BIM技术在沿海软土地区深基坑工程中的应用.pdf

323：2023年5月江西建材工程技术与应用BIM技术在沿海软土地区深基坑工程中的应用纪晓佳，赵百阳？，蔡烽”，陆炫毅1.浙江安防职业技术学院，浙江温州325016;2.温州设计集团有限公司，浙江温州325016;3.温州职业技术学院，浙江温州325016摘要：文中以温州某项目为例，对BIM技术在沿海软土地区深基坑中的应用进行了初步研究。采用Revit软件，建立三维可视化的基坑支护结构BIM模型，对BIM模型导出的二维CAD图纸进行后期处理，再导入Midas/GTSNX有限元分析软件中进行数值模拟，根据有限元数值计算结果，对支护方案的科学性与可行性做进一步的分析判断。研究结果表明,BIM技术在深基坑工程行业的应用具有可行性，能有效提高设计效率和设计方案的可靠性，研究成果对于BIM技术在深基坑工程行业的推广应用具有一定的参考意义。关键词：BIM技术；基坑；有限元；支护设计中图分类号：TU74文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 5-0 32 3-0 3Application of BIM Technology In Deep FoundationPit Engineering In Coastal Soft Soil AreaJi Xiaojia,Zhao Baiyang,Cai Feng,Lu Xuanyil1.Zhejiang Security Vocational and Technical College,Wenzhou,Zhejiang 325016;2.Wenzhou Design Group Co.Ltd.,Wenzhou,Zhejiang 325016;3.Wenzhou Vocational and Technical College,Wenzhou,Zhejiang 325016Abstract:Taking a project in Wenzhou as an example,the application of BIM technology to the deep foundation pits in coastal soft soilareas was preliminarily studied.Using the Revit software,a three-dimensional visual BIM model of the foundation pit support structure isestablished,the two-dimensional CAD drawings exported by the BIM model are post-processed,and then imported into the Midas/GTS NXfinite element analysis software for numerical simulation,and the scientificity and feasibility of the support scheme are further analyzed andjudged according to the finite element numerical calculation results.The research results show that the application of BIM technology to thedeep foundation pit engineering industry is feasible,which can effectively improve the design efficiency and reliability of the design scheme,and the research results have certain reference significance for the promotion and application of BIM technology to the deep foundation pitengineering industry.Key words:BIM technology;Foundation pit;Finite elements;Supporting design0引言沿海软土地区深基坑的设计与施工难度大，风险性高，传统的二维设计方法在工程建设质量和效率等方面都出现了应用局限 。传统基坑支护设计是基于二维图纸的工作模式，即设计人员参照资料在基坑支护结构设计软件中进行结构内力分析、构件设计，然后根据计算结果绘制二维施工图。这种设计模式普遍存在协同设计复用效率低、现场施工指导可用性差等缺点，无法满足深基坑工程在安全、质量、进度、效益等方面的实际要求 2-3。