BIM技術(shù)結(jié)合有限元分析在基坑工程中的運(yùn)用

唐克

（上海市市政工程建設(shè)處，上海市 200025）

BIM技術(shù)結(jié)合有限元分析在基坑工程中的運(yùn)用

唐克

（上海市市政工程建設(shè)處，上海市 200025）

傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足基坑工程的需求，引入BIM技術(shù)并結(jié)合有限元分析，既能夠發(fā)揮BIM技術(shù)在可視化等方面的優(yōu)勢(shì)，又能運(yùn)用有限元軟件分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。將BIM技術(shù)引入上海某基坑工程實(shí)例，運(yùn)用CATIA建立BIM基坑支護(hù)模型，結(jié)合Navisworks進(jìn)行可視化施工模擬，并運(yùn)用BIM模型與有限元分析軟件ABAQUS結(jié)合分析，研究了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。工程案例應(yīng)用表明，BIM技術(shù)結(jié)合有限元分析，在基坑工程中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

基坑工程；BIM技術(shù)；有限元分析

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，城市化進(jìn)程不斷加快，逐漸向高空與地下空間發(fā)展，基坑的數(shù)量、深度均在不斷增加[1]。深基坑工程本身具有施工作業(yè)空間有限、地質(zhì)條件復(fù)雜、明挖范圍大、土方量大及支護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的深基坑規(guī)劃設(shè)計(jì)及施工管理很大程度上依靠二維CAD設(shè)計(jì)方式，這種設(shè)計(jì)方式本身存在表達(dá)不完整、不準(zhǔn)確等問題[2]，并且使每張?jiān)O(shè)計(jì)圖紙相對(duì)獨(dú)立。由于沒有一個(gè)能有效整合所有信息以保證數(shù)據(jù)完整性的中央信息數(shù)據(jù)庫，這些分散的資料必須依靠專業(yè)人員的解讀才能相互聯(lián)系成為一個(gè)可理解的整體[3]。隨著工程的日益復(fù)雜、基坑深度的增加，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方案與施工管理已經(jīng)不能滿足基坑進(jìn)度、質(zhì)量、安全等要求。因此，深基坑如何進(jìn)行合理的支護(hù)設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)二維圖紙所存在的問題，保證施工進(jìn)度，提高基坑工程質(zhì)量已經(jīng)引起了人們的高度重視。

建筑信息模型（Building Information Modeling）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用三維軟件工具，建立包含建筑工程完整信息的數(shù)字模型，從而對(duì)建筑物的真實(shí)信息進(jìn)行仿真模擬，并進(jìn)一步對(duì)建筑工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等階段進(jìn)行指導(dǎo)[4]。建筑信息模型具有五大優(yōu)點(diǎn)：可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、模擬性、可出圖性[5]。

將BIM技術(shù)引入到基坑工程，尤其是在設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、施工過程模擬、工程量計(jì)算、碰撞檢查等方面發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，提高建筑信息的集成化程度，使各專業(yè)人員進(jìn)行協(xié)同工作，在保證整個(gè)基坑工程質(zhì)量的同時(shí)，顯著提高規(guī)劃設(shè)計(jì)與施工管理的效率。

然而，目前BIM技術(shù)各核心軟件缺乏與其他建筑行業(yè)相關(guān)軟件的接口，這導(dǎo)致BIM技術(shù)的應(yīng)用仍停留在三維可視化、工程算量、工程項(xiàng)目管理等層面上，難以與巖土方面ABAQUS等有限元軟件相結(jié)合來驗(yàn)證整體設(shè)計(jì)方案的安全性。傳統(tǒng)的力學(xué)分析軟件在建模能力上十分薄弱，難以繪制如鋼筋、曲面等不規(guī)則圖形，對(duì)于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)也很難建立對(duì)應(yīng)模型進(jìn)行表示。因此，將BIM技術(shù)與有限元軟件相結(jié)合共同應(yīng)用于基坑工程中，既能保留BIM技術(shù)原有的諸多優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮BIM軟件強(qiáng)大的建模功能，又能運(yùn)用有限元軟件來分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。

