基于BIM技术及有限元软件的深基坑施工管理要点_郭维勤.pdf

第 15 卷 第 6 期 建 筑 监 督 检 测 与 造 价 2022 年12 月 Supervision Test and Cost of Construction 27 作者简介：作者简介：郭维勤（1987），男，本科，工程师，主要从事建筑工程施工与管理工作。基于基于 BIMBIM 技术及有限元软件的深基坑施工管理要点技术及有限元软件的深基坑施工管理要点 郭维勤（中建四局建设发展有限公司福州分公司，福建 福州 350001）摘要：摘要：深基坑施工作为重大危险源之一的分部工程，当深基坑施工时必将成为项目管理人员管理的重中之重。文章根据深基坑变形的机理建立了有限元软件模型，计算出内支撑体系最受力最薄弱点，并以此为依据提出了布置深基坑监测点的方法。文章另外还阐述了如何运用 BIM 技术开展深基坑的施工管理工作，以达到降低深基坑施工过程中的质量风险和安全风险的目的。关键词：关键词：内支撑；BIM 技术；有限元软件；施工要点 中图分类号：中图分类号：TU477 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：1674-2133（2022）06-27-05 Key points of deep foundation pit construction management based on BIM technology and finite element software GUO Wei-qin(Fuzhou Branch of China Construction Fourth Bureau Construction and Development Co.,Ltd.,Fuzhou,Fujian 350001)Abstract:Deep foundation pit construction,as one of the major hazard sources,will become the top priority of project management personnel when deep foundation pit construction is carried out.According to the mechanism of deep foundation pit deformation,the finite element software model is established,and the most stressed and weakest point of the internal support system is calculated,and based on this,a method for arranging deep foundation pit monitoring points is proposed.In addition,the article also explains how to use BIM technology to carry out the construction management of deep foundation pits,so as to achieve the purpose of reducing the quality risk and safety risk in the process of deep foundation pit construction.Key words:inner support;BIM technology;finite element software;construction points 1 1 前言前言 进入 21 世纪以来，国内经济高速增长的同时各城市规模不断扩大，基坑的深度不断增加，基坑支护施工难度也随之提高。在深基坑支护中以内撑式排桩支护结构最为常见，但其施工难度也是最高的支护类型之一1。因该种支撑体系占地面积小，且具有较大的支撑强度和刚度，可将基坑变形控制在允许范围内2，但由于其施工难度高，对项目管理人员的技术水平也提出更高的要求，在实际施工管理中常用到 BIM 软件和有限元软件辅助施工管理。2 2 工程概况工程概况 项目位于福建省福州市台江区江滨大道以北，闽江北岸中央商务区，总建筑面积 116343.78，其中地上建筑面积 81923.800，地下建筑面积为34419.98。地上 33F、地下 3F，建筑高度约为 28 建 筑 监 督 检 测 与 造 价 第 15 卷 第 6 期 180 米，为超高层商务办公文化综合建筑。项目地下室支护结构采用柱列式排桩+内撑梁结构支护形式。基坑支护结构安全等级为一级，重要性等级为一级，场地等级为二级，地基复杂程度等级为二级，场地类别为类。3 3 基于有限元模型的基坑监测点布基于有限元模型的基坑监测点布置研究置研究 3 3.1.1 深基坑变形机理深基坑变形机理 在深基坑开挖施工中常见的变形有基坑底部隆起、基坑围护结构及内支撑结构变形及基坑周围地表或建筑沉降，其主要机理见表 1。