BIM技术在中国尊基础工程中的应用

1工程概况

中国尊项目即北京市朝阳区CBD核心区Z15地块项目，位于北京市CBD核心区中轴线上，与中央电视台新址隔街相望。总占地面积约1.15hm2，总建筑面积为43.7万m2，其中，地上35万m2、地下8.7万m2，地上108层、地下7层，高度达528m。建成后将是北京第一高楼，成为集金融、办公、商业、观光等功能为一体的北京新地标性建筑。

基础工程现状为基坑红线外两道地下连续墙及两道地下连续墙间的外围桩已施工完毕，红线范围内基坑土方已开挖至相对标高－27.000m(±0.000m对应绝对标高38.350m)。本次基础工程的主要内容为：896根工程桩及桩头拆除、－27.000m位置处基坑内的水平支撑、基坑－27.000m以下至底板下表面标高以上30cm范围内的土方开挖及外运弃土、疏干井、栈桥施工等。本工程的地质条件如表1所示，基础底板直接持力层为第⑦土层，由黏土、重粉质黏土组成；桩端持力层为第瑏瑢土层，估算的该层压缩模量为150～160MPa、桩端阻极限值为3000kPa。

2工程重点及难点分析

1)工期紧，根据招标文件要求工期为218d。

2)项目工程量大、工程复杂，桩基成孔量约6万m3，土方工程量约17万m3，土方挖运期间还要交叉其他施工企业进行预应力锚杆施工。

3)空间有限，基坑地处CBD核心地带，占地面积11478m2，高峰期施工设备包括旋挖钻机、铲车、起重机、混凝土罐车等，尚需考虑建筑材料堆场及加工场等。

4)桩基直径大，桩长及钢筋笼均较长，空钻部分又多达10多m，地层多为密实砂卵石层，尤其瑏瑢层卵石粒径最大达12cm，且⑥，⑧，⑩层高承压水水头均位于施工面附近，桩基成孔、钢筋笼安装等施工难度大，对机械设备的能力及施工人员的技术水平要求均较高。

5)需增设栈桥以用于机械及人员行走，栈桥是整个坑内垂直运输的命脉，栈桥的设计及施工方案的优劣是本项目交通组织的关键，栈桥立柱的位置易与基坑水平支撑或工程桩的位置相冲突。

为解决以上难点，本工程采用BIM技术创建中国尊BIM三维模型，并增设时间维度，模拟施工过程，对工程进行基于BIM技术的全面施工管理。

3BIM技术实施

3.1创建BIM施工模型

BIM施工模型(即施工阶段的BIM模型)不同于BIM设计模型(即设计阶段的BIM模型)，BIM施工模型用于指导施工，要能够真实地反映施工现状，比如在BIM施工模型中要体现圈梁、构造柱等构造措施和施工段的划分等，而BIM设计模型并不包括这些内容。并且BIM施工模型除了包含建筑实体模型外，还应该包含施工机械、临时设施等施工过程元素模型。

在中国尊基础工程中，创建的建筑实体模型如图1所示，建筑实体的工程概况如表2所示.

3.2碰撞检测

碰撞检查可以提前查找和报告建筑不同部分间的冲突。碰撞分硬碰撞和软碰撞(间隙碰撞)两种，硬碰撞指实体与实体之间交叉碰撞；软碰撞指实体间实际并没有碰撞，但间距和空间无法满足相关施工要求，例如空间中两根管道并排架设时，因为要考虑到安装、保温等要求，两者之间必须有一定的间距，如果这个间距不够，即使两者未直接碰撞，但其设计仍是不合理的。利用以BIM为基础的碰撞检测工具可以选择性地检测指定系统之间的碰撞，如检测机电系统和结构系统之间的碰撞，也可以通过构件分类以更容易进行碰撞检查[1]。

中国尊基础工程建立BIM施工模型后，导入专门的碰撞检测工具Navisworks中，对基坑模型进行碰撞检测。发现了一定量的设计问题并进行了设计修改，如栈桥柱和基坑内支撑的碰撞如图2a所示，栈桥柱和工程桩碰撞如图2b所示。设计修改为取消有碰撞的栈桥柱，在工程桩上面做钢结构格构柱作为栈桥柱使用，修改后的BIM模型如图3所示。

3.3算量与造价

有3种方法能够对BIM模型进行算量造价工作：

①利用BIM软件的自动算量功能输出数量资料，再将数量输入到Excel表格中进行计算。

②使用一个插件或第三方软件将BIM软件连接到估算软件。这个插件或第三方软件能够将所需要获取的工程量信息从BIM软件中导入造价软件，然后造价工程师结合其他信息开始造价计算。

③使用专业的数量计算软件从各种BIM软件数据库中提取资料，这些软件一般具有能够直接连接到BIM构件的特定功能，为模型标注“状况”，亦建立可视化计算图。这种方式与第2种方式的区别是造价师不用学习任何BIM操作方法，但需要对所访问的BIM数据库的结构有清晰的了解[2]。