本文基于上海某基坑工程，采用BIM核心建模軟件CATIA建立基坑整體模型，采用接口軟件導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS，對(duì)基坑支護(hù)模型進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證基坑支護(hù)方案的安全性。

1 項(xiàng)目概況

上海某基坑工程占地面積約2 800 m2，周長(zhǎng)約234.0 m，擬建商業(yè)樓、配套設(shè)施用房和地下車庫。商業(yè)用房地上12層，配套設(shè)施用房地上3層、地下2層，采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，樁筏基礎(chǔ)。基坑實(shí)際挖深9.6 m，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)。支護(hù)方案采用鉆孔灌注樁+二層混凝土支撐+雙頭深攪樁止水帷幕，坑內(nèi)采用管井降水。

2 BIM基坑模型

為了便于與ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，基坑支護(hù)模型采用 BIM核心建模軟件Dassault CATIA進(jìn)行建立。

2.1 CATIA的優(yōu)越性

CATIA是達(dá)索公司旗下的先鋒品牌，是世界領(lǐng)先的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和體驗(yàn)解決方案，作為BIM核心建模軟件中的一員和PLM協(xié)同解決方案的一個(gè)重要組成部分，CATIA支持項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部流程，解決用戶在工程設(shè)計(jì)中所遇到的難題。

與其他三維設(shè)計(jì)軟件相比，CATIA的主要優(yōu)點(diǎn)是：

（1）CATIA提供參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，可以實(shí)現(xiàn)變量和參數(shù)化混合建模。圖1為鉆孔灌注樁與冠梁搭接示意圖。已經(jīng)定義好兩者的相對(duì)位置關(guān)系，設(shè)置構(gòu)件尺寸參數(shù)函數(shù)，并將其與草圖中的尺寸約束相關(guān)聯(lián)，從而使鉆孔灌注樁樁徑、樁長(zhǎng)、冠梁截面尺寸等參數(shù)信息直觀地展示在CATIA操作界面上，以便于用戶高效地修改構(gòu)件尺寸、約束等。

圖1 CATIA參數(shù)化設(shè)計(jì)

（2）CATIA整體功能強(qiáng)大，可創(chuàng)建任意實(shí)體，擁有強(qiáng)大的曲面設(shè)計(jì)模塊。相較于目前建筑行業(yè)常用BIM軟件Revit，CATIA能夠更為方便地繪制出形如曲線、曲面、螺旋等實(shí)體構(gòu)件，能夠更為準(zhǔn)確地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行指導(dǎo)。圖2為使用CATIA繪制出的鉆孔灌注樁配筋圖。

圖2 鉆孔灌注樁配筋圖

（3）CATIA中可以采用骨架驅(qū)動(dòng)的方法來進(jìn)行模型的建立。骨架驅(qū)動(dòng)[6]的設(shè)計(jì)方法可以理解為，事先把主體模型中關(guān)鍵的位置關(guān)系運(yùn)用簡(jiǎn)單的幾何元素（如點(diǎn)、線、面）來確定，并且隨著整體骨架的改變，模型中部件的相對(duì)位置關(guān)系也會(huì)隨之變動(dòng)，免去了重新進(jìn)行裝配的步驟，這亦是優(yōu)于Revit的一大功能。

（4）CATIA中零部件與裝配體之間具有聯(lián)動(dòng)性。CATIA中每個(gè)部件均保存為單獨(dú)的文件，將各個(gè)部件根據(jù)約束關(guān)系事先裝配好形成完整的裝配體文件，之后若再去修改任意單獨(dú)零部件尺寸、形狀，其發(fā)生的變化均會(huì)與整個(gè)裝配體相關(guān)聯(lián)，免去了重新進(jìn)行裝配的繁瑣步驟。

2.2 CATIA建立BIM模型

CATIA一直定位于機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，包含的機(jī)械專業(yè)相關(guān)模塊眾多，很少用于建筑行業(yè)，因此，并沒有類似于建筑行業(yè)專用軟件Revit中自帶的如“梁、板、柱”等族文件。CATIA建模步驟主要分為兩大塊：一個(gè)是“part”模塊中的零部件的設(shè)計(jì)，類似于Revit中族文件的建立；另一個(gè)是“product”模塊中裝配體的設(shè)計(jì)，即將零部件按照約束要求、位置關(guān)系裝配成設(shè)計(jì)要求模型。

