BIM技术在深基坑内支撑与结构冲突处理中的应用-

BIM技术在深基坑内支撑与结构冲突处理中的应用中关村科创中心二期项目蒋皓王海【摘要】中关村科创中心二期深基坑工程中，广泛运用格构柱支顶的大跨度内支撑结构。内支撑施工中，存在内支撑钢筋与格构柱的冲突情况；地下室结构施工中，会发生内支撑与结构冲突的情况，同时内支撑梁正下方结构作业空间狭小，施工困难。我项目部组建了专业的质量管理小组和BIM技术小组，利用BIM技术研究总结内支撑与结构、内支撑钢筋与格构柱冲突处理方法，减少冲突带来的工期、成本、安全等方面的影响，且为同类工程提供参考。【关键词】深基坑内支撑梁格构柱地下室结构BIM技术一、成果背景1.社会背景中关村科创中心二期项目是江宁开发区大力推进“三房”（标准厂房、科创载体、人才公寓）建设的一项重点工程，有助于发挥产业集群优势和规模优势，实现区域内企业技术和信息的互通，有效促进自身及入驻企业的良性发展，增进企业抗风险的能力，形成创新要素更加集聚，高端项目加速成长，产业竞争力迅速提升的良好局面，有利于促进南京市以及江宁区发展转型和产业升级。2.企业背景中国建筑第八工程局有限公司，作为世界500强企业——中国建筑股份有限公司的骨干成员，国家首批“三特三甲”资质企业，以投资、建造、运营为核心业务，始终活跃在中国经济建设的前沿，通过BIM技术的引进、应用与自主研发，实现建筑行业的精细化管控。3.工程概况(1)建筑概况中关村科创中心二期项目占地面积22180㎡，总建筑面积114946.88㎡，地下52157.49㎡，地上62789.39㎡；地下3层，基底标高为-14.95m；地上2栋单体：主楼为23层科研办公楼，建筑高度99.95m，裙楼为5层食堂会议用房，建筑高度24.9m，项目效果图如图1所示。图1项目效果图(2)深基坑设计概况本工程深基坑长149m，宽度127m，基坑周长534m；基坑大面开挖深度为14.45m，局部深坑开挖深度为16.25m；基坑开挖面积19000m2，挖土方量约为29万m³，基坑支护采用围护桩+2道内支撑的设计方案，外加1道三轴搅拌桩止水帷幕，基坑工程安全等级为一级，围护结构设计使用年限为1年，深基坑BIM效果如图2所示。图2深基坑BIM效果图二、选题理由（1）深基坑工程具有很强的综合性深基坑工程涉及土力学中强度、地面变形和土中渗流这3个最基本的问题，三者有机统一需要综合处理。例如，有些基坑工程的开展过程中，土压力强度会随着工程的开展，会对支护结构的稳定性产生一定的影响，因此，支护结构施工过程中要充分保证内支撑的强度和稳定性。（2）深基坑工程具有较强的环境效应在进行基坑开挖和施工过程中，施工者必须要着重考虑基坑周围的土方的应力场、地下水位等相应的环境变化。同时需要考虑施工对于相邻的建筑物、构筑物以及本地的市政管网和通信等相应的工程对其所造成的影响，同时，大量的土方转运也会对城市的交通产生影响。（3）深基坑工程具有工程量较大且工期较紧相较于一般的土方开挖工程，深基坑工程施工特点是基坑开挖深度较大，费用较高，对于施工质量要求高，安全保障措施要求高，同时对于施工节奏要把握紧凑，不能延误工期。在做好支护结构安全性的同时，抓紧施工工期，不仅是施工管理上的要求，它对减小基坑变形，减小基坑周围环境的变形也具有特别的意义。基于上述理由，我们将“BIM技术在深基坑内支撑与结构冲突处理中的应用”作为项目部管理的主控方向，保证质量、安全的前提下，要求在最短的时间内完成内支撑施工。三、实施时间1.实施时间：2021年10月——2022年7月2.分阶段实施时间（1）管理策划：2021年10月——2022年2月（2）管理措施实施：2022年3月——2022年7月（3）过程检查：2022年3月——2022年7月（4）取得成效：2022年3月——2022年7月四、管理重点与难点1.管理重点本工程管理重点主要是充分利用BIM技术对深基坑内支撑施工进行成本、质量、进度、安全等四个方面控制。