基于BIM的基坑工程参数化智能设计研究与实践

现阶段国内越来越多的基坑工程已开始应用BIM技术，来实现提高施工质量、缩短工期、降低成本、减少安全事故等目的。一些工程在基坑设计阶段，已经开始利用BIM技术创建基坑三维模型，同时还原周边既有建筑基础、地下管线等模型，通过基坑模型与周边环境模型进行碰撞检查，可有效避免后期施工中出现交叉碰撞等问题。在基坑深化设计阶段，项目通常会创建复杂施工节点BIM模型，利用可视化优势验证后期施工可行性，同时制作工艺交底视频，对重点施工工艺及工序进行可视化展示，提升交底效果与施工质量。项目在完成基坑模型创建后，通常还会基于模型进行工程量自动统计，辅助商务算量对量工作。特别是对于筏形基础中较为复杂的坑连坑位置，传统算量方式存在一定局限性，无法对挖方量、混凝土浇筑量进行精确统计，导致算量工作出现错漏，而利用精细化BIM模型则可有效解决上述问题。

与此同时，随着智能建造理念不断推行，各类信息技术及智能设备在基坑阶段的应用也在逐步开展，例如部分项目通过三维激光扫描技术，可对不同阶段基坑边坡现状进行数据采集并还原成三维模型，通过模型比对辅助基坑变形监测。还可利用无人机倾斜摄影技术，对基坑开挖前后地形情况进行数据采集。将采集后的地形影像数据导入专业软件进行处理，逆向生成三维模型后开展模型比对工作，可有效辅助土方开挖、回填工程量核算。又如一些项目采用BIM模型与智能放样设备相结合的方式，通过将模型导入至智能放样设备中，设备可基于模型中点位自动进行测量放样工作，显著提升放样准确性与工作效率。

综上所述，现阶段行业内利用BIM技术辅助基坑设计及施工提质增效已取得了一定的进展及效益，但在实施过程中仍存在许多痛点尚未得到解决。例如在基坑模型搭建过程中，由于涉及构件众多，且现有BIM设计软件功能存在一定局限性，导致建模工作量过大，给BIM人员带来较大负担。此外，常规建模软件对复杂地质模型的创建功能较弱，尚无法对基坑范围内土质情况进行精确还原，致使后续相关深入性探索应用受阻。以上问题都给行业内基坑工程BIM应用推进带来一定的困扰，急需探索与解决。

1  研究背景

依托北京市东城区某工程，该工程基坑深度21.2 m，属于深基坑范畴。地基采用CFG桩复合地基形式，基础形式为筏形基础，护坡形式为止水帷幕与锚杆支护。工程整体基坑设计形式复杂，施工难度大，如何利用BIM技术快速辅助基坑设计与方案验证，确保施工工期与质量满足建设单位要求是项目面临的重大挑战。

项目从行业基坑工程BIM实施所面临的难点以及项目实际情况出发，通过自主参数化编程手段，结合现有BIM建模软件进行二次开发，补充软件功能局限性，同时基于研究成果在实际项目中开展基坑参数化设计实践应用，验证研究成果落地性与可行性。

2 BIM参数化设计研究与实践

2.1  地质模型参数化设计

工程设计人员在采用传统BIM设计软件辅助基坑设计时，由于软件自身功能不足，会出现无法创建基坑范围内精细化地质模型的情况，进而影响后续应用开展。针对此项难点，项目基于现有BIM设计软件进行二次开发，形成地质建模软件，实现地质模型精细化创建。该软件可通过拾取地勘报告中各勘探点位不同深度的土层数据，自动生成土层地质模型（图1），不同类型土质模型通过颜色进行区分，且均为实体构件，可直接用于辅助土方工程量统计。

图1  地质模型参数化设计示意

创建完精细化地质模型后，项目通过将地质模型与基坑设计模型相结合，辅助基坑工程桩基长度分析、锚杆持力层分析，通过模型可视化优势可以清楚观察桩基、锚杆底部落在何种土层之上，进而对桩长设计合理性进行验证与复核，有效避免因桩基底部持力层错位，导致施工阶段桩基承载力不够而出现返工情况。

项目基于自主研发软件，对复杂地质条件进行了精确模型建立，准确还原了建筑基坑区域地质环境，为基坑设计与施工提供了可视化决策依据。但不足之处在于进行地质建模时，需要具备详细地勘报告图纸供软件读取，且软件对图纸制图规范性存在一定要求。当出现图纸细度和规范程度难以满足要求的情况，则需要手动进行地勘数据提取与录入工作，一定程度上增加了设计人员工作量。

