來源丨施工技術(shù)
作者丨趙雪鋒 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，姚愛軍 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，劉東明 北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，宋強(qiáng) 青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院酒店工程學(xué)院
1 工程概況
中國(guó)尊項(xiàng)目即北京市朝陽區(qū)CBD核心區(qū)Z15地塊項(xiàng)目，位于北京市CBD核心區(qū)中軸線上，與中央電視臺(tái)新址隔街相望?？傉嫉孛娣e約1.15hm2，總建筑面積為43.7萬m2，其中，地上35萬m2、地下8. 7萬m2，地上108層、地下7層，高度達(dá)528m。建成后將是北京第一高樓，成為集金融、辦公、商業(yè)、觀光等功能為一體的北京新地標(biāo)性建筑。
基礎(chǔ)工程現(xiàn)狀為基坑紅線外兩道地下連續(xù)墻及兩道地下連續(xù)墻間的外圍樁已施工完畢，紅線范圍內(nèi)基坑土方已開挖至相對(duì)標(biāo)高－27.000m( ±0.000m對(duì)應(yīng)絕對(duì)標(biāo)高38.350m) 。本次基礎(chǔ)工程的主要內(nèi)容為：896 根工程樁及樁頭拆除、－27.000m位置處基坑內(nèi)的水平支撐、基坑－27.000m以下至底板下表面標(biāo)高以上30cm 范圍內(nèi)的土方開挖及外運(yùn)棄土、疏干井、棧橋施工等。本工程的地質(zhì)條件如表1 所示，基礎(chǔ)底板直接持力層為第⑦土層，由黏土、重粉質(zhì)黏土組成；樁端持力層為第瑏瑢土層，估算的該層壓縮模量為150～160MPa、樁端阻極限值為3 000kPa。
2 工程重點(diǎn)及難點(diǎn)分析
1) 工期緊，根據(jù)招標(biāo)文件要求工期為218d。
2) 項(xiàng)目工程量大、工程復(fù)雜，樁基成孔量約6萬m3，土方工程量約17萬m3，土方挖運(yùn)期間還要交叉其他施工企業(yè)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨桿施工。
3) 空間有限，基坑地處CBD核心地帶，占地面積11 478m2，高峰期施工設(shè)備包括旋挖鉆機(jī)、鏟車、起重機(jī)、混凝土罐車等，尚需考慮建筑材料堆場(chǎng)及加工場(chǎng)等。
4) 樁基直徑大，樁長(zhǎng)及鋼筋籠均較長(zhǎng)，空鉆部分又多達(dá)10多m，地層多為密實(shí)砂卵石層，尤其瑏瑢層卵石粒徑最大達(dá)12cm，且⑥，⑧，⑩層高承壓水水頭均位于施工面附近，樁基成孔、鋼筋籠安裝等施工難度大，對(duì)機(jī)械設(shè)備的能力及施工人員的技術(shù)水平要求均較高。
5) 需增設(shè)棧橋以用于機(jī)械及人員行走，棧橋是整個(gè)坑內(nèi)垂直運(yùn)輸?shù)拿}，棧橋的設(shè)計(jì)及施工方案的優(yōu)劣是本項(xiàng)目交通組織的關(guān)鍵，棧橋立柱的位置易與基坑水平支撐或工程樁的位置相沖突。
為解決以上難點(diǎn)，本工程采用BIM技術(shù)創(chuàng)建中國(guó)尊B(yǎng)IM三維模型，并增設(shè)時(shí)間維度，模擬施工過程，對(duì)工程進(jìn)行基于BIM技術(shù)的全面施工管理。
3 BIM技術(shù)實(shí)施
3. 1 創(chuàng)建BIM施工模型
BIM施工模型( 即施工階段的BIM模型) 不同于BIM設(shè)計(jì)模型( 即設(shè)計(jì)階段的BIM模型) ，BIM施工模型用于指導(dǎo)施工，要能夠真實(shí)地反映施工現(xiàn)狀，比如在BIM施工模型中要體現(xiàn)圈梁、構(gòu)造柱等構(gòu)造措施和施工段的劃分等，而BIM設(shè)計(jì)模型并不包括這些內(nèi)容。并且BIM施工模型除了包含建筑實(shí)體模型外，還應(yīng)該包含施工機(jī)械、臨時(shí)設(shè)施等施工過程元素模型。
在中國(guó)尊基礎(chǔ)工程中，創(chuàng)建的建筑實(shí)體模型如圖1所示，建筑實(shí)體的工程概況如表2所示。
3. 2 碰撞檢測(cè)
碰撞檢查可以提前查找和報(bào)告建筑不同部分間的沖突。碰撞分硬碰撞和軟碰撞( 間隙碰撞) 兩種，硬碰撞指實(shí)體與實(shí)體之間交叉碰撞；軟碰撞指實(shí)體間實(shí)際并沒有碰撞，但間距和空間無法滿足相關(guān)施工要求，例如空間中兩根管道并排架設(shè)時(shí)，因?yàn)橐紤]到安裝、保溫等要求，兩者之間必須有一定的間距，如果這個(gè)間距不夠，即使兩者未直接碰撞，但其設(shè)計(jì)仍是不合理的。利用以BIM為基礎(chǔ)的碰撞檢測(cè)工具可以選擇性地檢測(cè)指定系統(tǒng)之間的碰撞，如檢測(cè)機(jī)電系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的碰撞，也可以通過構(gòu)件分類以更容易進(jìn)行碰撞檢查[1]。
