CN115577422A - 近运营地铁的不等深基坑群的bim正向设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近运营地铁的不等深基坑群的BIM正向设计方法，包括步骤：1、确定分仓数量及仓位布置，形成分仓方案；2、搭建各支撑构件的基坑群参数化族库；3、从基坑群参数化族库中选型支撑构件；4、建立不等深基坑群BIM正向设计模型并优化；5、不等深基坑群BIM正向设计模型进行有限元网格划分，对非几何属性赋值；6、将有限元分析模型与地质条件、地铁结构模型结合进行预测模拟，得到地铁结构的预测变化速率；7、在竖向支撑构件及首道水平支撑构件施工完毕后，进行小范围试验性开挖，并在开挖过程中监测地铁结构变形的变化速率。本发明能通过BIM正向设计提供近运营地铁的不等深基坑群的三维设计方法。

Description

近运营地铁的不等深基坑群的BIM正向设计方法

技术领域

本发明涉及深基坑的BIM正向设计方法，尤其涉及一种近运营地铁的不等深基坑群的BIM正向设计方法。

其中，BIM是Building Information Modeling的简称，是一种建筑信息模型，以三维图形为主、物件导向、建筑学有关的电脑辅助设计，可以帮助实现建筑信息的集成，从建筑的设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中，设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员可以基于BIM进行协同工作。

背景技术

随着城市轨道交通的高速发展，逐渐衍生出以公共交通为核心的TOD(transit-oriented development，即以公共交通为导向的开发)模式。随着城市化进度的加快，地铁沿线工程建设以及与地铁结建的项目越来越多。深基坑作为危险性较大的分部分项工程，在近运营地铁深基坑项目中，对基坑的变形控制要求极高。地铁站体及隧道区间过大的竖向、水平位移和差异沉降都会影响地铁的安全运行。特别是对于与地铁结建项目而言，地铁站体与隧道结构往往与基坑紧密相邻。基坑的稳定性直接影响运营地铁的安全，作为民生问题不容小觑。

现有技术的基坑群设计多为线性二维设计，针对近地铁基坑工程，二维设计的方式存在多方面的局限性。地铁基坑群的施工存在不可逆性，设计方案一旦实施难以中途更改。因此，基坑群的设计需要在实施前预估对地铁结构可能造成的变形影响，而二维图纸难以实现上述操作。一方面，二维设计难以直观体现设计效果，尤其在与地铁相邻、结建等部位，无法体现三维空间关系。同时，在一些近地铁的深基坑项目中，地铁两侧的基坑存在开挖深度不相等的现象，在二维设计中无法有效表现地铁两侧基坑不等深导致的潜在的地铁变形影响。另一方面，基坑群设计出现变更时，需要对各道支撑图纸进行逐一修改，工作量大，易出现遗漏、错误等问题，且每次变更难以辨识具体变更项，更无法统计变更工程量。

因此，需要提供一种新的BIM正向设计方法，针对近运营地铁的不等深基坑群的三维设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近运营地铁的不等深基坑群的BIM正向设计方法，能通过BIM正向设计提供近运营地铁的不等深基坑群的三维设计方法。

