BIM在大型水质净化厂超大超深基坑工程中的应用研究*

宋 琴，郭延辉，李海鸿，黄永华，唐雄群，吴 奇，付小兵

(1.云南建投第六建设有限公司，云南 玉溪 653199； 2.昆明理工大学公共安全与应急管理学院，云南 昆明 650093；.中铁二局第一工程有限公司，贵州 贵阳 550000)

0 引言

近年来，随着城市化建设快速发展，城市建筑用地需求越来越大，地下空间开发利用成为城市发展的必然趋势，导致基坑工程深度、规模不断增加[1]，基坑地质条件、周边环境也越来越复杂。传统二维设计难以满足超大超深基坑工程设计的需求[2]，而BIM(building information modeling)将基坑设计从二维空间转向三维空间，并从原有静态信息向动态信息转化，能很好地弥补传统二维设计存在的不足。BIM是以建筑工程项目相关信息数据为基础建立模型，具有可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性特点[3-5]，对于BIM在超大超深基坑工程中的应用研究，已成为基坑工程领域的研究热点。刘一鸣等[6-9]探讨BIM可视化技术在深基坑工程应用中的适用性。余琳琳[10]将BIM应用于深基坑精细化管理、信息化施工过程中。陈立新等[11-13]将BIM应用于复杂环境条件下的基坑工程中，通过进行施工模拟，取得一定效果。

综上，BIM在超大超深基坑中的应用研究相对较少。本文以某基坑项目为背景，通过理正7.0软件优化分析该深基坑支护设计参数，在该基础上，应用Revit软件建立复杂深基坑模型，最终应用Fuzor软件对深基坑工程进行仿真模拟。

1 工程概况

1.1 基坑周边环境

该项目为全埋式水质净化厂，地下建(构)筑物合建成集约化水池，全部置于地下，地下空间结构内部深约17m，进水泵房处为31m。该基坑形状不规则，共分7段，如图1所示。AB段位于基坑西北方向盘龙江侧，长约486m，距盘龙江42～70m，该地段分布污水、自来水管线。BC段位于基坑东北侧方向，长约155m，距宝云路约30m，宝云路边缘有大量管线，宝云路外侧为在建三峡大厦建筑场地。CD段位于基坑东南侧东段，长约145m，外侧为广播发射塔，属重要建筑，最近距离为44m，对变形敏感。DE段位于基坑东南侧中段，长约249m，外侧为空地。EF段位于基坑南侧中段，邻近盘龙区政府，长约60m，有办公区地下管网。FG段位于基坑南侧西段，长约83m，外侧为田溪公园水塘地段，水塘水已放空。GA段位于基坑西南侧，长约142m，距沣源路约12m，沣源路边缘有大量管线。基坑周边环境如图1所示。

图1 基坑周边环境

1.2 工程地质条件

拟建场地地表水体较发育，场地西北侧距盘龙江约50m，场地东侧距金汁河约400m，地下水主要为上层滞水、潜水，上层滞水分布不稳定，水位埋深为0.8～1.5m，随地形起伏。潜水层分布较稳定，场地水位埋深为1.6～5.2m，水位标高介于1 899.030～1 903.480m。根据基坑工程岩土勘察报告，开挖范围内出现土层主要为杂填土、黏性土、圆砾、粉土。各土层厚度及主要力学参数如表1所示。

表1 岩土力学参数

2 基坑支护设计及降水

2.1 基坑支护设计

基坑面积为70 000m2，总周长约1 340m，长边为465m，短边为198m，基坑深7.8～17.9m，局部深29.4m。基坑工程安全等级为一级。经过对比整体计算和单元计算，综合考虑安全可靠、施工可行、经济合理因素，基坑整体采用支护桩+预应力锚索支护体系，基坑整体支护如图2所示。进水泵房超深基坑设计深度达33m，采用刚度、安全性都较高的地下连续墙进行支护、止水。地下连续墙及内支撑布置如图3所示。

图2 基坑整体支护示意

图3 地下连续墙及内支撑布置

基坑整体开挖包括超大基坑开挖及进水泵房超深基坑开挖，均采用分层开挖施工方式。

超大基坑开挖包括自由开挖区、控制开挖区。在自由开挖区域中，当开挖至相对标高-18.400m时，施工工程桩，当开挖至相对标高-18.900m、距基坑底以上300mm时采用人工挖土的方式。当在控制开挖区开挖至相对标高-2.000m时，施工支护桩及止水帷幕，待达到设计要求后，开挖至-3.000m，施工冠梁及第1排锚索，当开挖至相对标高-18.400m时，施工工程桩，当开挖至相对标高-18.900m、距基坑底以上300mm时采用人工挖土的方式。

当进水泵房超深基坑分层开挖至相对标高-2.000m，施工工程桩，直至开挖至相对标高-8.800m，当开挖至相对标高-30.400m、距坑底300mm处时采用人工开挖方式。

2.2 基坑降水

本项目共布置降水井38口，管井埋深22～47m，实管长度为16～36m，滤管长度为5～10m，管径为1 200mm，总长约1 121m。施工过程中，应按需分区、分段降水，共分为南坑、北坑、进水泵房。南坑深区已有1号降水试验井可以降水，其余区域施工到基坑底部后，再进行降水减压井施工。进水泵房降水减压井在-8m处开始施工，管井顶标高应高于承压水水头标高，成井后可不抽水，当基坑开挖到-17.29m时，开始降水减压。为防止减压降水对基坑周边环境的影响，可在基坑外围布置回灌井，以补充该处地下水，使降水井点影响半径不超过回灌井点范围。