2.2  桩基参数化设计

大体量工程通常情况下涉及桩基构件数量较多，且桩长、桩径种类不一，传统方式采用手动逐一进行布置，工作效率较低，给设计人员带来较大工作负担。项目通过开展参数化编程研究，有效解决了这一难题，具体流程如下。首先将各个桩基的坐标、桩长、桩径等数据在Excel表格中进行整理，之后通过运行自主编写的参数化设计程序，程序可自动对表格中桩基数据进行提取（图2）。

图2  桩基参数信息自动提取（计算机截图）

完成桩基数据提取后，继续运行参数化设计程序，则可根据所拾取的数据自动完成全部桩基模型创建与布置（图3）。所生成的每个模型构件均可通过表格中各项参数信息进行驱动，十分便于设计模型实时更新与修改。与传统工作方式相比，采用桩基参数化设计方式可极大程度上提高设计效率与准确性，并有效缓解设计人员建模及模型维护压力。

图3  桩基模型参数化驱动（计算机截图）

2.3  钢筋参数化设计

建筑工程混凝土结构内部钢筋模型创建一直是行业内BIM实施面临的难点之一，主要原因为钢筋种类、形状、排布形式复杂，传统手动建模方式给设计人员带来较大工作负担。现阶段虽有配套软件可辅助提升钢筋建模效率，但覆盖范围有限，特别是对于基坑工程中桩基、承台、筏板等构件暂无法提供有效支持。针对此问题项目开展基于参数化编程方式自主研发探索，实现通过构件参数驱动钢筋模型快速创建。

在桩基构件钢筋模型创建研究与实践中，通过所研发的参数化程序可直接对混凝土构件进行拾取，基于结构构件自动创建钢筋模型（图4）。所涉及钢筋型号、数量、长度、间距、弯头尺寸等均可基于参数进行控制，通过修改参数值可实现钢筋模型自动调整，更好地辅助钢筋参数化设计工作。

图4  桩基钢筋参数化设计（计算机截图）

筏形基础内部钢筋模型同样可通过参数化程序进行创建。利用所研发的参数化程序，可自由调控筏板构件中横纵主筋的层数、型号、长度、间距、数量及弯头尺寸，进而实现钢筋自动建模及排布（图5）。项目在实践应用中采用此种方式，显著提升了钢筋设计效率，并缓解了设计人员建模压力。

图5  筏板钢筋参数化设计（计算机截图）

2.4  基坑措施类构件参数化设计

基坑工程BIM参数化设计除包含地质、混凝土结构等方面外，还涉及如支护桩、支护锚杆、基坑围栏等施工措施类构件的设计工作。传统手动布置方式需要投入较长时间，而采用参数化编程方式则可有效解决此问题，提升设计效率。项目通过研究并编写措施类构件参数化布置程序，实现了以参数化驱动构件自动排布。首先选择并抓取需要进行参数化设计的单一措施类构件族；之后拾取构件布置路线，输入各项参数控制构件排布位置及间距；最后运行程序，构件可基于拾取路线进行自动排布设计。

在实践应用中，项目通过参数化程序拾取基坑结构模型边缘线，基于边缘线进行护坡桩、锚杆、围栏等构件自动布置（图6）。过程中利用内置参数自由驱动构件数量及位置变化，辅助设计方案实时调整。最终完成了基坑工程措施类构件参数化设计工作，与传统方式相比大幅降低了设计人员时间投入。

图6  措施类构件参数化设计（计算机截图）

3  结束语

现阶段建筑行业内以BIM为代表的信息技术应用正在持续普及与深入开展。特别是在基坑工程设计形式日渐复杂的趋势下，如何通过BIM技术更好地辅助基坑设计与精细化施工已成为行业内关注的重点。研究从项目特点与行业现状出发，通过参数化编程手段，探索并形成了多项基坑工程参数化设计程序。实践应用中项目基于研究成果开展了基坑工程从土层地质、桩基，再到钢筋、施工措施类构件的全方位参数化设计，在显著提升设计质量与工作效率的同时，也降低了人力成本投入，研究成果具有较强的普适性，适合推广到同类项目中使用。

不足之处在于，研发成果在使用时仍需要一定的前置约束条件，例如在地质模型参数化设计时，对地勘报告的规范性存在一定的要求，当不满足要求时仍需手动配合；又如在进行桩基、钢筋等构件参数化设计时，参数化程序虽可满足大多数类型构件模型快速创建，但仍存在因构件自身特殊形式导致模型无法创建的情况，上述问题仍需对研发成果进一步完善方可解决。相信随着信息技术不断发展与行业进步，BIM参数化设计方式将愈发智能化，从而更好地实现建筑工程全生命期智能建造目标。