本发明是这样实现的：

一种近运营地铁的不等深基坑群的BIM正向设计方法，包括以下步骤：

步骤1：依据项目地下结构设计、与地铁结构的空间关系、工期要求因素，确定分仓数量及仓位布置，形成不等深基坑群的分仓方案；

步骤2：根据施工规范标准、设计要求、施工现场的地质条件，搭建项目基坑支护体系中各支撑构件的基坑群参数化族库；

步骤3：依据设计规范、设计要求从基坑群参数化族库中对不同的支撑构件进行选型；

步骤4：根据步骤3中支撑构件的选型结果，建立不等深基坑群BIM正向设计模型，并通过结构碰撞检测优化不等深基坑群BIM正向设计模型，导出设计方案计算书；

步骤5：将步骤4中建立的不等深基坑群BIM正向设计模型进行有限元网格划分，并依据工程水文地质条件对非几何属性进行赋值，实现有限元分析模型的参数化；

步骤6：将有限元分析模型与地质条件、地铁结构模型结合进行预测模拟，得到地铁结构的预测变化速率；若预测变化速率符合规范标准及地铁结构变形控制要求，则该不等深基坑群BIM正向设计模型的方案成立，执行步骤7；若预测变化速率不符合规范标准及地铁结构变形控制要求，则返回步骤3，重新选型支撑构件，对设计不等深基坑群BIM正向设计模型的方案重新优化和修正，直至不等深基坑群BIM正向设计模型的方案符合规范标准及地铁结构变形控制要求；

步骤7：在竖向支撑构件及首道水平支撑构件施工完毕后，进行小范围试验性开挖，并在开挖过程中监测地铁结构变形的变化速率，将实际测得的变化速率与预测变化速率进行对比；若实际测得的变化速率大于预测变化速率，则返回至步骤6，对不等深基坑群BIM正向设计模型进行反演优化；若实际测得的变化速率小于等于预测变化速率，则进行基坑群的正式施工。

所述的步骤2中，支撑构件包括地下连续墙、格构柱、换撑、环梁、角撑、搅拌桩、栈桥、支撑梁和支撑柱。

所述的步骤2中，参数化族的参数不仅包括支撑构件的几何属性参数，还包括支撑构件的荷载、材料和约束条件的非几何属性参数。

所述的步骤4中，主要利用结构碰撞检测手段对不等深基坑群的设计从三个方面进行优化：检查结构设计是否合理；检查机械摆放、出土路线、场布位置是否合理；将模型与时间挂钩，进行整个基坑阶段的施工模拟，检查工序安排是否合理。

所述的步骤6中，将水文地质条件、地铁结构、不等深基坑群三者的有限元分析模型结合到一起，通过减少基坑内代表土方的网格，模拟土方开挖过程中由于卸荷导致的基坑隆起变形，间接预测出由于地铁两侧不等的隆起值导致的地铁结构侧向位移，根据地铁结构侧向位移的变化情况得到预测变化速率。

所述的步骤6中，返回步骤3后，重新选择竖向支撑构件和水平支撑构件，利用BIM软件功能高亮每次支撑构件的变更部位，同时通过BIM软件自带的工程量统计功能直接导出每次变更的工程量。

所述的步骤7中，反演优化的方法是：通过有限元分析模拟推演某个基坑施工时的速率变化，通过该基坑试验性开挖过程中的实际变化速率与推演变化速率的差异，验算有限元分析模拟中地质条件及约束条件设置的不足之处，在该基坑施工过程中获得更准确的地质条件及约束条件，并用于为下一期基坑的预测模拟提供精准的数据支持，实现后续预测模拟数据的优化。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明由于利用BIM正向设计的方法，为近运营地铁的不等深基坑群设计提供了三维设计方式，有利于在基坑群施工前进行方案预演模拟，由于近地铁基坑群施工的不可逆性，极大地避免了潜在的威胁地铁安全的多种因素，有效防止了施工浪费。

2、本发明由于将不等深基坑群BIM正向设计模型与地铁结构模型结合，可有效地指示地铁结构与不等深基坑群结构的空间关系，尤其在地铁结建的项目中，运营地铁现有结构与基坑的围护结构紧密相邻，可有效指导现场施工，防止在施工过程中对运营地铁结构造成破坏。

3、本发明通过建立基坑群参数化族库，设计人员可直接从基坑群参数化族库中选取适合本项目的竖向支撑构件和水平支撑构件。同时，由于基坑群参数化族库具有参数化嵌套的特性，可重复使用于不同工程项目的基坑群设计中，且在设计变更中可通过调整构件参数或直接替换构件实现，高亮每次设计变更部位，导出每次变更的工程量，有效提高了设计效率，操作简单明了，大大方便了设计管理。