2.管理难点(1)施工成本管理运用BIM技术建立3D模型,在BIM建立深基坑模型和地下结构模型,使施工方更直观清楚的了解到成本控制主要部位；通过BIM模型提前了解内支撑与结构、内支撑钢筋与格构柱等冲突,减少施工时出现此类的问题而造成的返工现象,从而节约成本。(2)质量管理本工程为创江苏省“扬子杯”工程，对内支撑材料选购和使用环节进行严格的控制,以解决材料质量差的问题,在BIM中建立模型后,对内支撑各类型材料进行详细的标注,并导出不同类别的材料清单,在材料使用环节严格控制质量。(3)进度管理针对深基坑工期紧张、工作量大,工作人员可以借助于BIM模拟施工场地以事先布置施工场地,有效规避现场施工时胡乱布置场地而扰乱施工秩序；同时,施工模拟还能使管理人员实时查看施工实际与施工计划之间的进度差距,出现例如暴雨台风等突发状况时,可以提前增加各场地的人员以调整施工进度与计划相匹配。(4)安全管理管理人员可以借助BIM技术制作相关视频对施工人员进行生动、形象的安全教育,将内支撑施工安全要点以二维码的形式贴于施工现场,便于施工人员可以随时扫码观看；也可以将深基坑现场数据实时导入,实现数据可视化,实时查看各观测点的数据,保证提前注意到深基坑施工中的安全隐患,来降低人员伤亡和经济损失。五、管理策划和创新点1.全方位考虑项目管理在深基坑施工前，同时与业主、设计进行充分沟通。在充分了解业主的质量要求和投资控制要求后，主要利用BIM技术对深基坑内支撑施工进行成本、质量、进度、安全等四个方面控制。2.目标值的确定在充分了解项目管理重点的前提下，制定工程项目管理目标，并相应安排了责任人，见表1。深基坑内支撑施工目标值表1项目目标值完成时间风险控制质量深基坑质量在满足国家及行业现行施工验收规范标准2022年7月安全杜绝死亡和重伤责任事故2022年7月工期深基坑300天（总工期1280天）2022年7月绿色施工施工期间对周边建筑、市容无影响2022年7月未污染环境及周边道路2022年7月3.项目管理分级策划在深基坑工程施工前7天完成深基坑项目管理策划，形成《深基坑项目管理策划书》。《深基坑项目管理策划书》作为指导深基坑项目管理工作的指导文件，对深基坑项目管理的目标、内容、组织、资源、方法、程序和控制措施进行了安排。围绕实现深基坑项目的成本、工期、质量、安全、绿色施工等管理目标和经济目标，确定深基坑项目管理模式、分包及采购模式，明确人、机、物、料、资金、技术等资源配置措施，明确深基坑项目管理过程中公司层面和项目部的职责、授权关系及服务关系等内容，深基坑项目管理策划书如下图3所示。项目部在工程正式开工前完成《深基坑项目实施计划》。《深基坑项目实施计划》是在《深基坑项目管理策划书》基础上深化而成的项目操作文件，由项目经理组织编写，并报公司相关部门审核，经分公司技术总工审批后发布实施，深基坑项目实施计划如下图4所示。图3深基坑项目管理策划书图4深基坑项目实施计划4.成立BIM技术小组，统一管理项目成立以项目经理为主，技术负责人主抓的BIM小组，统一协调组织BIM技术应用，针对深基坑工程的重难点部位、安全防护设施、施工进度、各专业资料，利用云平台统一整合，形象展示。小组成员覆盖项目各部门，更有利于项目整体协调管理。5.专业培训，熟练运用BIM软件组织项目部年轻员工进行规范、方案和BIM相关软件等的专项培训，通过组织学习BIM基本知识，组织项目BIM建模，形象对比现场实际施工情况，更直观了解施工工艺、质量控制标准、安全管理标准等，将反应出问题进行分析，增加了管理人员对施工整体过程的控制和判断能力。6.创新特点利用BIM模型及云平台，将现场施工、安全、进度、资料、成本、材料进行统一整合，工程量详细、明确；材料采购、进退场手续简化，提高效率；发生变更，各部门可及时获取信息，让信息传递不再混乱，有据可寻；可进行模型对比分析、碰撞检查、汇报、交底，更直观、明确、客观了解现场施工情况、问题整改情况、安全管理隐患、安全防护措施等。