BIM技術結合有限元分析在基坑工程中的運用

唐克

（上海市市政工程建設處，上海市 200025）

BIM技術結合有限元分析在基坑工程中的運用

唐克

（上海市市政工程建設處，上海市 200025）

傳統的二維設計方法已經不能滿足基坑工程的需求，引入BIM技術并結合有限元分析，既能夠發揮BIM技術在可視化等方面的優勢，又能運用有限元軟件分析支護結構的安全性。將BIM技術引入上海某基坑工程實例，運用CATIA建立BIM基坑支護模型，結合Navisworks進行可視化施工模擬，并運用BIM模型與有限元分析軟件ABAQUS結合分析，研究了基坑支護結構的穩定性。工程案例應用表明，BIM技術結合有限元分析，在基坑工程中具有廣泛的應用價值。

基坑工程；BIM技術；有限元分析

0 引言

隨著我國經濟的增長，城市化進程不斷加快，逐漸向高空與地下空間發展，基坑的數量、深度均在不斷增加[1]。深基坑工程本身具有施工作業空間有限、地質條件復雜、明挖范圍大、土方量大及支護結構復雜等特點，而傳統的深基坑規劃設計及施工管理很大程度上依靠二維CAD設計方式，這種設計方式本身存在表達不完整、不準確等問題[2]，并且使每張設計圖紙相對獨立。由于沒有一個能有效整合所有信息以保證數據完整性的中央信息數據庫，這些分散的資料必須依靠專業人員的解讀才能相互聯系成為一個可理解的整體[3]。隨著工程的日益復雜、基坑深度的增加，傳統的二維設計方案與施工管理已經不能滿足基坑進度、質量、安全等要求。因此，深基坑如何進行合理的支護設計，解決傳統二維圖紙所存在的問題，保證施工進度，提高基坑工程質量已經引起了人們的高度重視。

建筑信息模型（Building Information Modeling）是以計算機技術為基礎，運用三維軟件工具，建立包含建筑工程完整信息的數字模型，從而對建筑物的真實信息進行仿真模擬，并進一步對建筑工程的設計、施工、運維等階段進行指導[4]。建筑信息模型具有五大優點：可視化、協調性、優化性、模擬性、可出圖性[5]。

將BIM技術引入到基坑工程，尤其是在設計方案優化、施工過程模擬、工程量計算、碰撞檢查等方面發揮其優勢，提高建筑信息的集成化程度，使各專業人員進行協同工作，在保證整個基坑工程質量的同時，顯著提高規劃設計與施工管理的效率。

然而，目前BIM技術各核心軟件缺乏與其他建筑行業相關軟件的接口，這導致BIM技術的應用仍停留在三維可視化、工程算量、工程項目管理等層面上，難以與巖土方面ABAQUS等有限元軟件相結合來驗證整體設計方案的安全性。傳統的力學分析軟件在建模能力上十分薄弱，難以繪制如鋼筋、曲面等不規則圖形，對于復雜節點也很難建立對應模型進行表示。因此，將BIM技術與有限元軟件相結合共同應用于基坑工程中，既能保留BIM技術原有的諸多優勢，發揮BIM軟件強大的建模功能，又能運用有限元軟件來分析支護結構的安全性。

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，采用接口軟件導入有限元軟件ABAQUS，對基坑支護模型進行有限元分析，驗證基坑支護方案的安全性。

1 項目概況

上海某基坑工程占地面積約2 800 m2，周長約234.0 m，擬建商業樓、配套設施用房和地下車庫。商業用房地上12層，配套設施用房地上3層、地下2層，采用框架-剪力墻結構體系，樁筏基礎?；訉嶋H挖深9.6 m，基坑支護設計安全等級為一級。支護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，坑內采用管井降水。