本次BIM基坑支護(hù)模型即采用上述方式，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸要求先建立如“鉆孔灌注樁、格構(gòu)柱、冠梁、圍檁”等眾多構(gòu)件，繼而根據(jù)設(shè)計(jì)約束要求將這些單獨(dú)的構(gòu)件進(jìn)行空間位置關(guān)系的約束，從而形成完整的基坑支護(hù)模型。圖3為該基坑支護(hù)的3D模型與基坑平面圖。

圖3 基坑支護(hù)3D模型與基坑平面圖

2.3 BIM基坑支護(hù)模型

（1）三維可視化。相較于傳統(tǒng)的二維基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案，BIM基坑支護(hù)模型在保證原有設(shè)計(jì)要求的前提下，本著“所見即所得”的原則，將整個(gè)基坑支護(hù)體系直觀、立體的展示在設(shè)計(jì)方、施工方、業(yè)主方面前，并且對(duì)于基坑中一些復(fù)雜構(gòu)件、樁梁配筋等問題，傳統(tǒng)的二維圖紙很難表示清楚，而BIM技術(shù)能夠很好地解決此類問題。圖4為冠梁配筋及格構(gòu)柱與二維設(shè)計(jì)對(duì)比。

圖4 冠梁配筋及格構(gòu)柱與二維設(shè)計(jì)對(duì)比

（2）基坑支護(hù)施工模擬?；又ёo(hù)工程現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹小，各項(xiàng)施工交替進(jìn)行，運(yùn)用Navisworks軟件可以直觀、形象地模擬各施工工序的先后順序，展示各工況之間的銜接情況，指導(dǎo)實(shí)際基坑工程施工。運(yùn)用微軟Project軟件創(chuàng)建施工進(jìn)度計(jì)劃，將該計(jì)劃導(dǎo)入Navisworks軟件中與計(jì)劃中的任務(wù)相關(guān)聯(lián)，結(jié)合動(dòng)畫模擬施工（見圖5）。施工模擬順序遵循實(shí)際工況：攪拌樁→工程樁→降水井→格構(gòu)柱→鉆孔灌注樁→冠梁及第一道支撐→第一道圍檁及第二道支撐。

圖5 基坑工程施工模擬

3 有限元計(jì)算分析

目前市面上鮮有BIM軟件用于巖土專業(yè)方向，能夠?qū)IM技術(shù)與有限元軟件相結(jié)合的接口程序亦不多見，并且目前常見的將模型文件轉(zhuǎn)化為通用數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入相關(guān)有限元軟件的方法很容易造成模型特征的缺失，不利于進(jìn)一步的分析工作。因此，本項(xiàng)目采用了同為Dassult旗下的兩款軟件CATIA與ABAQUS。運(yùn)用CATIA建立BIM基坑支護(hù)模型，使用接口軟件“ABAQUS for CATIA”將BIM模型無損地導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS中（見圖6），從而進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元分析，保證設(shè)計(jì)方案的安全性。

圖6 BIM模型導(dǎo)入ABAQUS

3.1 BIM模型處理

ABAQUS中對(duì)于材料參數(shù)、相互作用、接觸關(guān)系等問題十分敏感，某一步設(shè)置問題將直接影響程序的運(yùn)行。并且，隨著模型的復(fù)雜程度的加大、節(jié)點(diǎn)的增多，ABAQUS對(duì)電腦的配置要求會(huì)變得很高，因此需要對(duì)模型進(jìn)行適應(yīng)性處理。

由于基坑長(zhǎng)寬比比較大，且基坑在長(zhǎng)度方向的土層分布近似，基坑中部?jī)蓚?cè)土體側(cè)向壓力較大，因此選取模型中對(duì)撐部分模擬計(jì)算基坑開挖穩(wěn)定過程。同時(shí)，將鋼筋等效為同等強(qiáng)度混凝土，視鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為整體。根據(jù)文獻(xiàn)[7，8]揭示規(guī)律：開挖面兩側(cè)取開挖深度L的1.5～3倍，下邊界沿開挖土體向下取2～3倍L作為基坑開挖的影響范圍。因此選取模型計(jì)算范圍為：寬19 m，高為31.4 m，長(zhǎng)為86 m。圖7為基坑支護(hù)有限元計(jì)算模型。