中國(guó)尊基礎(chǔ)工程建立BIM施工模型后，導(dǎo)入專門的碰撞檢測(cè)工具Navisworks中，對(duì)基坑模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)了一定量的設(shè)計(jì)問題并進(jìn)行了設(shè)計(jì)修改，如棧橋柱和基坑內(nèi)支撐的碰撞如圖2a所示，棧橋柱和工程樁碰撞如圖2b所示。設(shè)計(jì)修改為取消有碰撞的棧橋柱，在工程樁上面做鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱作為棧橋柱使用，修改后的BIM模型如圖3所示。
3. 3 算量與造價(jià)
有3種方法能夠?qū)IM模型進(jìn)行算量造價(jià)工作：
①利用BIM軟件的自動(dòng)算量功能輸出數(shù)量資料，再將數(shù)量輸入到Excel表格中進(jìn)行計(jì)算。
②使用一個(gè)插件或第三方軟件將BIM軟件連接到估算軟件。這個(gè)插件或第三方軟件能夠?qū)⑺枰@取的工程量信息從BIM軟件中導(dǎo)入造價(jià)軟件，然后造價(jià)工程師結(jié)合其他信息開始造價(jià)計(jì)算。
③使用專業(yè)的數(shù)量計(jì)算軟件從各種BIM軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中提取資料，這些軟件一般具有能夠直接連接到BIM構(gòu)件的特定功能，為模型標(biāo)注“狀況”，亦建立可視化計(jì)算圖。這種方式與第2種方式的區(qū)別是造價(jià)師不用學(xué)習(xí)任何BIM操作方法，但需要對(duì)所訪問的BIM數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)有清晰的了解[2]。
以上3種方法中，第1種方法更實(shí)用，也便于操作，但是要采用這樣方法進(jìn)行造價(jià)計(jì)算的前提是：必須保證BIM模型創(chuàng)建的精細(xì)程度以及材料分類要與工程量清單計(jì)價(jià)規(guī)范高度吻合[2]。中國(guó)尊基礎(chǔ)工程采用第1種方式，通過BIM技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行設(shè)定，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出構(gòu)件的體積、數(shù)目、材質(zhì)、長(zhǎng)度等基本量，便捷精確地統(tǒng)計(jì)工程量。所得的統(tǒng)計(jì)信息除了可以在Revit軟件內(nèi)部形成明細(xì)表、統(tǒng)計(jì)工作量、核算成本等外，還可以導(dǎo)成MS表格，導(dǎo)出表格可按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和成本計(jì)算。
3. 4 優(yōu)化施工方案
傳統(tǒng)的施工方案是以技術(shù)人員和專家的經(jīng)驗(yàn)為主，而經(jīng)驗(yàn)很難或者說無法定量地加以描述，并且很難直觀比較、驗(yàn)算和優(yōu)化施工方案，更無法預(yù)料施工過程中可能出現(xiàn)的突發(fā)問題。BIM施工模型的創(chuàng)建將施工方案的全過程映射成虛擬環(huán)境，通過對(duì)此虛擬環(huán)境的操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)施工全過程的觀察、跟蹤、控制和引導(dǎo)，最終達(dá)到驗(yàn)證、優(yōu)化、調(diào)整、優(yōu)選施工方案的目的[4]。
中國(guó)尊基礎(chǔ)工程工序多、工程量大、場(chǎng)地狹小，合理布置現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械以及合理安排各機(jī)械走位是施工方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。中國(guó)尊基礎(chǔ)工程利用BIM技術(shù)在現(xiàn)有場(chǎng)地條件下對(duì)施工機(jī)械走位進(jìn)行模擬，以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械走位情況有一個(gè)整體而細(xì)致的把控，重點(diǎn)模擬樁基跳打過程中主要施工機(jī)械如旋挖鉆機(jī)、起重機(jī)以及混凝土運(yùn)輸設(shè)備等隨時(shí)間推移的走位情況，以保證樁基跳打能夠按預(yù)定計(jì)劃順利實(shí)施。