3 基坑稳定性计算分析

通过理正深基坑7.0软件，对超大超深基坑开挖支护设计参数进行全面系统的计算、分析。支护桩整体位移如图4所示，基坑开挖结束后，支护桩在第15～19道支撑间的整体位移较大，整体位移随埋深增大先增大后减小，最大位移为28.89mm，其他位置整体位移均小于此处。由于该基坑设计支护等级为一级，最大位移允许值为44.75mm，说明基坑支护结构整体较可靠，在基坑开挖过程中能起到支撑基坑稳定的效果。

图4 支护桩整体位移

支护桩弯矩如图5所示，与支护桩整体位移分布情况一致，支护桩弯矩随埋深增大先增大后减小。基坑开挖结束后，支护桩在第15～19道支撑间弯矩较大，为3 301kN·m，说明该位置基坑变形较大，支护桩很好地起支撑作用。该支护桩弯矩设计最大值为12 000kN·m，因此该基坑整体较稳定，不会出现失稳破坏现象。

图5 支护桩弯矩

进水泵房超深基坑支护体系整体位移如图6所示，基坑开挖结束后，地下连续墙底部位移较大，地下连续墙整体位移随埋深增大先增大后减小再增大，最大整体位移位于地下连续墙底部，为20.57mm，其他位置整体位移均小于此处。该基坑设计支护等级为一级，进水泵房基坑最大位移允许值为73.5mm，说明深基坑支护结构整体较可靠。

基坑开挖结束后，地下连续墙内力如图7a所示，与深基坑支护体系整体位移分布一致，地下连续墙内力随埋深增大先增大后减小再增大。基坑开挖结束后，地下连续墙底部内力最大，为2 810kN·m，说明该位置基坑变形较大，地下连续墙起支撑作用。地下连续墙内力设计最大值为12 000kN·m，因此该基坑整体处于稳定状态。基坑开挖结束后腰梁内力如图7b所示，第6,7道支撑的2种支护形式交界处内力最大，腰梁最大内力为3 995kN·m，说明该位置基坑变形较大，腰梁起支撑作用。腰梁设计内力最大值为12 000kN·m，符合设计规范，腰梁稳定。基坑开挖结束后支撑梁内力如图7c所示，支撑基坑东、西方向的中间支撑梁与腰梁交界处支撑梁内力最大，为1 398kN·m，说明该位置基坑变形较大，支撑梁起支撑作用。支撑梁设计内力最大值为10 000kN·m，支撑梁较稳定，无失稳破坏现象。

图7 基坑开挖结束后支护结构内力

4 BIM在基坑工程中的应用

4.1 基坑支护结构模型建立

首先建立符合IFC标准的三维信息模型，包含地层信息、水文地质信息，除对工程对象进行3D几何信息和拓扑关系描述外，支护模型还包括完整的工程信息描述，如对象名称、支护类型、材料类别、工程物理力学性能等信息。利用Revit软件，将超大超深基坑二维设计图纸进行三维建模，包括围护桩、地下连续墙、内支撑、锚索、腰梁等支护构件及转角坡道等结构。基坑支护整体模型如图8所示。

图8 基坑支护整体模型

4.2 土层信息及周边环境模型建立

根据地质勘察报告创建拟建场区的3D土层模型，利用土层模型预判、分析桩体范围内的土层信息，可直观查询任意一点的坐标、埋深、所处土层土体信息。

4.3 碰撞检查

应用Fuzor软件检查转角锚索碰撞，如出现交叉情况及时修改方案，检测后，软件自动生成检查报告并进行保存，可返回原建模软件进行修改。同时对难以找到的碰撞点运用一键查看功能，可快速查找碰撞区并进行修改。

4.4 施工模拟

将Revit模型导入Fuzor软件中，对所建模型进行漫游、协同修改。漫游过程中可查看各构件信息，查改结构净高、构件位置。同时将Revit模型导入Navisworks中，对相关工序进行有效排序，并生成施工横道图，有效管理施工进度。在项目还未建设前，通过施工模拟研究讨论可能出现的问题，形成有效的施工技术方案，缩短工期、节约造价，同时可减少工程质量事故。

4.5 三维可视化交底

通过Revit建立模型，对地下连续墙、内支撑、冠梁、腰梁、柱等构件制作及施工过程进行三维可视化技术交底，可避免质量缺陷。进水泵房三维可视化交底如图9所示。

图9 进水泵房三维可视化交底

5 结语

BIM在深基坑设计中起至关重要的作用，在深基坑精细化管理、信息化施工中有不可替代的作用。本文采用BIM对昆明市第十四水质净化厂建设项目超大超深基坑进行建模，在理正软件中优化该基坑支护参数，应用Revit和Fuzor等软件建立三维模型。BIM应用有利于形象准确地展现设计思路，还能统计工程量、进行碰撞检查，提前对整个项目建设进行全局把控。三维可视化交底可高度统一设计图纸信息，有利于设计方、施工方、监理方等多方协调配合，可解决项目中的各种复杂问题，既提高施工质量、节约造价、缩短工期，又降低超大超深基坑工程实施风险。