4、本发明通过BIM正向设计既提供了三维模型用于碰撞监测、表达空间关系等，因其包含建筑和工程的各类数据信息，也能够作为计算分析和模拟的重要依据；同时，BIM正向设计结合有限元分析模拟技术，在近运营地铁的结建项目中，针对不等深基坑群在施工前预测未来的地铁变形量，从而使施工单位能够提前准备针对性措施抑制变形，保障运营地铁的安全。

附图说明

图1是本发明近运营地铁的不等深基坑群的BIM正向设计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

请参见附图1，一种近运营地铁的不等深基坑群的BIM正向设计方法，包括以下步骤：

步骤1：依据项目地下结构设计、与地铁结构的空间关系、工期要求等因素，确定分仓数量及仓位布置，形成不等深基坑群的分仓方案。

在近地铁基坑项目中，基坑多采用分仓实施。依据工程实际，基坑红线要求，规划分仓数量和仓位布置。例如：在地铁车站的两侧形成2#坑和3#坑，在隧道区间的两侧形成4#坑和5#坑，在2#坑远离地铁车站的一侧形成1#坑，在5#坑远离隧道区间的一侧形成6#坑，形成不等深基坑群。

在地铁两侧结建时，分仓设计应采用“远大近小，远深近浅、小仓小挖、跳仓开挖”的设计理念，以最大程度的减少对运营地铁的影响，保证地铁安全运营的目的。

步骤2：根据施工规范标准、设计要求、施工现场的地质条件等，利用AutodeskRevit软件搭建项目基坑支护体系中各支撑构件的基坑群参数化族库。

根据规范标准、设计要求、水文地质条件等，使用Autodesk Revit软件绘制各支撑构件的参数化族，形成基坑群参数化族库。支撑构件包括地下连续墙、格构柱、换撑、环梁、角撑、搅拌桩、栈桥、支撑梁、支撑柱等，支撑构件的种类可根据实际施工需求确定。将多种类型的支撑构件模型汇总到基坑群参数化族库中，便于后续选型使用。

使用参数化族而非常规模型的目的在于：参数化族基于参数即变量建立，而非固定的数字。因此，通过简单的修改模型中的参数值即可建立新的模型，有效地提高了BIM正向设计的效率。此外，参数化族的参数不仅可以是支撑构件的几何属性参数，也可以是支撑构件的荷载、材料和约束条件等非几何属性参数。这些非几何属性参数在后续分析步骤中将作为重要依据。

步骤3：依据设计规范、设计要求从基坑群参数化族库中对不同的支撑构件进行选型，支撑构件分为竖向支撑构件(格构柱等)和水平支撑构件(环梁等)。设置各个支撑构件的荷载和约束条件，将不同支撑构件组成的支撑体系进行受力情况的对比，达到选型的目的，择优选择满足工程需求且与项目实际匹配度最高的竖向支撑构件和水平支撑构件。

步骤4：根据步骤3中支撑构件的选型结果，建立不等深基坑群BIM正向设计模型，并通过结构碰撞检测优化不等深基坑群BIM正向设计模型，导出设计方案计算书。

根据步骤3中支撑构件的选型结果，通过BIM设计软件建立不等深基坑群BIM正向设计模型。在步骤4中，主要利用结构碰撞检测手段对不等深基坑群的设计从三个方面进行优化。

一、检查结构设计是否合理。结构碰撞主要体现在支撑围护体系、主体和换撑之间的碰撞。例如格构柱硬碰撞、换撑体系碰撞、格构柱偏位、结构柱软碰撞等问题，结合支撑围护结构、主体以及换撑模型进行检查，分析结构不合理之处。

