1 引言
随着国家城市化进程的快速发展，为充分利用有限空间节约用地，发展高层建筑、城市轨道交通、地下空间建筑，地下空间的开发利用已经成为我国发展的重要环节。基坑工程向着面积大、深度深的趋势发展，如何有效保证深基坑的安全是工程界一直关注的重点。研究表明，前期基坑工程支护结构的合理设计对基坑的安全性影响重大，传统的基坑设计主要靠二维设计方法，存在很多不足，如信息表达易冲突、协同设计困难、传输数据不完整等，且设计过于保守，造成大量的资源浪费。BIM 技术的应用，实现了从二维到三维设计的改革，能够有效提高基坑设计效率。
彭曙光[1]通过对比传统二维设计与BIM 技术在深基坑工程设计中的应用，发现BIM 技术对于提高设计效率及后期施工质量具有显著优势。杨敏[2]提出利用参数化建模的方法进行基坑支护结构的创建，并进行优化调整。贾善涛[3]以实际工程为例进行基坑支护结构BIM模型的建立，并进行施工模拟，根据进度模拟情况构建基于BIM技术的深基坑工程进度管理框架。刘一鸣[4]以深圳工商银行大厦为例，基于 BIM 技术建立基坑支护模型，并将模型导出到有限元分析软件中进行优化设计及稳定性分析。张程[5]基于基坑工程管理平台进行BIM模型的信息数据交互。
学者们对BIM在基坑方面的研究与建筑领域相比甚少，在深基坑工程设计方面缺乏深入探讨，本文基于BIM 技术三维可视化数字模型理念，结合核心BIM 软件Revit、Autodesk以及深基坑设计分析软件理正深基坑对某深基坑工程进行设计并分析，以验证BIM 技术对基坑设计的可行性。
2 工程概况
本文以某实际工程为例，进行基坑支护结构设计。本工程为地上21层，地下3层，总建筑面积约为5.64万平方米，基坑开挖深度根据±0.000标高和现场实际标高推算，主楼部位开挖深度为自然地面下15.0m。
2.1工程地层结构
第0层杂填土：杂色，松散，以粉土为主，含少量植物根系、碎石子、建筑垃圾、生活垃圾等。部分场地为水泥硬化， 厚度20-40cm。
第①层粉土：黄褐色，稍湿，中密，以粉粒为主，土质较均匀，含锈斑，干强度韧性低。厚度约0.4-0.8米，稍湿，稍密。
第②层粉土：黄褐色，稍湿，中密，以粉粒为主，土质不均匀，含锈色斑点及白色团块，干强度韧性低。局部含粉细砂夹层。
第③层细砂：褐黄色，密实，局部中密，石英长石为主，砂质纯净，颗粒级配好。
第④层粉土：褐黄色，湿，密实，以粉粒为主，土质不均匀，含锈黄斑。该层底部有一砂质胶结层，局部呈散砂状。
第⑤层粉质黏土：棕褐色，可塑，以黏粒为主，局部粉粒含量大，土质不均匀， 含锈黄斑。
第⑥层粉质黏土：黄褐色，可塑，局部硬塑，以黏粒为主，局部粉粒含量大，切含锈黄斑，含约15%钙核，局部钙质胶结成层。
表1 土层物理参数
3 基于BIM技术的基坑支护设计
3.1 基坑支护传统设计方法
3.1.1 方案的比较选择
基坑支护结构类型较多，常见的支护型式主要有：土钉墙支护，排桩支护、桩锚复合支护、地下连续墙支护、重力式水泥土墙支护、逆作法支护等。每种支护型式有特定的适应范围和各自的优缺点，因此如何合理选择最佳的支护型式及设计至关重要。结合工程概况和支护型式适用范围选择桩锚支护结构为设计方案。
3.2 基于BIM技术的基坑支护设计
3.2.1建立族库模型
文中基坑BIM模型中所涉及的支护桩、锚索等构件在Revit 软件中都没有现成的“族”，需要建立新的“族”构件，并对其进行参数化且赋予材质，方便在基坑BIM模型中的应用。
（1）支护桩
支护桩族为可载入族，该族制作简单且Revit软件结构板块中有自带的此类族，因此在应用时对此类族进行适当修改即可，如图1所示。
图1 支护桩图 图2 锚杆
（2）锚索
锚索族（如图2）是采用“公制常规模型”创建的可载入族，需考虑锚索的入射角，此外锚索具有自由端和锚固段，两者长度并不相同，应分别进行参数化方便其长度的调节，并且需将自由端与锚固段同时和入射角进行参数绑定，当入射角进行调节时两者角度能够同步变化。
3.2.2 BIM模型的建立
根据初始设计方案，利用Revit进行基坑支护结构体系建模，并按设计方案进行模型整合。
将CAD设计图纸导入Revit，在导入之前对图纸进行简化，删除图纸中无用的构件、文字、图块和线等，从而提高电脑运行速度，在项目复杂的情况下，对各专业协同工作进行建模，各专业工程师分别对二维图纸进行建模，最后对模型进行合并，从而以提高工作效率。