以上3种方法中，第1种方法更实用，也便于操作，但是要采用这样方法进行造价计算的前提是：必须保证BIM模型创建的精细程度以及材料分类要与工程量清单计价规范高度吻合[2]。中国尊基础工程采用第1种方式，通过BIM技术对材料进行设定，自动统计出构件的体积、数目、材质、长度等基本量，便捷精确地统计工程量。所得的统计信息除了可以在Revit软件内部形成明细表、统计工作量、核算成本等外，还可以导成MS表格，导出表格可按照传统方法进行数据统计和成本计算。

3.4优化施工方案

传统的施工方案是以技术人员和专家的经验为主，而经验很难或者说无法定量地加以描述，并且很难直观比较、验算和优化施工方案，更无法预料施工过程中可能出现的突发问题。BIM施工模型的创建将施工方案的全过程映射成虚拟环境，通过对此虚拟环境的操作来实现对施工全过程的观察、跟踪、控制和引导，最终达到验证、优化、调整、优选施工方案的目的[4]。

中国尊基础工程工序多、工程量大、场地狭小，合理布置现场机械以及合理安排各机械走位是施工方案设计的重点。中国尊基础工程利用BIM技术在现有场地条件下对施工机械走位进行模拟，以对现场机械走位情况有一个整体而细致的把控，重点模拟桩基跳打过程中主要施工机械如旋挖钻机、起重机以及混凝土运输设备等随时间推移的走位情况，以保证桩基跳打能够按预定计划顺利实施。BIM技术初定的施工方案是将现场分成A，B，C，D，E，F6个作业区域进行施工，每个区内配置1台钻机钻桩孔、1台起重机下钢筋笼、1辆混凝土运输车，共18台设备。通过BIM技术进行方案优化时，发现最初方案的18台设备无法正常运转，最后通过调整各区域内工程桩的施工顺序(见图4)，并采用A，D区共用1台起重机的方法(见图5)并设计行走线路，保证了施工机械在狭小的基坑里正常作业，互不影响。

3.5虚拟施工过程

一般来说，通过BIM进行虚拟施工的步骤是:先利用BIM三维建模软件如AutodeskRevit创建参数化的3DBIM模型，在MicroProject软件中编制施工进度计划，然后将Ｒevit的3D模型和Project施工进度计划集成到Navisworks软件中进行4D模拟［5-6］。通过Project的进度计划和BIM三维模型的结合可以精确地对整个施工现场场景和施工过程进行三维展现和模拟。通过对工程可视化和施工过程的虚拟现实进行分析，可以提前找出施工中可能存在的问题，以采取有效的预防和强化措施，提高工程施工质量和施工管理水平。

整体施工进度模拟45.1m，共计896根，单位承载力特征值为8000～160000kN，穿越地层以砂卵石层为主，根据工程特点采用“后压浆旋挖钻孔灌注桩技术”。这种技术的特点是：施工时没有泥浆污染，有利于保护环境，尤其适宜人口和建筑密集城市；避免了传统钻孔灌注桩的质量缺陷，有效保证桩基质量；解决了孔底沉渣和孔壁泥皮问题，改善了由于孔壁土体应力松弛造成的孔壁土体疏松以及桩身混凝土与桩侧的不密实接触；在不增加桩径、桩长的条件下较传统施工工艺提高桩承载力50%～100%，提高施工速度5～10倍。为更好地进行施工交底，中国尊工程利用BIM技术对工程桩的施工工序进行详细模拟，如图8所示。

4结语

1)研究了BIM施工模型与BIM设计模型的不同，创建了中国尊基础工程的BIM施工模型。

2)进行了中国尊基础工程的碰撞检测，对图纸进行了设计优化。

3)研究了基于BIM技术算量造价的方法，采用将BIM自动算量数据导入MS表格的方式，对中国尊基础工程进行造价计算。

4)指出可以利用BIM技术进行施工方案优化的特点，对中国尊基础工程的工程桩施工顺序、机械组织等进行方案优化。

5)研究了基于BIM技术进行虚拟施工的步骤及方法，将中国尊基础工程的每根桩的进度计划与BIM施工模型相关联，进行打桩虚拟施工。同理，对整个基础工程进行虚拟施工。

6)利用BIM技术对后压浆旋挖钻孔灌注桩等重点施工过程进行培训交底，保证了工程质量。

总之，由于BIM技术创建的三维建筑承载着构件信息，所以通过BIM技术可以精确、真实地进行设计优化、施工方案优化、虚拟施工等，保证了工程质量、节约成本、缩短工期，在工程量大、工期紧、工程形式复杂、场地空间有限的条件下，BIM的价值会体现得更加明显。