住建部在《关于印发推进建筑信息模型应用指导意见的通知》中将“建筑行业甲级勘察设计单位以及特级、一级房屋建筑工程施工企业应掌握并实现BIM与企业管理系统和其他信息技术的一体化集成应用”作为2020年BIM技术的发展目标。BIM为建筑行业带来的效益价值也日渐凸显,实现全国范围普及和向专业化领域扩展延伸将是其未来的发展趋势。

深基坑工程系统性强、施工技术复杂、施工安全及质量要求更加严格,伴随城市化进程的加快,当前深基坑工程不仅数量日益增多,而且工程深度和跨度也都有增加的趋势,在工期紧张的情况下进一步加大了深基坑工程的施工难度,因此,深基坑工程迫切需要先进技术的辅助指导。BIM技术的出现为解决深基坑施工难题提供了有效途径,实现了深基坑施工的精细化管理,有助于提高施工效益和保证项目工期。鉴于此,本文将对BIM在深基坑施工中的应用情况展开深入分析。

深基坑工程相较于浅基坑工程的施工过程更加复杂,施工难度明显加大,在仍然按照传统方式开展施工并缺少先进技术辅助的情况下,质量、进度、成本等方面均会显露出诸多问题,制约深基坑工程施工的质量和效率。

深基坑地下室在地下结构完成后经过顶板浇筑便直接形成,之前的围护结构等都属于隐蔽工程,造成深基坑工程隐蔽性和临时性较强,而业主出于利益最大化的考虑,往往存有减少隐蔽工程预算投入的动机。地质条件是深基坑成本难以掌控的重要原因,地下网管、地质结构等随着开挖深度的加深可能出现与预计情况偏差较大的情况,从而增加了施工成本的不确定性。此外。随着深基坑施工进展的深入,还会出现设计构想与施工实际状况不符或发现之前设计有误的情况,从而导致工程被迫变更,增加了深基坑施工成本。

深基坑工程开挖规模和施工量都较大,但是为了避免基坑长期暴露而带来的意外情况,在基础工程工期控制上非常严格,造成深基坑施工工期普遍比较紧张。复杂的地下水状况和地质条件以及地下管线都会对深基坑施工保持正常进度造成干扰,深基坑工程进度还经常受到支护结构保护、降雨排水、意外抢险等突发事件的影响而减缓或延误。深基坑支护结构和土方开挖通常由不同的施工单位承担,两项工程进度一旦不能协调配合,将对深基坑工程整体进度构成影响。可见,深基坑工程进度的协同管理仍有需要完善之处。

深基坑支护结构、施工材料等方面的质量问题事关工程安全,所以深基坑在施工质量上比一般基坑施工更加严格,施工质量标准要求非常高。然而施工单位常受深基坑随着建筑工程地下部分完成而结束的片面思想影响,将其视作临时工程,进而以临时工程的标准来要求深基坑施工质量,导致深基坑整体质量水平深受影响。此外,深基坑内土体加固、围护桩等施工经常受到违规作业的影响而出现施工质量较差的问题。深基坑内部质量问题在验收后难以追踪,为后期维护和补救措施的实施增加了难度。

安全问题是深基坑施工的头等大事,一方面,开挖、支护等方面的施工质量问题,比如基坑暴露时间过长、坑顶超载、土方超挖、支护设计缺陷等,容易导致深基坑不稳定,可能引发安全事故;另一方面,深基坑施工过程中的发生的地质勘察误差、施工操作失误、施工机械故障、临近建筑物受损、天气灾害等各种意外因素,都有可能影响到深基坑整体结构的受力情况,从而带来较大的安全风险,一旦出现坍塌、沉降等安全事故,将导致严重的经济损失,甚至造成人员伤亡。

应用BIM对建筑项目进行指导,其可视化、协调性、模拟性等特点,使其在深基坑施工中具有诸多应用优势:

(1)成本管理更加严格和高效。BIM模型的成本和时间维度控制功能,使深基坑工程材料供应计划与成本计划、进度计划相结合,不但使各施工阶段不同材料需求得以区分和明确,而且还能实现材料领取及使用情况实时记录。运用BIM条形码扫描功能可以在材料进场前检查采购材料是否符合工程要求,借助BIM技术,各施工区域各种类型材料的使用清单都可以单独生成和查看,可以对某区域或某类材料的用量单独计算,有助于提高施工现场的成本管理效率。

(2)保证并加快工程进度无障碍进行。通过BIM动态布置技术对施工场地内土方运输线路、施工机械及材料堆放位置等进行模拟布置,选择最佳布置方案,据此生成现场模拟图,进行现场布置,可以避免现场布置时位置不当导致的机械碰撞等突发性问题而被迫临时调整,造成工程进度延缓或暂停。BIM动态布置既能够保证现场布置进度顺利进行,同时最优化布置方案又能够提高施工现场运行效率,对工程进度起到推动作用。