按照基坑支护结构施工工艺顺序进行建模，先完成支护桩的建模，再完成锚索的建模，具体如下：
（1）将简化后的基坑平面布置图导入Revit中，根据初始设计方案进行支护桩建模。
（2）根据锚索的标高和入射角完成锚索的建模，完成支护桩和锚索的布设如图3所示。
图3 整体支护桩和锚索的布设
（3） 完成基坑的支护桩和摸索主要受力构建模型后，再对地形进行建模，如图4所示。
图4 基坑三维模型
根据创建的基坑支护结构 BIM 模型，采用理正深基坑软件进行基坑支护结构计算。本文选取东立面桩锚支护结构进行计算。其主要设计参数均依据BIM 模型中包含的信息创建。在计算过程中，将基坑工况划分为五步：工况1-开挖（3.50m），工况2-加撑（3.00m）,工况3-开挖（6.50m）, 工况4-加撑（6.00m）, 工况5-开挖（9.50m）, 工况6-加撑（9.00m）, 工况7-开挖（12.50m）, 工况8-加撑（12.00m）, 工况7-开挖（15.00m）,其主要计算结果如图5所示。
图5内力位移包络图
（2）桩锚支护稳定性验算
基坑整体稳定性验算的计算方法：瑞典条分法；应力状态：有效应力法；条分法中的土条宽度: 0.40m。滑裂面数据：圆弧半径(m)R=24.990，圆心坐标X(m) X=-4.756，圆心坐标Y(m)Y=10.364。整体稳定安全系数 Ks=1.409≥1.35, 满足规范要求。
抗倾覆稳定性验算应符合下式要求：
Mp——被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩, 对于内支撑支点力由内支撑抗压力 决定;对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值。
Ma——主动土压力对桩底的倾覆弯矩。
KOV——护抗倾覆稳定安全系数，取KOV≥1.250。
工况1：Kov=4.145>=1.250, 工况2：Kov=4.453>=1.250,
工况3：Kov=3.078>=1.250, 工况4：Kov=3.392>=1.250,
工况5：Kov=2.299>=1.250, 工况6：Kov=2.640>=1.250,
工况7：Kov=1.901>=1.250, 工况8：Kov=2.186>=1.250,
工况9：Kov=1.805>=1.250,
综上所述，各工况均满足抗倾覆稳定性规范要求。
（3）抗隆起稳定性
1）从支护底部开始，逐层验算抗隆起稳定性，其结果应满足下式要求：
支护底部，验算抗隆起：
Ks=(19.650×12.000×3.979+20.100×11.040)/(19.089×(15.000+12.000)+15.758)=2.184
Ks = 2.184 ≥ 1.800，抗隆起稳定性满足。
深度35.510处，验算抗隆起：
Ks=(19.546×20.510×4.017+21.900×11.103)/(19.164×(15.000+20.510)+15.758)=2.662
Ks = 2.662 ≥ 1.800，抗隆起稳定性满足。
2) 坑底抗隆起按以最下层支点为转动轴心的圆弧条分法计算，结果如下：
Ks = 2.447 ≥ 2.200，坑底抗隆起稳定性满足。
4 结论
以实际基坑工程为例，分别采用传统设计方法和BIM 技术设计方法进行基坑支护结构设计，得到结论如下：
（1）传统设计方法其出图为二维平面、立面、剖面图，修改过程繁琐，其信息表达在基坑支护结构设计中有一定的局限性。
（2）结合工程实际，采用BIM 技术进行基坑支护结构设计大大提高了基坑支护结构的设计质量及设计效率。
（3）根据基坑BIM 模型的设计结果进行基坑支护结构内力及位移计算，得出该支护型式下基坑整体稳定性、抗倾覆稳定性、抗隆起稳定性，均满足规范要求。
参考文献
[1]彭曙光. BIM技术在基坑工程设计中的应用[J].重庆科技学院学报, 2012,14(05):129-131.
[2]杨敏,赵军等.BIM技术在深基坑工程设计中的应用探讨[J].工程地质学报,2014,(01): 416-421.
[3]贾善涛.基于BIM技术的超大深基坑进度管理研究[D].青岛:青岛理工大学,2015.
[4]刘一鸣. BIM在基坑桩锚支护结构分析中的应用研究[D].北京:中国铁道科学研究院, 2016.
[5] 张程. BIM技术在深基坑工程的应用研究[D].湘潭: 湖南科技大学. 2017