二、检查机械摆放、出土路线、场布位置是否合理。从机械间操作距离测量、到机械的覆盖范围是否足够、到车辆行进路线模拟。

三、将模型与时间挂钩，进行整个基坑阶段的施工模拟，检查工序安排是否合理。

上述三个方面的优化均可利用BIM软件自带功能实现，此处不再赘述，优化完成后导出设计方案计算书。

步骤5：将步骤4中建立的不等深基坑群BIM正向设计模型进行有限元网格划分，并依据工程水文地质条件，对荷载及约束条件等非几何属性进行赋值，实现有限元分析模型的参数化。

步骤4中建立的不等深基坑群BIM正向设计模型为几何模型，无法直接用于分析计算。需要将不等深基坑群BIM正向设计模型的几何模型转化为有限元模型，才能通过有限元分析软件进行分析。优选的，有限元分析软件可采用Midas GTS NX。

将不等深基坑群BIM正向设计模型导入Midas GTS NX中，除了步骤2中的几何属性参数以外，对荷载、材料和约束条件等非几何属性参数进行赋值，实现有限元分析模型的参数化。

因此，若希望将不等深基坑群正向设计的功能从几何设计拓展至分析模拟，则必须将参数化族库的参数范围从几何属性参数扩大至非几何属性参数，从而使有限元模型能够随实际变化而产生变化，实现有限元分析模型的参数化。其中，“使有限元模型能够随实际变化而产生变化”具体表现为模拟基坑内土方开挖过程中卸荷所导致的结构变形。

步骤6：将有限元分析模型与地质条件、地铁结构模型(包括地铁车站模型和隧道区间模型)结合进行预测模拟，得到地铁结构的预测变化速率；若预测变化速率符合规范标准及地铁结构变形控制要求，则该不等深基坑群BIM正向设计模型的方案成立，执行步骤7；若预测变化速率不符合规范标准及地铁结构变形控制要求，则返回步骤3，重新选型支撑构件，对设计不等深基坑群BIM正向设计模型的方案重新优化和修正，直至不等深基坑群BIM正向设计模型的方案符合规范标准及地铁结构变形控制要求。

但受限于地下环境的复杂性，通过有限元分析模型所得到的预测模拟结果仍然存在一定误差。为缩小由于数据掌握不充分而产生的误差，可在后续步骤中采用反演优化过程，利用试验性开挖或往期开挖所得数据不断矫正地质条件及约束条件，从而提高预测模拟的数据精度。

将水文地质条件、地铁结构、不等深基坑群三者的有限元分析模型结合到一起。通过减少基坑内代表土方的网格，从而模拟土方开挖过程中由于卸荷导致的基坑隆起变形。间接预测出由于地铁两侧不等的隆起值导致的地铁结构侧向位移，根据地铁结构侧向位移的变化情况得到预测变化速率。预测变化速率为关键数据，将该预测变化速率与规范要求的上限值进行对比，针对性采取设计优化措施，施工单位可根据该地铁结构侧向位移在施工前和施工过程中采取针对性措施抑制该类变形。

返回步骤3后，重新选择竖向支撑构件和水平支撑构件，利用BIM软件功能可高亮每次设计变更部位，简单明了，同时通过BIM软件自带的工程量统计功能，可直接导出每次变更的工程量，大大方便了设计管理。

步骤7：在竖向支撑构件及首道水平支撑构件施工完毕后，进行小范围试验性开挖，并在开挖过程中监测地铁结构变形的变化速率，将实际测得的变化速率与预测变化速率进行对比；若变化速率超出预期，即实际测得的变化速率大于预测变化速率，则返回至步骤6，对不等深基坑群BIM正向设计模型进行反演优化；若实际测得的变化速率小于等于预测变化速率，则可根据设计要求进行基坑群的正式施工。

在围护结构及首道撑施工完毕后，可进性小范围试验性开挖，试验性开挖的范围可根据实际工程情况确定。在试验性开挖的过程中实时监测地铁结构的变形速率，并将其与步骤6中预测变化速率进行对比，若实际测得的变化速率超出预期的预测变化速率，应暂缓开挖，并对不等深基坑群BIM正向设计模型进行反演优化，即调整模拟数据，重新进行模拟。