(3)提高质量监督效果。借助BIM技术管理人员只要在有网络和移动设备的条件下,就能够通过远程控制程序实现对施工现场的实时视频监控,并将BIM模型与现场监测情况关联比对,及时发现施工中的问题,突破了现场实测、图纸对比、资料汇报等传统施工管理方式在时间、空间上的局限性,使深基坑工程管理方式得到质的改变,帮助管理人员提高工作效率和强化现场监督效果。在BIM技术监管下,深基坑施工被置于全天候、全覆盖的质量监督状态下,偷工减料等施工问题失去了掩盖条件,施工人员迫于监督压力将完全按照标准施工,施工质量漏洞将大为减少。

(4)预防安全问题发生。深基坑施工作业环境及周边环境在BIM模型的仿真模拟中被清晰地显现,据此可以对施工中的环境问题及环境条件给施工安全带来的不利影响进行预判,提早制定预防对策,消除潜在安全及环境隐患。现场布置模拟也能够提前发现机械位置、工程车辆路线设计不合理导致的碰撞事故隐患,做出合理化设计,防止后期机械设备安全事故的发生。

将BIM技术的先进优势与深基坑施工相结合,能够为深基坑施工中质量、安全、进度、成本等一系列问题提供卓有成效的解决途径。

针对工程变更、地质条件导致成本增加,以及业主的成本最小化要求等问题,主要通过以下途径解决:运用BIM技术建立深基坑模型,基于模型计算出不同施工方案的投入成本,为业主选出成本最优化方案;构建深基坑分层地质模型,提前了解深层地质情况,做好成本预算,避免开挖后复杂地质条件带来额外的成本追加;借助模型会审和碰撞检测,提前发现碰撞等设计问题,以进行及时纠正和设计交底,避免施工中设计不当导致工程变更带来的成本增加问题。

对于进度方面存在的工期紧张、进度管理不完善、工期易受突发状况影响等问题,利用场地动态布置模拟可以生成最佳布场方案,避免场地布置不合理造成施工秩序混乱,确保工程在正常秩序下顺利开展;通过施工模拟对施工进度差异、突发状况、施工队伍配合情况等影响进度的关键事项进行提前观察,以及时调整施工方案,保证施工进度正常。

针对材料控制不严、违章作业等造成施工质量差等难题,BIM建模时同时生成材料清单和材料二维码,依据清单采购材料,并对所购材料进行入场前的扫码审核,严把材料质量关;利于施工模拟和技术交底,使施工人员提前了解和掌握施工关键环节和复杂技术,避免因技术问题对施工质量造成不利影响;通过BIM监管平台实时监控施工现场情况,加强对工程质量的管理力度,实现质量问题第一时间发现和纠正,避免施工质量持续恶化酿成严重后果;BIM运用中所收集的资料,在工程验收后将归入数据库,作为后期工程质量维护的依据。

BIM技术可以制作安全培训视频、安全要点二维码,施工人员可在现场随时扫码观看;将BIM模型与施工监测数据、安全检查结果相关联,实现监测数据的可视化,施工人员能更加直观、准确地观察、发现深基坑安全隐患,并采取精准的应急措施,以有效解决内部工程问题隐蔽、安全事故频发等问题。

武汉清能清江锦城项目K9地块由两栋27-32层住宅楼组成,建筑物设计±0.00标高为22.60m,设计两层地下室,基坑面积约3223m²,周长约245m,开挖深度约10-12米,属于深基坑。基坑周边环境比较复杂,基坑西侧、南侧红线外均为重要市政道路,西侧红线外40米是在建的地铁5号线;基坑西面距离长江约5公里,水文地质条件复杂,地块土质为流塑状淤泥,承载力较差;地块位于城心区域,周围遍布居民住宅,地下管线情况复杂。

清江锦城项目工程支护结构涉及钢材物料数量大、种类多,使物料成本统计难度较大。此外,设计变更、价格波动等不确定因素导致施工成本变动较大,也加大了实时掌握施工成本数据的难度,而借助BIM技术则可以对施工成本进行精准掌控。一方面,清江锦城项目工程项目部在BIM建模时将成本、尺寸、类型等钢材构件信息一并添加至模型当中,甚至添加了必要的文字描述,模型建立的同时,包含各类要素信息的钢材物料工程量清单即同步生成,而且可以通过选择信息选项对清单进行筛选查看。项目技术人员通过查询材料表单数据,可以提前掌握项目用料概况,对工程备料预算起到较大的辅助作用,极大地提高了物料成本管理效率,并为工程概预算提供了准确客观的依据。另一方面,清江锦城项目工程项目部利用BIM5D技术实现了现场用料成本与市场价格变化的同步更新,并且在进行施工模拟过程中,根据各施工阶段的物料、机械、人员等情况为各阶段定制合理的材料需求计划,避免材料供应过量造成二次搬运、长期保管而衍生出附加成本的问题,以及避免材料进场不足形成窝工,致使工期成本异常增加的情况。项目管理人员现场管理时通过点击模型中的物料选项,能够对其属性、规格、入场时间、进度用量等各项标准进行直接查看,方便现场对照工程进度进行物料检查,从而提高物料成本节约、控制效果。

