谭佩[4]以佛山某深基坑3D模型为基础，进行监测信息关联、复杂节点配筋、施工进度模拟等工作，加强设计、施工、监测之间的沟通和信息共享.Wang等[8]利用BIM技术、光测距技术(LiDAR)，开发了一套激光实时跟踪检测与点云坐标转换系统，方便施工现场质量信息的实时采集与处理.俞晓等[9]基于BIM模型开发Web预警系统，将基坑三维监测点链接监测数据，实现色彩分阶展示，通过4D技术实时监控和预警.Chan-Silk[10]利用移动客户端将检查照片、视频以不同颜色上传到BIM模型中，并将问题通知相应施工管理人员，实现资料快速传递及信息有效沟通.于丽娜等人[11]利用BIM360glue，在iPad端查看nwd格式模型文件，方便现场巡视时质量对比检查，基本能满足对模型数据的临时查阅和记录需求.宋杰等[12]在VS 2012平台利用C#语言二次开发，以命令流方式将几何与力学参数导入ANSYS中进行数模，实现BIM模型与有限元分析软件信息数据转换.

综上所述，BIM技术与WEB系统、三维扫描、有限元软件等技术的结合在基坑质量安全管控上发挥了一定作用，但这些新技术的研究尚处于起步阶段，缺乏相关技术标准规范，没有从地铁车站施工质量控制原则上，加强基坑施工过程质量重要控制点的检查与销案.采用Revit API接口Visual Studio环境下监测系统和有限元转换的二次开发流程繁琐，投入的时间精力大.因此本文拟利用BIM信息存储的特点，将事故树分析法得出的可能存在的危险源参数化，充分考虑“人、材、机、环、法、测”六大质量控制因素，结合BIM-5D构建出关联质量安全维度的BIM集成控制模型，同时利用Midas GTS进行基坑模型变形分析优化监测点位的布置，Dynamo可视化编程简单快速地进行监测数据处理和传递，实现BIM技术在地铁深基坑施工全过程、全方位、全员共享的应用.

1 基于BIM技术的地铁深基坑集成控制模型构建

1.1 深基坑工程族创建

目前大部分建模软件没有地下结构模型的设计模块，像基坑工程里的地连墙、钢支撑、格构柱等异形构件，无法使用标准族样板，本文选择Autodesk Revit公制常规族样板创建自定义参数化族构件.构成模型的这些族构件，也就是组成3D模型的基础图元，包含了几何、材质等丰富的属性信息，可以满足深基坑工程构件信息完备性的需求.

1.2 信息化集成控制模型构建

BIM模型可以看作是一个不断完善的数据库，在构建出3D基坑模型后，关联基坑施工过程所需的质量安全方面的管理信息生成信息化集成控制模型，实现质量安全数据的有效管理.具体如下：

1.2.1 质量安全影响因素

为了针对性地集成质量安全信息，首先需要分析深基坑各专项施工的质量通病，从基坑事故致因理论中总结出影响质量安全的有关因素.基坑事故致因机理调查研究表明，施工、监测原因引发基坑坍塌的比例最高[13].为了进一步了解事故发生途径，编制了图1所示的深基坑事故树，分为最上面的顶事件(代表事故类型)，最下面的底事件(代表诱发事故的致因因素)，其余为中间事件.

事故树基本事件用两个逻辑门，“·”与门(代表下方基本事件同时发生才能引发事故)和“+”或门(代表下方任何一个基本事件发生就可以引发事故)进行逻辑上的连接.根据事故树可得出26种事故发生途径，即26组最小割集，数量较多，根据事故树可得出表1所示4组最小径集，通过切断这四种途径可以阻止事故发生.最小径集Ⅰ里包含一组4个致因因素，最小径集Ⅱ里包含(X1、X2、X10、X11、X12)和(X3、X4、X10、X11、X12)两组5个致因因素，最小径集Ⅲ包含一组6个致因因素.可以利用式(1)计算出基本事件结构重要度.

(1)

IK(i)表示基本事件Xi结构重要度的近似值，Er表示最小径集，ni表示基本事件所在最小径集中包含的事件数量.

未进行监控、监测数据处理不及时事件的重要度按式(1)计算可得

(2)

结果表明该事件对事故发生的影响程度最大，在施工过程中基坑的监控量测需要进行重点管控，其他事件可根据表2所示结构重要度排序进行经济高效的安全管理.

1.2.2 质量安全维度关联

建筑工程施工项目质量控制内容包括：单位

表1 最小径集值分布表

表2 致因因素重要度

工程质量、分部工程质量、分项工程质量、检验批质量、工序质量[14].从最小单元工序质量的“人、机、材、法、环、测”六大因素入手，根据基坑安全事故致因机理，把影响因素分为人的不安全行为(坑边堆载、施工质量差、施工方法不当)、物的不安全状态(支护材料缺陷、土体渗透破坏、基坑侧壁变形)以及管理缺陷(未及时监控、监测数据未处理)等方面，重点关联这些危险源信息.例如在Revit模型“建筑图元”属性信息中关联支护结构型号、材质、位置等三维几何属性信息，避免因支护材料的缺陷引发物的不安全状态.广联达BIM-5D软件能够高效地管理应用质量信息，弥补Revit在汇聚信息方面的不足.利用工艺库维护工具在三维构件中关联工艺工法的施工信息和质量检测资料、质量标准文件的工程信息，施工人员利用集成质量维度信息的模型提高操作规范性，减少人的不安全行为.