表表 1 深基坑不同变形机理分析表深基坑不同变形机理分析表 变形类型 变形机理 变形原因 基坑底部隆起 在基坑开挖后，土体的自重应力被解除，将导致了坑底土出现回弹现象；在基坑开挖后，基坑底土体为负孔隙，水压力会使坑底土体软化并吸水膨胀，促使坑底进一步隆起。地下水未提前降至开挖面以下，导致土体液化；基坑支护设计不满足要求，围护结构变形；围护结构变形、开裂 基坑开挖后，位于基坑内侧的图失去土压力，基坑外侧的土由被动土压力变为主动土压力，而开挖面以下的支护结构外侧土均为被动土压力，进而因土压力不平衡，使背后土体剪力增大同时水平应力减小，产生塑性区，导致侧向变形 水平位移：基坑支护设计不满足要求，外侧主动土压力大；基坑边堆载过大；围护结果强度未到设计要求便开挖基坑；竖向位移：围护桩清孔不到位，桩体下沉；基坑开挖引起土体自重应力释放造成土体上浮引起；周围地表或建筑沉降 当基坑开挖深度深，土质较为软弱且塑性、流动性大时，土体由桩墙外侧向坑底和坑内移基坑开挖未分层开挖，一次开挖深度过大；基坑边堆载过大 动，导致坑周地表发生沉降。3 3.2.2 有限元模型建立有限元模型建立 项目管理人员运用 FLAC3D 有限元软件对项目基坑支护、内支撑体系及影响土层进行建模分析。该软件对土、岩石、混凝土等材料的受力及塑性流动计算较为适用，在建模过程中应将以下信息输入软件：基坑尺寸及支护桩主要参数；影响土层的土力学参数及地下水水位参数；内支撑体系（内撑梁及格构柱等）布置及主要参数。有限元软件模型主要计算步骤如下：根据升级款尺寸监理模型划分相应网格输入土层参数计算初始地应力输入结构单元参数实际工况模拟开挖步骤计算位移、变形量。项目深基坑有限元模型图见图 1。图图 1 项目深基坑有限元模型图项目深基坑有限元模型图 3 3.3.3 有限元模型分有限元模型分析析 该工程基坑深度为 13.1m，基坑开挖采用分段分层开挖的方式进行，由于土体应力具有非线性变化特征，因此有必要采取分段分层开挖模拟的方式。施工工况模拟共分为四个阶段进行，首先施工支护桩及冠梁，将土层、支护桩位移清零；其次是从冠梁面开挖至第一道支撑面，计算桩身及土层位移；再次，从第一道支撑梁面开挖至第二道支撑面，计算桩身、土层及内支撑梁位移情况；最后从第二道支撑梁面开挖至底板底，计算桩身、土层及内支撑梁位移情况。基坑开挖完成后，支护桩位移云图见图 2，第一道内支撑梁及第二道内撑梁轴力图见图 3-4，内支撑柱（格构柱）位移云图见图 2022 No.6 郭维勤：基于 BIM 技术及有限元软件的深基坑施工管理要点 29 5，基坑周边土体变形云图见图 6。图图 2 支护桩位移云图支护桩位移云图 图图 3 第一道内支撑梁轴力图第一道内支撑梁轴力图 图图 4 第二道内支撑梁轴力图第二道内支撑梁轴力图 图图 5 内支撑柱（格构柱）位移云图内支撑柱（格构柱）位移云图 图图 6 基坑周边土体变形云图基坑周边土体变形云图 3 3.4.4 基坑监测点布置方式基坑监测点布置方式 项目管理人员根据有限元软件计算得出的计算结果进行基坑监测点布置。基坑监测点布置原则为可参考以下内容：基坑支护位移、沉降监测点布置。基坑支护桩位移在基坑四周及未与联系梁连接位置较大，则应以有限元软件计算位移最大的位置为中心，向两侧间隔 15m 布置；内支撑梁位移、轴力监测点布置。内支撑梁体系最大位移主要出现在基坑内两个桁架式支撑梁相交的区域，则根据有限元软件计算结果，布置在内撑梁四周及两个桁架式支撑梁上；基坑周边土体沉降监测点布置。周边土体沉降量较大的区域主要出现在西北角、西南角及东侧部分位置，主要是因为该处内支撑体系强度不足导致的，布置点应在此处加密；内支撑柱（格构柱）监测点布置。内支撑柱位移最大位置位于基坑中部，这是由于基坑在开挖过程中立柱桩上浮引起的，则监测点应重点布置在基坑中间的立柱上。4 4 基于基于 BIMBIM模型的深基坑施工管理要模型的深基坑施工管理要点点 4 4.1BIM.1BIM 模型的建立模型的建立 项目管理人员在深基坑开挖前便利用 BIM 技术建立基坑模型，可从宏观角度优化布局和施工部署方案，对提高施工效率、提高有限场地的利用率、减少材料的二次搬运和环境保护减少扬尘方面均有积极意义。项目 BIM 模型应综合考虑土方开挖机械设备布置、场地临时道路等信息，深基坑BIM 应建立的主要元素见表 23。项目管理人员可从 BIM 模型中更加直观地了解基坑支护及开挖的施工方式，主要包括：土方开挖机械设备的位置土方开挖的方向、顺序；内支撑布置形式及起重设施位置；安全防护布置位置及数量，项目深基坑 BIM 模型见图 7。30 建 筑 监 督 检 测 与 造 价 第 15 卷 第 6 期 4 4.2.2 基于基于 BIMBIM 模型的技术质量管理要点模型的技术质量管理要点 该工程基坑是近年来福州市开挖深度最深、施工难度最大、支护结构最复杂、施工工期最紧的项目之一，在施工过程中利用 BIM 模型开展全方位、可视化的技术质量管理活动，主要包括以下内容：定期组织技术质量培训及技术交底：项目管理人员运用 BIM 技术、VR 技术开展可视化工程技术交底，使施工人员能身临其境地了解施工重点、要点。