2 BIM基坑模型

為了便于與ABAQUS有限元軟件進行數據的導入，基坑支護模型采用 BIM核心建模軟件Dassault CATIA進行建立。

2.1 CATIA的優越性

CATIA是達索公司旗下的先鋒品牌，是世界領先的產品設計和體驗解決方案，作為BIM核心建模軟件中的一員和PLM協同解決方案的一個重要組成部分，CATIA支持項目從設計、分析、模擬、組裝到維護在內的全部流程，解決用戶在工程設計中所遇到的難題。

與其他三維設計軟件相比，CATIA的主要優點是：

（1）CATIA提供參數化設計功能，可以實現變量和參數化混合建模。圖1為鉆孔灌注樁與冠梁搭接示意圖。已經定義好兩者的相對位置關系，設置構件尺寸參數函數，并將其與草圖中的尺寸約束相關聯，從而使鉆孔灌注樁樁徑、樁長、冠梁截面尺寸等參數信息直觀地展示在CATIA操作界面上，以便于用戶高效地修改構件尺寸、約束等。

圖1 CATIA參數化設計

（2）CATIA整體功能強大，可創建任意實體，擁有強大的曲面設計模塊。相較于目前建筑行業常用BIM軟件Revit，CATIA能夠更為方便地繪制出形如曲線、曲面、螺旋等實體構件，能夠更為準確地對現場施工進行指導。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中可以采用骨架驅動的方法來進行模型的建立。骨架驅動[6]的設計方法可以理解為，事先把主體模型中關鍵的位置關系運用簡單的幾何元素（如點、線、面）來確定，并且隨著整體骨架的改變，模型中部件的相對位置關系也會隨之變動，免去了重新進行裝配的步驟，這亦是優于Revit的一大功能。

（4）CATIA中零部件與裝配體之間具有聯動性。CATIA中每個部件均保存為單獨的文件，將各個部件根據約束關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零部件尺寸、形狀，其發生的變化均會與整個裝配體相關聯，免去了重新進行裝配的繁瑣步驟。

2.2 CATIA建立BIM模型

CATIA一直定位于機械設計軟件，包含的機械專業相關模塊眾多，很少用于建筑行業，因此，并沒有類似于建筑行業專用軟件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：一個是“part”模塊中的零部件的設計，類似于Revit中族文件的建立；另一個是“product”模塊中裝配體的設計，即將零部件按照約束要求、位置關系裝配成設計要求模型。

本次BIM基坑支護模型即采用上述方式，根據設計尺寸要求先建立如“鉆孔灌注樁、格構柱、冠梁、圍檁”等眾多構件，繼而根據設計約束要求將這些單獨的構件進行空間位置關系的約束，從而形成完整的基坑支護模型。圖3為該基坑支護的3D模型與基坑平面圖。

圖3 基坑支護3D模型與基坑平面圖

2.3 BIM基坑支護模型

（1）三維可視化。相較于傳統的二維基坑支護設計方案，BIM基坑支護模型在保證原有設計要求的前提下，本著“所見即所得”的原則，將整個基坑支護體系直觀、立體的展示在設計方、施工方、業主方面前，并且對于基坑中一些復雜構件、樁梁配筋等問題，傳統的二維圖紙很難表示清楚，而BIM技術能夠很好地解決此類問題。圖4為冠梁配筋及格構柱與二維設計對比。

圖4 冠梁配筋及格構柱與二維設計對比

（2）基坑支護施工模擬?；又ёo工程現場場地狹小，各項施工交替進行，運用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，指導實際基坑工程施工。運用微軟Project軟件創建施工進度計劃，將該計劃導入Navisworks軟件中與計劃中的任務相關聯，結合動畫模擬施工（見圖5）。施工模擬順序遵循實際工況：攪拌樁→工程樁→降水井→格構柱→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 有限元計算分析