2 基于BIM技术的基坑支护体系变形与监测可视化分析

2.1 基于BIM技术的支护体系变形分析

根据前文事故树分析结果可知，基坑变形重点位置的及时监控是保障基坑质量安全的重要环节.Midas GTS有限元分析软件，借助线性代数方程组和矩阵，能够迅速完成数值模拟，分析计算基坑开挖过程围护结构变形的规律性[15].Midas GTS不需要二次开发数据导入接口，通过“Midas Link for Revit Structure 2018”插件将BIM基坑模型转换成.mgt格式从而得到几何模型，不断调整网格大小和参数就可以完成有限元模型的创建.基本步骤为：①建立几何模型，②定义材料及属性，③划分网格，④定义荷载及边界条件，⑤设定分析条件并分析计算，⑥查看结果.结合实际监测数据对基坑及支护体系安全性能进行分析，验证不同施工工况下的位移云图模拟的准确性，预测重点监测位置，提前做好应急预案.

2.2 基于BIM技术的基坑监测可视化

为了改善监测数据处理不及时的情况，本文利用Dynamo简单快速地创建监测预警模块，实现与Excel文件交互功能，将监测数据批量添加到模型的监测点族中，更直观高效地对基坑施工进行动态监控.

2.2.1 基于BIM技术的监测点族建立

基于Revit的参数化设计辅助工具Dynamo，相对于Revit API复杂繁琐的开发流程，具有不易发生错误，起步要求低等优势[16].根据监测内容在Revit上创建围护结构水平和竖向位移监测点族、降水水位监测井族、支撑轴力监测点族等参数化监测点族.监测点通用族跟自定义族一样采用公制常规族样板进行创建，但监测族与其他自定义族的区别在于监测族始终依附在需要监测构件上.

2.2.2 基于Dynamo的监测点可视化编程

Dynamo监测点可视化编程分为三个模块：监测点参数设置模块、外部监测数据导入模块、色彩分阶显示模块.以图2水位监测点为例，先利用“Create Project Parameter”代码节点块选择所有相同构件设置族类型、名称等参数，再利用“File Path”“Excel. Read From File”“List. Get Item At Index”等节点块选择文件路径将外部监测数据导入族构件中，最后利用“If”条件语句和“Element. Override Color In View”颜色代码块将监测数据与设定值比较，根据判定结果进行颜色分阶显示.编制完成的Revit水位监测构件族，可快速完成外部水位监测数据的分析处理，在基坑施工过程中实时查看构件的安全状况.

2.3 基于BIM技术的全过程应用流程

本文将集成控制模型与可视化监测族、有限元分析相结合，以模型使用角度(Modeling)与信息流通角度(Information)提出如图3所示的基坑施工过程事前预防、事中控制、事后分析三个阶段的应用流程，利用BIM分布式管理模式在完成施工任务的同时，满足各部门BIM应用需求，保证过程控制与结果校核能够落实到人.

(a)监测点族参数设置

(b)外部监测数据导入

(c)监测点族颜色分阶显示

图3 BIM技术全过程应用流程

3 工程应用及效果分析

3.1 工程概况

某城市轨道交通1号线与2号线的换乘站，位于两条主干道的交叉口.1号线为地下两层，2号线为地下三层.1号线车站长约503.6 m，标准段宽约23 m，基坑深约18.5 m，围护结构采用800 mm厚地下连续墙，总6道支撑，第一道砼支撑800 mm*1 000 mm，第二、四～六道钢支撑Φ609，t=16，第三道钢支撑Φ800，t=20；2号线车站长约232 m，标准段宽约23 m，基坑深约25 m，围护结构采用1 000 mm厚地下连续墙，总7道支撑+1道换撑，第一、五道砼支撑800 mm*1 000 mm， 其余钢支撑Φ609， t=16或Φ800，t=20.

3.2 事前预防

本文以2号线某换乘站与部分标准段为例，利用Revit建立如图4所示BIM基坑模型.

图4 地铁深基坑BIM模型

施工前，组织技术人员利用BIM可视化模型进行技术交底，在三维模型中展示施工重点、难点，细化到每个工艺复杂节点.如图5砼支撑钢筋绑扎细节展示可以把控支撑的刚度，确保基坑支护结构的精细化施工.