为了满足日益复杂的深基坑工程设计需求，信息化设计是基坑工程设计发展的趋势。BIM（Bu i l d i n g In f o r m a t i o n M o d e l i n g）是继CAD技术之后出现在工程建设领域的又一项革命性技术，其核心优势在作者简介：纪晓佳（198 8-），女，浙江温州人，硕士，讲师，主要研究方向为基坑工程。基金项目：温州市科学技术局基础性科研项目智能建造背景下BIM技术在基坑支护设计产业中的应用研究（项目编号：S20220032）。于打破了建筑行业以二维图纸进行信息传递的现状，以数字化的方式表达工程项目的实施实体与功能特性，使建筑信息可视化，确保设计师的设计理念得到有效执行并有效规避化解各类风险。基于上述优势，2 0 2 0 年7 月3日，住房和城乡建设部等13部委联合发布关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见，明确指出要在建造全过程加大建筑信息模型（BIM）、互联网、物联网、大数据、云计算、移动通信、人工智能、区块链等新技术的集成与创新应用 41。本文以温州市中央绿轴某深基坑工程为实例，对BIM技术在沿海软土地区深基坑中的应用进行了初步研究。1工程概况拟建工程位于温州市鹿城区城市中央绿轴，市府路以南，万源路以西，府东路以东，锦江路以北。本项目总建筑面积为132 0 2 2 m，其中地上建筑面积为9440 2 m，地下建筑面积为37 6 2 0 m，建筑占地面积7 6 10 m，拟建工程由9栋17 2 6 F的高层住宅和1F裙楼组成，采用框架剪力墙结构。本工程基坑安全等级为一级，重要性系数为1.1。本工程3242023年5月工程技术与应用江西建材地下室以二层为主（基坑开挖深度为8 6 50 118 0 0 mm），局部区域一层（基坑开挖深度为56 0 0 7 7 50 mm），结合周边场地情况和温州地区的设计经验，二层地下室基坑支护采用机械钻孔桩加两道钢筋混凝土内支撑支护体系，排桩外侧采用三轴水泥搅拌桩止水惟幕，被动区采用三轴水泥搅拌桩加固；单层地下室采用机械钻孔桩加一道钢筋混凝土内支撑支护体系，排桩外侧采用单轴水泥搅拌桩止水惟幕，坑底采用单轴水泥搅拌桩加固。2BIM技术在深基坑支护设计中的应用2.1BIM模型建立根据拟定的设计方案，用Revit软件建立基坑支护结构BIM模型，如图1所示。具体建模顺序遵循：（1）创建标高轴网；（2）创建围护结构体系（包括钻孔桩、三轴水泥搅拌桩、单轴水泥搅拌桩、格构柱等）；（3）创建支撑体系（包括砼内支撑、冠梁等）。基坑支护结构BIM模型包含各种基坑支护构件的设计信息，如支护结构形式、几何尺寸、材质及空间位置等信息。与建筑、结构相比，基坑模型的创建过程十分复杂，虽然经过多年发展，Revit的族库当中已经涵盖了很多族实例，如墙、柱、楼板等，但是适用于深基坑工程的“族”却很少，并且类型单一，不能满足建模要求，所以要根据项目实际情况进行建族，例如格构柱可以选择公制结构柱来制作族文件，见图2。腰梁、冠梁、桩等也可以选择用公制常规模型创建族文件。图1基坑支护结构BIM模型图2格构柱族2.2基于BIM模型的基坑周边环境影响分析目前，岩土工程分析的常用有限元软件主要有ABAQUS、ANSYS、G e o FEA、G e o St u d i o、M i d a s G T S、PLA X IS、Ro c s c i e n c e s、Z-Soil和SoilVision等。本文采用Midas/GTSNX有限元分析软件进行有限元分析。该软件是一款岩土工程通用仿真分析软件，适用于基坑、边坡、桩基等各种岩土工程的准确建模与分析，并提供了丰富的专业化数据库。现在Revit软件与Midas/GTSNX有限元分析软件之间没有一个能实现无缝连接的数据转换接口，因此，本文基于基坑支护结构BIM模型导出二维CAD图纸，进行处理后，导人有限元分析软件Midas/GTSNX中进行数值计算。2.2.1工程地质情况BENZ等 5-6 提出的HSS模型是基于HS模型而建立的，继承了HS模型的所有特性，两者有着几乎相同的参数。根据诸多工程经验和文献报告，HSS模型能很好地反映土体剪切硬化、压缩硬化以及卸载塑性变形，适用于基坑及周边结构的变形分析。HSS模型的参数主要包括三轴加载刚度（三轴固结排水试验割线模量）E50、三轴卸载刚度（卸载再加载模量）Eur、固结仪加载刚度（切线压缩模量）Eord、粘聚力c、摩擦角，本项目土体本构模型采用HSS模型，项目的土层物理力学参数详见表1。表1土层物理力学参数压缩模重度粘聚力摩擦角E50EordEur.土层名称量E/(kNm3)c/kPa/MPa/MPa/MPa/MPa，杂填土*18.019.55102210，黏土18.13.717.810.43.73.718.5淤泥15.91.58.98.01.51.56.0，淤泥夹15.91.89.09.21.8 1.8 9.0粉砂?