目前市面上鮮有BIM軟件用于巖土專業方向，能夠將BIM技術與有限元軟件相結合的接口程序亦不多見，并且目前常見的將模型文件轉化為通用數據格式導入相關有限元軟件的方法很容易造成模型特征的缺失，不利于進一步的分析工作。因此，本項目采用了同為Dassult旗下的兩款軟件CATIA與ABAQUS。運用CATIA建立BIM基坑支護模型，使用接口軟件“ABAQUS for CATIA”將BIM模型無損地導入有限元軟件ABAQUS中（見圖6），從而進行基坑支護結構的有限元分析，保證設計方案的安全性。

圖6 BIM模型導入ABAQUS

3.1 BIM模型處理

ABAQUS中對于材料參數、相互作用、接觸關系等問題十分敏感，某一步設置問題將直接影響程序的運行。并且，隨著模型的復雜程度的加大、節點的增多，ABAQUS對電腦的配置要求會變得很高，因此需要對模型進行適應性處理。

由于基坑長寬比比較大，且基坑在長度方向的土層分布近似，基坑中部兩側土體側向壓力較大，因此選取模型中對撐部分模擬計算基坑開挖穩定過程。同時，將鋼筋等效為同等強度混凝土，視鋼筋混凝土結構為整體。根據文獻[7，8]揭示規律：開挖面兩側取開挖深度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。因此選取模型計算范圍為：寬19 m，高為31.4 m，長為86 m。圖7為基坑支護有限元計算模型。

3.2 參數設置

本文結合該基坑工程的設計要求和施工工序，采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，各土層參數值見表1?；炷敛捎镁€彈性模型，彈性模量E=30 GPa，泊松比μ=0.2，樁土摩擦系數為0.4。

圖7 基坑支護有限元計算模型

表1 土層參數及力學指標

3.3 施工過程模擬

ABAQUS是通過分析步實現施工過程模擬的。根據基坑支護設計要求，結合實際工況確定考慮4個分析步。第一步：開挖土方至冠梁底標高下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計標高下0.5 m處澆筑圍檁、第二層支撐；第四步：繼續開挖至基坑底部。

3.4 計算結果及分析

選取灌注樁樁身水平位移進行分析（見圖8）。分析步一中，開挖第一層土，尚未設置第一道支撐構件，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構。樁身水平位移沿樁長向下呈減少趨勢，最大樁身位移發生在灌注樁頂部為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展，整體趨勢近似于線性分布。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展，有效地抵抗了樁身的側向變形。分析步四中，土體繼續開挖至基坑底部，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反彎點，樁身整體位移曲線呈現為S形，并最終趨于穩定值5.2 mm。對比實測數據與分析步四中的樁身水平位移曲線，兩者雖然在數值上有差別，但是整體趨勢卻比較相似，均近似于S形曲線，并且兩者樁身最大位移發生的位置基本相同，說明該計算模型基本正確。

圖8 灌注樁樁身水平位移

對比相關規范及基坑支護設計方案要求，樁身最大位移允許值為30 mm。本次基坑支護有限元模擬的樁身最大位移為5.7 mm，實際監測最大樁身位移為8.9 mm，均在允許值范圍內，驗證了基坑支護方案的安全性，也說明了本文模擬方法的具有可信性。

4 結語

本文依托上海某基坑工程，將BIM基坑支護模型運用接口軟件導入有限元軟件ABAQUS中，對該基坑支護結構進行有限元分析，對比實際監測數據與相關設計規范要求，不僅確保了該基坑的安全，更證明了將BIM技術結合有限元分析共同運用在基坑工程中，既發揮了BIM模型在三維可視化、施工模擬等方面的優勢，又能借助有限元軟件對基坑支護結構進行安全性分析，從而深化BIM技術在基坑工程中的運用，為實際基坑工程項目提供具有實用價值的參考。

[1]龔曉南.基坑工程實例[M].北京:中囯建筑工業出版社,2006.

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[7]黃傳勝,張家生.地鐵深基坑三維有限元模型尺寸效應分析[J].鐵道科學與工程學報,2011,7(2):59-63.

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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，一級建造師，主要從事市政基礎設施、軌道交通及地下基坑工程的建設和管理工作。