六、管理措施和风险控制1.冲突位置确定利用Revit软件中自带的“碰撞检查”功能实现深基坑支撑梁模型、格构柱模型与地下室结构模型间的碰撞检查。在同一坐标系、标高系统中分别建立支撑梁模型、格构柱模型和地下室结构模型，将支撑模型链接进地下室结构模型和格构柱模型。运行“协作”选项卡中的碰撞检测命令，选择格构柱与支撑梁、地下室梁、板、柱进行检查。在产生的冲突报告中选择一个问题，点击显示就可以在选定的视图中跳转到碰撞处，接着会发现碰撞的对象都对应有一个ID号，可以通过这个ID号去查找碰撞对象的位置。通过Revit碰撞检查导出的报告可以统计出基坑支护结构共设计有格构柱135根，与地下3层墙柱冲突4处，与地下2层梁冲突3处，与地下2层板冲突135处，与地下2层墙柱冲突3处，与内支撑梁冲突128处。2.格构柱与结构冲突处理（1）格构柱位置底板处理格构柱与底板钢筋碰撞，为保证底板钢筋尽量拉通布置，防止底板与格构柱交界处出现渗水问题，需将底板区域格构柱内的混凝土全部凿除，对格构柱进行除锈处理，此处节点还需做好防水处理。在凿除混凝土时，为加快凿除速度，可以拆下部分缀板，以便进行凿除作业，为保证受力，严禁同时拆除同一标高处的所有缀板。格构柱与底板钢筋碰撞处理效果如图5所示。图5格构柱与底板钢筋碰撞处理效果示意格构柱与地下室底板防水需重点处理，采用以下防水做法：在格构柱距底板混凝土垫层300mm高处焊接止水钢板，止水钢板将格构柱内部封闭，同时格构柱外部焊接200mm宽的止水钢板绕格构柱一周。在格构柱周边500mm范围内涂抹2mm厚水泥基渗透结晶型防水涂料加强层，并沿格构柱涂抹至止水钢板处。格构柱与混凝土连接阴角处用无纺布做成45°坡角，先涂抹1遍水泥基渗透结晶型防水涂料，再铺贴无纺布，最后再涂抹2遍涂料，并使涂料完全浸透无纺布，不得有露槎及褶皱。原底板2mm厚防水层聚合物水泥基防水涂料与3mm厚BAC自粘防水卷材铺至格构柱边时上返至止水钢板处，并采用密封胶密封处理卷材与角钢接缝，保证卷材粘接牢固，确保防水性能。格构柱底部防水构造做法如图6所示。止水钢板阴角处无纺布处理预铺反粘高分子卷材水泥基渗透结晶防水涂料止水钢板阴角处无纺布处理预铺反粘高分子卷材水泥基渗透结晶防水涂料100厚C15混凝土垫层素土夯实图6格构柱底部防水构造做法示意（2）格构柱与墙、柱冲突处理项目通过碰撞检查，发现格构柱与墙柱碰撞共计20余处，主要有3种处理方式：原结构尺寸加大、局部切除格构柱、换托处理。1)原结构尺寸加大格构柱与地下室结构墙、柱均发生冲突，但考虑该处建筑用途为送风井，因此更改原结构尺寸对建成后的观感和使用影响都比较小，且格构柱位置处无机电管线。经与设计人员确认后，将与该格构柱发生冲突的墙、柱尺寸向风井内部加宽，原配筋不变，横向钢筋遇到格构柱时断开并分别焊接在角钢或缀板上。2)局部切除格构柱此种方法主要解决尺寸小于格构柱的墙柱冲突问题，原结构不可断开后施工，不可增大截面尺寸，需对与结构相交的局部格构柱进行切除处理。格构柱原为双向轴对称构件，需要计算切割格构柱分肢部分截面后格构柱是否满足受力及稳定性要求，通过验算后才可采用此方法，同时为保证稳定性，不可完全切除四肢中的任意一肢，需保留四肢部分截面不完全切除。3)换托处理此种方法适用于格构柱与地下室结构柱重合，且结构柱不能后施工的情况，故格构柱必须提前拆除。在底板浇筑前，提前预埋钢板和地角螺栓，并于底板面设置钢板，钢板与临时钢柱底焊接，支撑梁处采用植筋，植入地脚螺栓与钢板连接，后与临时钢柱顶焊接，完成立柱桩安装。临时钢柱底部连接示意如图7所示。图7临时钢柱底部连接示意临时钢柱采用20mm厚直径700mm的钢管制作，作为临时钢柱支顶，钢柱主体焊接采用双面坡口焊缝，钢管、钢板选用Q235B，焊缝等级为二级。（3）格构柱与楼板冲突处理格构柱处板钢筋尽量拉通，若格构柱角钢和缀板影响范围内钢筋较多，考虑格构柱周围0.5~1m范围内板钢筋预留后施工，且相关范围内设置临时支顶，待地下室施工完毕且拆除格构柱后再施工。