3.2 參數(shù)設(shè)置

本文結(jié)合該基坑工程的設(shè)計(jì)要求和施工工序，采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，各土層參數(shù)值見表1。混凝土采用線彈性模型，彈性模量E=30 GPa，泊松比μ=0.2，樁土摩擦系數(shù)為0.4。

圖7 基坑支護(hù)有限元計(jì)算模型

表1 土層參數(shù)及力學(xué)指標(biāo)

3.3 施工過程模擬

ABAQUS是通過分析步實(shí)現(xiàn)施工過程模擬的。根據(jù)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合實(shí)際工況確定考慮4個(gè)分析步。第一步：開挖土方至冠梁底標(biāo)高下0.1 m；第二步：澆筑冠梁、第一層支撐；第三步：開挖土方至第二層支撐設(shè)計(jì)標(biāo)高下0.5 m處澆筑圍檁、第二層支撐；第四步：繼續(xù)開挖至基坑底部。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

選取灌注樁樁身水平位移進(jìn)行分析（見圖8）。分析步一中，開挖第一層土，尚未設(shè)置第一道支撐構(gòu)件，灌注樁樁身絕大部分嵌固在土體中，形成了類似于懸臂樁結(jié)構(gòu)。樁身水平位移沿樁長(zhǎng)向下呈減少趨勢(shì)，最大樁身位移發(fā)生在灌注樁頂部為4.9 mm,指向開挖方向。分析步二中，施加了第一道支撐、冠梁，限制了樁身水平位移的發(fā)展，整體趨勢(shì)近似于線性分布。分析步三中，由于土體的開挖和第二道支撐、圍檁的澆筑，樁身位移并未像分析步二中呈近似線性分布，最大位移沒有發(fā)生在灌注樁頂部，而是在兩道混凝土支撐之間接近第二道支撐處，說明第二道支撐限制了灌注樁水平位移的發(fā)展，有效地抵抗了樁身的側(cè)向變形。分析步四中，土體繼續(xù)開挖至基坑底部，灌注樁水平位移逐漸增加至最大值5.7 mm后，受到了兩道支撐及樁身嵌固深度的限制作用，樁身位移逐漸減小，并在基坑底部附近出現(xiàn)反彎點(diǎn)，樁身整體位移曲線呈現(xiàn)為S形，并最終趨于穩(wěn)定值5.2 mm。對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與分析步四中的樁身水平位移曲線，兩者雖然在數(shù)值上有差別，但是整體趨勢(shì)卻比較相似，均近似于S形曲線，并且兩者樁身最大位移發(fā)生的位置基本相同，說明該計(jì)算模型基本正確。

圖8 灌注樁樁身水平位移

對(duì)比相關(guān)規(guī)范及基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案要求，樁身最大位移允許值為30 mm。本次基坑支護(hù)有限元模擬的樁身最大位移為5.7 mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)最大樁身位移為8.9 mm，均在允許值范圍內(nèi)，驗(yàn)證了基坑支護(hù)方案的安全性，也說明了本文模擬方法的具有可信性。

4 結(jié)語

本文依托上海某基坑工程，將BIM基坑支護(hù)模型運(yùn)用接口軟件導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS中，對(duì)該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，對(duì)比實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，不僅確保了該基坑的安全，更證明了將BIM技術(shù)結(jié)合有限元分析共同運(yùn)用在基坑工程中，既發(fā)揮了BIM模型在三維可視化、施工模擬等方面的優(yōu)勢(shì)，又能借助有限元軟件對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性分析，從而深化BIM技術(shù)在基坑工程中的運(yùn)用，為實(shí)際基坑工程項(xiàng)目提供具有實(shí)用價(jià)值的參考。

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TU17；TU47

A

1009-7716（2017）08-0289-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.091

2017-04-06

唐克(1976-)，男，江蘇南京人，工程師，一級(jí)建造師，主要從事市政基礎(chǔ)設(shè)施、軌道交通及地下基坑工程的建設(shè)和管理工作。