通过图6动画模拟土方开挖过程，根据开挖方案的要求来控制土体尺寸和开挖支撑时间，防止土方超挖引起土压力的增加；通过模拟降水井布置来控制降水对环境变形的影响，降低承压水头防止坑底隆起；通过模拟支撑架设，来控制深基坑分段分层、由上而下、先撑后挖的开挖顺序，以此提高挖土效率，安全管理人员可以了解项目施工特点和安全防范重点，保障人员安全、设备安全和施工安全.

图5 砼支撑节点细节展示

图6 基坑土方开挖模拟

利用有限元分析预测基坑支护的变形情况，从而对施工人员进行安全教育，是基坑安全的重要保障.大多数学者的研究结果表明：基坑周围土体深度方向与水平方向影响分区均可取2～4倍的基坑开挖深度[17]，本文土层深度方向和水平方向取4倍开挖深度，开挖土层和坑外土层网格尺寸取5 m，砼支撑、钢支撑、钢围檩、腰梁和冠梁的网格尺寸取3 m，采用修正摩尔-库伦模型和弹性模型建立Midas GTS基坑模型，以图7地连墙的位移云图为例进行计算分析.

(a)开挖至-5.4 m处的位移云图

(b)开挖至-8.7 m处的位移云图

(c)开挖至-11.9 m处的位移云图

(d)开挖至-15 m处的位移云图

计算结果表明，基坑开挖较浅时，墙顶位移最大，向基坑方向的水平位移呈三角形分布，随着基坑开挖，X向、Y向的墙体水平位移，都随着土层开挖呈增大趋势，且位移最大位置出现在每个开挖段的前一开挖面附近.监测管理人员可以增加开挖过程中地连墙的危险位置监测点位的布置，监控量测的频率也从1次/1天增加到2次/1天，从而对基坑施工和监测进行针对性的安全管理，提前做好应急处置方案.

3.3 事中控制

根据上文工艺库维护工具将施工规范、验评标准与BIM模型关联，工艺流程创建完成后在跟踪模块里设置工序“责任人”，每个施工工序的所有构件完成时，会通知相应责任人.

如图8创建地连墙详细的施工工艺流程，使施工人员能直观高效地掌握地连墙的施工工艺及技术措施，达到施工质量要求的准确性和规范性.经过培训的工序检查小组和QC小组在现场巡检时，利用广联达BIM-5D移动端可以随时查询施工专项方案并进行对比，及时发现存在的问题并改善.

如图9所示，质检员在现场发现“支模架间距过大”“土方开挖不合理”“现场道路泥泞”等质量安全问题时，手机端拍照上传到云端，消息将会推送给责任人，直到确认整改完成复检通过之后关闭问题，进入下一道工序，完成问题的跟踪管理和流程闭环，避免信息传递滞后而产生安全隐患.

现场的监测工作可与BIM基坑模型相结合，实现基坑监测数据处理和传递.在Dynamo监测点模块里，快速处理地连墙水平位移、立柱沉降及地下水位等监测数据，通过颜色变化将安全状态直观地传递给施工管理人员.以图10水位监测族为例，安全状态下监测族显示为绿色，如果超过预先设定阈值的危险构件，会发出红色预警，方便管理人员查找危险构件的部位并进行维护，解除构件危险状态，防止水位过高产生承压水头过大等危险源，实现监控过程的动态可视化管理.

图8 地连墙施工专项方案

图9 质量安全追踪管理流程

(a)安全状态监测点

(b)危险状态监测点

3.4 事后分析

广联达BIM-5D对施工后期文档资料进行安全高效的管理，解决了纸质资料容易丢失难以追溯的问题.每个部门按项目文档资料分类设置专用文件夹，以便后期文件的查找、校对和管理.信息数据导入广联达BIM-5D后上传至云端，可以实现PC端、WEB端和移动端的数据同步.根据施工过程中质量安全问题检查情况的汇总，管理人员在WEB端对工程质量安全进行多视角统计分析，从而对质量活动结果评价认定.质量安全统计分析表可以形成相似问题的经验数据库，为以后的事前管控提供智能化数据基础.

4 结语

本文根据地铁深基坑坍塌事故树分析得出引发事故的重要度，利用BIM技术对深基坑施工过程的质量安全管控进行了研究，得出如下结论：

1)通过Revit与广联达BIM-5D的结合，可简单高效地构建信息化集成控制模型，科学有效地管理质量安全方面的数据信息.移动端、PC端、云端增强了各部门联系与协作，保证了过程控制与结果校核能够落实到人，避免出现信息滞后问题.通过模型整体或局部展示进行技术交底，学习施工方案的重难点，通过施工动画模拟对关键工序的危险源进行分析，可以做好安全事故应急预案.

2)通过有限元软件Midas GTS对基坑开挖过程的模拟，可预测开挖过程中可能出现的问题，做好关键位置监测点布置与监控量测，确保基坑施工安全进行.Revit与Dynamo可视化编程结合的方式建立可视化监测族，可以批量处理外部监测数据，实现基坑施工过程的实时监测与可视化控制，形成一个较传统监测手段更加科学高效的信息化管理流程.