BIM技術(shù)初定的施工方案是將現(xiàn)場(chǎng)分成A，B，C，D，E，F(xiàn) 6 個(gè)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行施工，每個(gè)區(qū)內(nèi)配置1臺(tái)鉆機(jī)鉆樁孔、1臺(tái)起重機(jī)下鋼筋籠、1輛混凝土運(yùn)輸車，共18臺(tái)設(shè)備。通過BIM技術(shù)進(jìn)行方案優(yōu)化時(shí)，發(fā)現(xiàn)最初方案的18臺(tái)設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，最后通過調(diào)整各區(qū)域內(nèi)工程樁的施工順序( 見圖4) ，并采用A，D 區(qū)共用1臺(tái)起重機(jī)的方法( 見圖5) 并設(shè)計(jì)行走線路，保證了施工機(jī)械在狹小的基坑里正常作業(yè)，互不影響。
3. 5 虛擬施工過程
一般來說，通過BIM進(jìn)行虛擬施工的步驟是:先利用BIM三維建模軟件如Autodesk Revit創(chuàng)建參數(shù)化的3D BIM模型，在Micro Project軟件中編制施工進(jìn)度計(jì)劃，然后將Ｒevit的3D模型和Project施工進(jìn)度計(jì)劃集成到Navisworks軟件中進(jìn)行4D 模擬［5-6］。通過Project的進(jìn)度計(jì)劃和BIM三維模型的結(jié)合可以精確地對(duì)整個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景和施工過程進(jìn)行三維展現(xiàn)和模擬。通過對(duì)工程可視化和施工過程的虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行分析，可以提前找出施工中可能存在的問題，以采取有效的預(yù)防和強(qiáng)化措施，提高工程施工質(zhì)量和施工管理水平。
整體施工進(jìn)度模擬45.1m，共計(jì)896根，單位承載力特征值為8 000 ～160 000kN，穿越地層以砂卵石層為主，根據(jù)工程特點(diǎn)采用“后壓漿旋挖鉆孔灌注樁技術(shù)”。這種技術(shù)的特點(diǎn)是：施工時(shí)沒有泥漿污染，有利于保護(hù)環(huán)境，尤其適宜人口和建筑密集城市； 避免了傳統(tǒng)鉆孔灌注樁的質(zhì)量缺陷，有效保證樁基質(zhì)量；解決了孔底沉渣和孔壁泥皮問題，改善了由于孔壁土體應(yīng)力松弛造成的孔壁土體疏松以及樁身混凝土與樁側(cè)的不密實(shí)接觸；在不增加樁徑、樁長(zhǎng)的條件下較傳統(tǒng)施工工藝提高樁承載力50%～100%，提高施工速度5～10倍。為更好地進(jìn)行施工交底，中國(guó)尊工程利用BIM技術(shù)對(duì)工程樁的施工工序進(jìn)行詳細(xì)模擬，如圖8 所示。
4 結(jié)語
1) 研究了BIM施工模型與BIM設(shè)計(jì)模型的不同，創(chuàng)建了中國(guó)尊基礎(chǔ)工程的BIM施工模型。
2) 進(jìn)行了中國(guó)尊基礎(chǔ)工程的碰撞檢測(cè)，對(duì)圖紙進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。
3) 研究了基于BIM技術(shù)算量造價(jià)的方法，采用將BIM自動(dòng)算量數(shù)據(jù)導(dǎo)入MS表格的方式，對(duì)中國(guó)尊基礎(chǔ)工程進(jìn)行造價(jià)計(jì)算。
4) 指出可以利用BIM技術(shù)進(jìn)行施工方案優(yōu)化的特點(diǎn)，對(duì)中國(guó)尊基礎(chǔ)工程的工程樁施工順序、機(jī)械組織等進(jìn)行方案優(yōu)化。
5) 研究了基于BIM技術(shù)進(jìn)行虛擬施工的步驟及方法，將中國(guó)尊基礎(chǔ)工程的每根樁的進(jìn)度計(jì)劃與BIM施工模型相關(guān)聯(lián)，進(jìn)行打樁虛擬施工。同理，對(duì)整個(gè)基礎(chǔ)工程進(jìn)行虛擬施工。
6) 利用BIM技術(shù)對(duì)后壓漿旋挖鉆孔灌注樁等重點(diǎn)施工過程進(jìn)行培訓(xùn)交底，保證了工程質(zhì)量?？傊?，由于BIM技術(shù)創(chuàng)建的三維建筑承載著構(gòu)件信息，所以通過BIM技術(shù)可以精確、真實(shí)地進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工方案優(yōu)化、虛擬施工等，保證了工程質(zhì)量、節(jié)約成本、縮短工期，在工程量大、工期緊、工程形式復(fù)雜、場(chǎng)地空間有限的條件下，BIM的價(jià)值會(huì)體現(xiàn)得更加明顯。
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