板钢筋截断后，采用搭接方式，搭接长度对应的接头百分率要满足规范要求，也可采用双面焊接5d（d为钢筋直径）的方式连接。格构柱周围设计临时支顶及板筋预留设计示意如图8所示。图8格构柱周围临时支顶及板筋预留设计示意（4）格构柱与梁冲突处理根据格构柱与梁冲突的程度，将冲突分3种情况处理：部分斜角冲突、大部分结构冲突、平行冲突。通过碰撞检查，选取典型位置进行分析处理。1）部分斜角冲突当梁截面与格构柱一角部分冲突时，采用截断部分钢筋，格构柱内补强的方式处理。梁纵筋尽量拉通，遇格构柱角钢阻挡无法拉通时将钢筋截断，将纵筋截断弯折并按照搭接长度要求焊接到格构柱角钢上，角钢内部采用钢板进行补强，此做法可以保证结构梁的完整性，但模板支设空间狭小，可能影响混凝土成型效果，后期拆除格构柱后，需对此处进行打磨处理。结构梁钢筋处理示意如图9所示。图9结构梁钢筋处理示意2）大部分结构冲突若梁截面大部分被格构柱角钢阻挡，采用类似楼板与格构柱冲突处理做法，格构柱左右两端0.5~1m范围内的梁预留纵筋，待地下室施工完毕且拆除格构柱后再施工，梁纵筋截断后，采用Ⅰ级机械接头连接。3）平行冲突若梁截面垂直于格构柱，且梁纵筋大部分穿过格构柱时，可切除格构柱局部四肢角钢，保证主体结构的正常施工，同时此区域用钢管支撑架回顶。此处模板支设空间狭小，可能影响混凝土成型效果，后期拆除格构柱后，需对此位置进行打磨处理。结构梁钢筋处理示意如图10所示。图10结构梁钢筋处理示意3.内支撑梁及栈桥板与结构冲突处理（1）内支撑梁与主体结构柱插筋冲突处理项目钢筋混凝土内支撑梁位于地下一层楼板面之上，与地下一层板面的间距仅为400mm，此情况造成柱插筋不能满足连接要求，除此之外，内支撑梁下空间狭小，混凝土浇筑时，振捣困难。在地下一层结构施工前，应用BIM技术建模分析，发现7处柱与内支撑梁冲突，柱纵筋与内支撑梁有不同程度的碰撞，与设计单位通核算，可在内支撑梁上开孔，孔径不大于70mm，有效解决此类问题。现场实际应用如图11所示。图11内支撑梁上开孔现场（2）内支撑梁及栈桥板与主体结构冲突处理项目基坑支护结构设计有3块栈桥板，栈桥板距离地下一层板面距离为400mm，直接影响地下一层墙柱插筋施工，导致钢筋无法满足预留长度和接头面积百分率要求，故在底板换撑板浇筑完成后，提前拆除栈桥板。基坑支护南侧管线较多，支护桩施工时为避免对周围管线的影响，将支护桩向基坑内移动600mm，导致地下室外墙钢筋与内支撑梁冲突，地下一层地下室外墙难以施工，因此在该区域内支撑拆除时，优先拆除此处内支撑梁。此内支撑梁有一边与基坑外侧支护桩连接，无法直接将绳锯机的金刚石串珠套在腰梁上进行切割，需先在连接处钻孔，供金刚石串珠穿过，配合叉车和汽车式起重机完成拆除工作。4.支撑梁与格构柱相交节点处的钢筋冲突处理支撑梁与格构柱相交节点处的钢筋冲突处理方法，是第1、第2道支撑施工时重点控制的地方，由于现场格构柱与支撑梁往往不平行也不垂直，导致支撑梁钢筋经过格构柱的时候钢筋无法穿过。为解决该问题，项目部特意咨询了设计院，设计院给出了以下几点原则：（1）钢筋尽可能不要断开，可以采用钢筋集中从格构柱中间空洞处穿过，或者从格构柱外边绕过的方法，以确保钢筋的连续传力；（2）与缀板相碰时，可在缀板位置开孔，钢筋穿过，但缀板应在开孔前在其上下相邻位置焊接等截面之加强缀板；（3）与竖向角钢相碰时，如无法绕过时，可两端截断钢筋，采用满足搭接长度要求的短钢筋绕过角钢并与两端钢筋焊接。通过BIM模型，获得支撑梁钢筋与格构柱冲突的数量，提前绘制出穿格构柱钢筋的样式（包括弯折角度、长度），生成特殊部位的钢筋下料单。支撑钢筋穿格构柱角钢节点如图12和图13所示。图12第1道支撑钢筋穿格构柱角钢节点图13第2道支撑钢筋穿格构柱角钢节点七、过程检查与监督1．项目管理组织构架完善现场施工配合紧密，每道工序均有专人负责管理，工序交接责任明确，提高工作