：淤泥16.12.010.78.92.02.010.0黏土19.05.532.011.85.55.527.5本文采用Midas/GTSNX有限元分析软件建立了该深基坑的三维数值模型，首先就是根据地勘资料建立三维地质模型，然后建立基坑支护结构和周边环境的数值模型，三维数值模型需考虑基坑围护结构延伸方向维度的变形情况，并考虑模型的尺寸效应，本文模型影响宽度取开挖深度的3 5倍，计算深度取基坑底部以下2 倍的基坑开挖深度，因此，模型的尺寸为480m325m50m，如图3所示。图3三维模型鸟瞰图本工程中模拟的地下室基坑支护采用钻孔灌注桩作为地下连续墙，经等效度处理后，选用板单元进行模拟，内支撑采用梁单元模拟。2.2.2模型网格、荷载及边界条件模型边界采用标准约束形式，模型左右两侧约束水平向位移，即X方向UX=O,Y方向UY=O；模型底部约束沉降变形，即UZ=0。为保证计算精度，基坑核心区范围取种子间距4m，非核心区间距设置为8 m。模型总共单元数为90 8 2 3个，节点数为18509个，网格划分如图4、图5所示。基坑开挖分析主要分为8 个施工步骤，主要包括：（1）初始应力场计算；（2）建筑物施工；（3）支护结构施工；（4）开挖表层素填土；（5）开挖基坑至第一道支撑底标高，施工第一道支撑；（6）开挖土方至第二道支撑底标高，施工第二道支撑；（7）开挖至二层地下室底部；（8）浇筑二层地下室底板。325上接第32 2 页）2023年5月江西建材工程技术与应用图4模型网格划分图5核心区模型网格划分（围护、支撑与周边设施）数值计算中，土体整体开挖而不是分区开挖或分区施工，计算的结果是偏安全的。由于本模型分析工况较多，以下仅对其中的控制性工况进行分析，Midas/GTSNX三维有限元软件计算结果如表2 所示。基于有限元计算结果，比较分析得到基坑开挖至坑底工况时，基坑最不利。支撑最大轴力为9 39 5kN，周边建筑最大位移9.93mm，维护结构最大位移4 1.2 9 mm。根据规范要求，基坑监测方案规定：围护桩顶水平位移报警值为30 mm；砼内支撑轴力报警值为一层支撑4 50 0 kN，二层支撑10 0 0 0 kN；立柱沉降位移报警值为2 0 mm；坑外土体沉降及水平位移报警值为4 0 mm；深层土体水平位移监测点位移报警值为8 0 mm。将数值计算结果与报警值进行对比，基坑设计方案安全可靠。表2Midas/GTSNX有限元软件计算结果周边建筑位移围护结构位移支撑最大位移支撑x方向最大支撑y方向最大大支撑x方向最大弯矩支撑y方向最大弯矩工况/mm/mm/mm轴力/kN轴力/kN/(kNm)/(kNm)开挖至第一道支撑底2.05.5014.3488647560146开挖至第二道支撑底3.6821.2346.004380860945390开挖至坑底9.9341.2980.0393951448147310533丝结语本文依托实际工程，采用Revit软件建立基坑支护结构BIM模型。BIM作为一个将参数和行为关联的复合模型，不仅可以直观展现基坑支护结构，且只需对参数进行修改，则共用此参数的模型或者图表亦全部自动随之变动，极大提高了设计师的工作效率，降低了发生错误的风险。同时，基于基坑支护结构BIM模型导出二维CAD图纸，进行处理后，导人有限元分析软件Midas/GTSNX中，可实现BIM模型到有限元模型的转化。根据有限元数值计算结果，对支护方案的科学性与可行性做进一步的分析判断，可以及时发现方案中的不合理之处，并做出优化。这种方式虽然在一定程度上实现了BIM模型与有限元模型的交互，但是，仍需要耗费大量的工作，为了实现Revit软件与有限元软件之间的直接数据交互，在智能建造背景下，应对BIM技术在深基坑工程领域的应用展开更深入地研究。护效果。切割、拆除时，做好基坑内杂物清理，为后续结构施工提供合适工作面。4结语文中就建筑深基坑工程的施工监理控制要点展开论述，通过分析相关监理措施在实际落实中的优势与不足，提升监理实效和工程质量，对于深基坑工程稳定推进、提升工程施工效益有着较大的促进作用。参考文献1】余刚.建筑深基坑工程的施工监理控制措施J】.城市情报，2022（5):2 11-2 13.参考文献【1】李军心，杨洵，高洪，等.BIM技术在山地城市基坑工程中的应用J】.岩土工程技术，2 0 2 0（5）：2 6 3-2 6 7.2邓贤.深基坑支护应用研究【D.青岛：中国海洋大学，2 0 0 4.3刘艳.深基坑监测技术及进展J】.山西建筑，2 0 0 7，33（32）：117-118.4宋燕舞.BIM技术在工程项目建设全过程中的应用J】.中国勘察设计,2 0 2 1（6)：7 9-8 1.5BENZ 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