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２０１５年３月下第４４卷 第６期施 工 技 术ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ４９ ＤＯＩ：１０７６７２／ｓｇｊｓ２０１５０６００４９ＢＩＭ技术在中国尊基础工程中的应用赵雪锋１，姚爱军１，刘东明２，宋 强３（１．北京工业大学建筑工程学院，北京 １００１２４；２．北京城建集团有限责任公司，北京 １０００８８；３．青岛酒店管理职业技术学院酒店工程学院，山东青岛 ２６６１００）［摘要］针对中国尊基础工程工程量大、形式复杂、工期短、施工场地狭小等特点，应用ＢＩＭ技术对基础工程进行了ＢＩＭ施工模型创建、碰撞检测、算量造价、施工方案优化、虚拟施工、培训交底等工作，同时也进行了相应的理论研究。最后对中国尊ＢＩＭ技术的应用进行了总结。［关键词］信息化；建筑信息模型；施工模型；虚拟施工；碰撞检测［中图分类号］ＴＵ１７［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００２⁃８４９８（２０１５）０６⁃００４９⁃０５ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＢＩＭＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＣｈｉｎａＺｕｎＴｏｗｅｒＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＺｈａｏＸｕｅｆｅｎｇ１，ＹａｏＡｉｊｕｎ１，ＬｉｕＤｏｎｇｍｉｎｇ２，ＳｏｎｇＱｉａｎｇ３（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１２４，Ｃｈｉｎａ；２．ＢｅｉｊｉｎｇＵｒｂａｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８８，Ｃｈｉｎａ；３．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＨｏｔｅｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＱｉｎｇｄａｏＶｏｃａｔｉｏｎａｎｄＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＨｏｔｅｌＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐｒｏｊｅｃｔｏｆＣｈｉｎａＺｕｎＴｏｗｅｒｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｕｓｅｓＢＩＭｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｄｕｅｔｏｉｔｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｕｇｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｑｕａｎｔｉｔｙａｎｄｃｏｍｐｌｅｘｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｏｒｍ，ｓｈｏｒｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄ，ｓｍａｌｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｉｔｅｅｔｃ．Ｓｏｍｅｗｏｒｋｉｓｄｏｎｅ，ｓｕｃｈａｓＢＩＭｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｃｒｅａｔｉｏｎ，ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｃｏｓｔ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅ，ｖｉｒｔｕａｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈｉｓｄｏｎｅｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＢＩＭｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｂｕｉｌｄｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇ（ＢＩＭ）；ｍｏｄｅｌｓ；ｖｉｒｔｕａｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［作者简介］赵雪锋，博士，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈａｏｘｕｅｆｅｎｇ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ［收稿日期］２０１４⁃０５⁃１４１ 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１１５ｈｍ２，总建筑面积为４３７万ｍ２，其中，地上３５万ｍ２、地下８７万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－２７０００ｍ（±００００ｍ对应绝对标高３８３５０ｍ）。本次基础工程的主要内容为：８９６根工程桩及桩头拆除、－２７０００ｍ位置处基坑内的水平支撑、基坑－２７０００ｍ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５０ 施工技术第４４卷 表１ 土层参数Ｔａｂｌｅ１ Ｓｏｉｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ土层编号岩土性质层顶绝对标高／ｍ侧摩阻极限值／ｋＰａ压缩模量／ＭＰａ⑥卵石、圆砾１０９６～１４７６—１０００⑦黏土、重粉质黏土０４９～３１３７０１４８⑧卵石、圆砾－２３６～０２８１４０１１５０⑨粉质黏土、重粉质黏土－９３１～－５７２７５１８６⑩中砂、细砂－１４６４～－１１５７８０５９５粉质黏土、重粉质黏土－２７２４～－２３９９７５２０３卵石、圆砾－３７２４～－３１７２１６０１５５０粉质黏土、重粉质黏土－４８８４～－４５０２８０２５８分又多达１０多ｍ，地层多为密实砂卵石层，尤其层卵石粒径最大达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。图１ 建筑实体模型Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅｔｏｗｅｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｍｏｄｅｌ５）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。３ ＢＩＭ技术实施３１ 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。３２ 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２０１５Ｎｏ．６赵雪锋等：ＢＩＭ技术在中国尊基础工程中的应用５１ 表２ 建筑实体的工程概况Ｔａｂｌｅ２ Ｔｈｅｔｏｗｅｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎ建筑实体工程概况降水井９７口降水井基坑内的水平支撑位于基坑内相对标高－２７０００ｍ处锚杆基坑边坡支护红线外围桩桩长２１ｍ，位于两道地下连续墙之间桩基础８９６根工程桩，桩长２６１～４５１ｍ桩基础上板３５０ｍｍ厚，位于桩顶地下连续墙两道地下连续墙，墙厚８００ｍｍ，位于红线外栈桥（包括桥板、立柱）基坑四周运输通道中国尊基础工程包含以上建筑实体碰撞，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。图２ 碰撞检测Ｆｉｇ．２ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ图３ 修改后的栈桥、栈桥柱及工程桩模型Ｆｉｇ．３ Ｍｏｄｅｌｏｆｔｒｅｓｔｌｅ，ｔｒｅｓｔｌｅｃｏｌｕｍｎｓａｎｄｐｉｌｅｓａｆｔｅｒｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ３３ 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［３］。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。３４ 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。３５ 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５２ 施工技术第４４卷图４ 工程桩分块及施工顺序Ｆｉｇ．４ Ｐｉｌｅｓｄｉｖｉｓｉｏｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅ图５ 机械配置Ｆｉｇ．５ Ｍａｃｈｉｎｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ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