另外将内支撑梁、冲孔灌注桩、格构柱等施工质量通病和预防措施向施工人员交底，以达到提高施工质量的目的。合理策划施工顺序：在正式施工前，可利用 BIM 技术模拟施工顺序，BIM 模拟施工动画应综合考虑内支撑梁、支护桩混凝土龄期和土方开挖顺序对支护结构的影响，避免超挖或提前开挖。项目管理人员可利用BIM 技术对内撑梁与支护桩节点、格构柱与内撑梁节点、换撑梁与支护桩节点等支护体系的关键结构节点进行 1：1 建模，并进行重点交底，项目内支撑结构 BIM 效果图见图 8。利用 BIM 技术GIS 无人机航拍技术将场地基坑中涉及的地质情况进行建模，直观将地土层分布情况展现在设计人员和施工人员面前，有效提高工作效率。4 4.3.3 基于基于 BIMBIM 模型的安全管理要点模型的安全管理要点 深基坑施工是住建部 201837号令中超过一定规模的分部分项工程之一，施工安全管理是深基坑施工管理的重中之重，稍有不慎将会造成群死群伤的严重安全事故，在深基坑施工过程中项目管理人员可运用 BIM 模型从以下三个方面开展深基坑施工安全管理。构建基坑安全逃生通道BIM模型。在 BIM安全模型中构建应急逃生通道、上下基坑通道、应急物资储备点等信息，并进行BIM 动画模拟在紧急情况下应急逃生通道、应急物资储备点布置的合理性。与物联网设备相结合实现实时人员位置安全监测。可通过利用 RFID射频技术将实际施工人员的行动轨迹和分布在BIM 模型中体现，如有意外发生时或其他紧急情况时，救援人员可以根据 BIM 模型中的人员位置快速定位，节约救援时间。利用 BIM 技术开展安全技术交底工作。利用 BIM 模型将深基坑施工中危险源进行展示，并利用 VR 技术将这些危险源信息向一线施工人员开展安全技术交底，这样可提高施工人员对危险源的认识，降低安全风险发生概率，安全技术交底流程如下图 9 所示。表表 2 BIM 模型应包含的内容表模型应包含的内容表 元素（族）类型 子类型 元素（族）名称 主要作用 场地规划布置 场地布置 临时道路、塔吊、钢筋加工场、材料堆场 节约有限场地，明确施工组织及部署 基坑支护 基坑尺寸、基坑位置、内支撑梁、支护桩 明确基坑支护施工顺序及土方开挖顺序 场地周边情况 周围建筑 周围建筑位置、高度、土方运输车行驶方向 减少土方开挖对周边环境、建筑的影响 图图 7 项目深基坑支护项目深基坑支护 BIM 模型模型 2022 No.6 郭维勤：基于 BIM 技术及有限元软件的深基坑施工管理要点 31 图图 8 项目内支撑结构项目内支撑结构 BIM 效果图效果图 图图 9 项目安全技术交底流程图项目安全技术交底流程图 4 4.4.4 基于基于 BIMBIM 模型的深基坑实时监测模型的深基坑实时监测 项目基坑开挖深度约 15m，项目管理人员将基坑监测数据与 BIM 模型相互结合，能够将基坑监测数据实时传导到 BIM 模型中，实现深基坑安全监测的实时性、自动化、可视化。具体做法是：首先将实时受到的基坑监测数据转化为三维形式的坐标在 BIM 模型中体现；其次将收集到的深基坑监测数据与时间轴、变形色谱云图相互结合，形成该监测点的变形位移曲线图，可在图中直观地看出深基坑位移变化的情况；最后当出现超过临界值时，BIM 软件将通过 数据展示、图画展示等方式及时将预警信息推送给项目管理人员。项目管理人员可根据 BIM 模型提供的基坑预警信息做出相应安全措施，项目基于 BIM 技术的深基坑安全监测流程图见图 10。图图 10 基于基于 BIM 技术的深基坑安全监测流程图技术的深基坑安全监测流程图 5 5 结语结语 在项目管理人员运用科学的管理方法和深度运用 BIM 软件和有限元软件，极大地提高了深基坑施工管理的效率，降低了深基坑施工的安全风险，达到预期的目的。此管理方法得到了企业的认可，形成了基于 BIM 技术及有限元软件的深基坑施工工法 企业工法，在企业内推广运用，同时也获得了建设单位、监理单位及社会各级的广泛赞誉。参考文献参考文献 1刘美麟,房倩,张顶立,深基坑内撑式支护结构综合刚度研究J,岩土力学,2017(7):2059-2064.2陈林靖,孙永佳,王志刚.深基坑内撑式支护结构的有限 差 分 算 法 研 究 J.岩 石 力 学 与 工 程 学 报,2016(05):3315-3322.3曹阳,李顺,金旭,BIM 技术在复杂结构深基坑中的应用J.土木建筑工程信息技术 2021(12):1-12.BIMBIM 模型导入模型导入 施工现场虚拟施工现场虚拟漫游漫游 VRVR 技术体验技术体验 开展安全教育开展安全教育 施工安全技术施工安全技术交底交底 建立项目深基建立项目深基坑坑 BIMBIM 模型模型 导入实时基坑导入实时基坑监测数据监测数据 生产基坑变生产基坑变形模型形模型 输出基坑变形输出基坑变形位移曲线图位移曲线图 判断位移情况判断位移情况及时处理及时处理