考虑到清江锦城项目紧邻长江与地铁线路,基坑施工环境比较复杂,本项目项目部在开挖前运用Revit工具绘制支护结构设计三维模型,通过模型直观展示,发现并修改了二维图纸中多处构件冲突问题,避免开挖后因设计偏差、工程变更造成进度延误,同时提高了设计图纸的准确度。施工前清江锦城工程项目部组织参建各方进行了基坑施工过程BIM可视化模拟,不仅各自负责的环节工作得以提前了解,而且也大体掌握了其他参建方的施工情况,施工过程中各参建方相互配合,结合关联工序进展情况合理控制施工进度,工程工序衔接整体较为顺畅,工程进度没有因为各方衔接问题而中断。清江锦城工程项目部在工地布场前,多次利用BIM技术模拟布场效果,为设备、物料、临时建筑等规划出最佳位置,按照模拟效果实施布场,使布场工作一次成功,节省了布场占用时间,同时也为施工单位后期施工创造便利的现场条件,有利于其施工效率的提高,对施工进程起到间接推动作用。

清江锦城项目工程涉及的施工单位和专业技术领域众多,施工前各方人员基于基坑工程三维模型共同进行施工技术等方面的分析与沟通,相对于二维图纸,三维模型的运用使得工程全貌更加形象直观,在其辅助下施工人员意见表述更加清晰明了,有效改善了各方沟通效果,减少了沟通不畅造成的施工质量问题。虽然清江锦城工程受地下管线的影响施工中多次进行设计变更,但是BIM技术实现了三维模型与图纸变更的同步更新,使现场人员可以通过可视模型第一时间掌握变更情况,增强了设计变更现场交底效果,避免出现设计变更执行不当的情况。开挖前本工程项目部通过运用BIM技术对施工全过程进行模拟,使各承建方对施工顺序有了更清晰的了解,根据各阶段开工时间制定出精准的材料供应计划,避免材料过早或延迟入场,提高材料供应质量;此外,施工人员在模拟中对施工顺序、技术、方法、质量标准等都建立起初步认知,提高了对施工质量的重视程度并提前做好准备工作,为施工质量提供了保障。清江锦城项目施工中还通过建立和扫描物料二维码,将物料信息传至计算机网络端或手机移动端,在入场前对物料逐一扫描比对,检查信息是否符合工程用料计划和标准,实现了对入场物料的24小时全天候跟踪监控,避免不合格物料造成的工程质量隐患。

清江锦城项目工程受地铁线路、市政道路、城市中心区域等复杂周边环境及长江水文地质条件影响开挖风险性较大,安全问题是施工管理的重点和难点,为此本工程项目部借助BIM技术开展了诸多安全方面的工作。利用BIM技术提前模拟施工场地布置方案,避免实际布场时出现碰撞等安全事故,并对应急演练进行可视化模拟,针对人员疏散、物资保护、工程抢修、消防设施等安全事项在模拟中出现的问题,对应急预案进行调整和优化。本工程还利用BIM技术模拟出触电、塌方等事故场景,为施工人员制造逼真形象的事故感受,使其真正体验到事故的危险性,从而发自内心地树立安全意识。此外,清江锦城项目管理人员利用三维模型制作关键施工技术操作视频教材,教材包括相关施工技术的操作规范、安全要点等,并将教材对应生成二维码现场张贴,施工人员通过手机扫码非常方便地接收教材,完成安全事项学习,有效提高了安全交底的实施效果。

深基坑工程在城市建设中日益普遍,开挖深度和广度也在不断增加,其施工效果影响着建筑工程的整体质量,而传统施工管理方式在很多方面已经与深基坑施工不相适应。对BIM技术在武汉清能清江锦城项目K9地块深基坑施工过程中的应用情况加以研究,发现该技术不仅确保了工程质量和施工进度,而且提高了施工安全和成本管控水平,并加强了施工各方的信息沟通、共享效果,展现出在深基坑施工管理方面的独特优势。因此,BIM技术在未来深基坑精细化管理和信息化施工的过程中将发挥越来越重要的作用。