建筑技术丨BIM技术在深基坑和栈桥正向设计中的应用

随着城市更新进程的不断推进，地处核心地带的高层建筑和超高层建筑不断增多，建筑基坑的深度也随之增加，对基坑的稳定性和安全性要求也随之提高。处于商业核心地带的项目，场地周边工况环境复杂，既要满足环境保护要求，还要尽可能地减少对周边商业圈的影响。用地红线紧靠周边既有建筑，场外可利用场地较少，且地下室阶段场内可利用面积小，合理的平面部署尤为重要。在深基坑施工过程中，周边环境和重型施工机械对支撑体系影响大，运用BIM技术进行荷载分析，预知各种工况对基坑的影响，在设计阶段充分考虑相应的荷载问题。

地下室施工阶段场地可用面积小，通过设置栈桥，增加场内施工道路及堆场，基于BIM技术进行栈桥正向设计，合理设置，避免与支撑体系冲突，提高施工效率，保证支撑梁拆除后栈桥能正常使用，增加场内可用面积。

1　工程概况

本工程位于深圳市南山区深南大道与恩平街交会处西北侧，三面紧邻商业小区，由3栋超高层以及13栋公馆组成，占地面积37 250 m²，总建筑面积392 797.57m²。基坑开挖面积约33 500 m²，周长约810 m。基坑开挖深度为12~19.5 m。基坑安全等级为一级，采用旋挖桩+3道内支撑体系+5道锚索，塔楼坑中坑支护为土钉墙+喷射混凝土。场地整体西北高、东南低。

2　施工重难点

（1）场内：基坑边距离红线仅3 m，且高低落差大，可用场地极其狭小；场外：地处成熟核心城区，周边无可用租地。地下结构施工阶段的平面组织是难点。

（2）基坑占地面积约33 000 m²，深12~19.5 m，距深基坑北侧11 m处为住宅小区，用地红线外3 m范围内密布地下管线，周边环境复杂，基坑安全稳定性要求高。

3　基于BIM技术的深基坑分析

3.1　建立深基坑及周边环境模型

利用BIM软件建立基坑及周边环境的综合信息化模型（图1），切实反映周边地势及基坑的实际情况，综合分析现场工况，为后续施工及应用提供参考依据。

图1　深基坑周边环境示意

3.2　分析周边环境对深基坑的影响

通过基坑及周边环境的综合信息化模型，采用BIM软件对基坑及支护进行受力分析，主要分析土方分层开挖对支护结构造成的影响。模拟场内外大型机械对基坑及支护的扰动影响，通过分析充分验证支撑体系的安全性和合理性。

4　基于BIM的栈桥正向设计

4.1　设计思路

结合场内施工条件和周边环境，通过BIM模型总体分析，考虑设置栈桥以满足现场施工需求。场地内部地势整体西北高、东南低，综合分析后将采用分段式设置栈桥，其中南面栈桥独立设计，北面栈桥与内支撑一体化设计。

基坑占地面积大，场内为超长内支撑体系，设置栈桥时需要充分考虑支撑梁与栈桥梁、格构柱与栈桥立柱之间的关系。在设计阶段，运用BIM技术对栈桥与内支撑结构进行深化设计，优化支撑体系，其中栈桥梁与支撑梁结构部分共用，栈桥立柱与格构柱之间通过优化，部分立柱共用。共用的立柱由混凝土柱改为圆钢管混凝土立柱，增加立柱承载性。

4.2　建立模型

结合深基坑与周边建筑模型，创建满足现场施工需求的栈桥模型（图2）。

图2　深基坑与栈桥模型示意

栈桥分为南栈桥和北栈桥（图3），再基于模型进行施工模拟，碰撞检查，平面优化，确保栈桥设计合理。

（a）               （b）

图3　栈桥分析模型示意

（a）北极桥分析模型（b）南极桥分析模型

4.3　荷载分析

将优化后的栈桥BIM模型导入受力分析软件中进行模拟计算。设置与结构梁板类似的荷载模式，即主要承受自重荷载、附加永久荷载和施工可变荷载，将附加永久荷载指定为3 kN/m²，施工可变荷载指定为30 kN/m²，依据规范采用1.2×永久荷载+1.4×可变荷载的荷载组合方式进行计算。荷载施加完成后，运行软件，分析各分项工况及组合工况，输出栈桥整体变形云图，进行梁板挠度验算，判断整体稳定性。

南栈桥：对输出结果进行分析，板最大挠度为12.28 mm，框架最大挠度为6.69 mm，均小于GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》3.4.3条受弯构件l0/250（l0/300）的挠度限值，栈桥板整体变形较小，比较稳定。

北栈桥：对输出结果进行分析，板最大挠度为27.22 mm，框架最大挠度为22.93 mm，均小于GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》3.4.3条受弯构件l0/250（l0/300）的挠度限值，因此判定栈桥比较稳定，符合设计要求。

4.4　栈桥框架配筋

各工况及组合工况运行分析完成后，软件输出框架弯矩结果，进行混凝土框架配筋正向设计。取得各框架构件细部最小配筋率和配筋面积，作为对设计施工图的优化及补充，可在合理范围内减少框架配筋率，降低钢筋的投入。

南栈桥：栈桥板框架最大负弯矩为–820  kN·m，最大正弯矩为758  kN·m，最大配筋面积为2 622 mm²，配筋率为0.94 %，最小配筋率为0.2 %（0 %需按构造配筋）。

北栈桥：栈桥板框架最大负弯矩为–4 934  kN·m，最大正弯矩为6814kN·m，最大配筋面积为16900mm²，配筋率为2.52 %，最小配筋率为0.2 %（0 %需按构造配筋）。将优化后的配筋率导入文件，输出栈桥板面内力、应力及配筋云图，可对板配筋图再次进行优化，在合理范围内减少配筋面积，降低成本。

4.5　输出施工图纸

对栈桥进行荷载分析，满足规范要求及框架配筋要求后，根据模型输出施工图纸（图4、图5），指导现场施工。

（a）

（b）

图4　栈桥1施工图示意

（a）栈桥1坡道剖面图；（b）栈桥1坡道边坡点剖面图

（a）

（b）

（c）

图5　栈桥2施工图示意

（a）栈桥2坡道局部剖面图1；（b）栈桥2坡道局部剖面图2；（c）栈桥2坡道局部剖面图3

5　结束语

BIM技术在深基坑和栈桥正向设计中的应用效果显著，在深基坑应用中能有效地判断周边复杂环境对项目支撑体系的影响，在设计阶段给出应对的优化措施，很好地规避基坑支护结构在施工过程中遇到的不安全和不稳定因素。栈桥的正向设计能提前规避常规施工中出现的与其他构件碰撞、设计考虑不充分，导致现场无法施工的情况，同时节约施工工期和降低施工成本。