由于基坑群多采用分仓分期施工，可逐步逐期进行各个基坑的反演优化。

每一期基坑开挖时产生的数据能够为下一期基坑的土方开挖提供更精确的数据支撑。例如，通过有限元分析模拟推演1#坑施工时的速率变化，但受限于地下环境的复杂性，有限元分析模拟的地质条件及约束条件与实际情况不可避免的存在一定误差。通过1#坑试验性开挖过程中的实际变化速率与推演变化速率的差异，验算有限元分析模拟中地质条件及约束条件设置的不足之处，该过程即为反演过程。从而在每期施工过程中获得更准确的地质条件及约束条件，并用于为下一期基坑的预测模拟提供更为精准的数据支持，实现后续预测模拟数据的优化。以此类推，提高模拟预测的精度。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种近运营地铁的不等深基坑群的BIM正向设计方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：依据项目地下结构设计、与地铁结构的空间关系、工期要求因素，确定分仓数量及仓位布置，形成不等深基坑群的分仓方案；

步骤2：根据施工规范标准、设计要求、施工现场的地质条件，搭建项目基坑支护体系中各支撑构件的基坑群参数化族库；

步骤3：依据设计规范、设计要求从基坑群参数化族库中对不同的支撑构件进行选型；

步骤4：根据步骤3中支撑构件的选型结果，建立不等深基坑群BIM正向设计模型，并通过结构碰撞检测优化不等深基坑群BIM正向设计模型，导出设计方案计算书；

步骤5：将步骤4中建立的不等深基坑群BIM正向设计模型进行有限元网格划分，并依据工程水文地质条件对非几何属性进行赋值，实现有限元分析模型的参数化；

步骤6：将有限元分析模型与地质条件、地铁结构模型结合进行预测模拟，得到地铁结构的预测变化速率；若预测变化速率符合规范标准及地铁结构变形控制要求，则该不等深基坑群BIM正向设计模型的方案成立，执行步骤7；若预测变化速率不符合规范标准及地铁结构变形控制要求，则返回步骤3，重新选型支撑构件，对设计不等深基坑群BIM正向设计模型的方案重新优化和修正，直至不等深基坑群BIM正向设计模型的方案符合规范标准及地铁结构变形控制要求；

步骤7：在竖向支撑构件及首道水平支撑构件施工完毕后，进行小范围试验性开挖，并在开挖过程中监测地铁结构变形的变化速率，将实际测得的变化速率与预测变化速率进行对比；若实际测得的变化速率大于预测变化速率，则返回至步骤6，对不等深基坑群BIM正向设计模型进行反演优化；若实际测得的变化速率小于等于预测变化速率，则进行基坑群的正式施工。

2.根据权利要求1所述的近运营地铁的不等深基坑群的BIM正向设计方法，其特征是：所述的步骤2中，支撑构件包括地下连续墙、格构柱、换撑、环梁、角撑、搅拌桩、栈桥、支撑梁和支撑柱。

3.根据权利要求1所述的近运营地铁的不等深基坑群的BIM正向设计方法，其特征是：所述的步骤2中，参数化族的参数不仅包括支撑构件的几何属性参数，还包括支撑构件的荷载、材料和约束条件的非几何属性参数。

4.根据权利要求1所述的近运营地铁的不等深基坑群的BIM正向设计方法，其特征是：所述的步骤4中，主要利用结构碰撞检测手段对不等深基坑群的设计从三个方面进行优化：检查结构设计是否合理；检查机械摆放、出土路线、场布位置是否合理；将模型与时间挂钩，进行整个基坑阶段的施工模拟，检查工序安排是否合理。

5.根据权利要求1所述的近运营地铁的不等深基坑群的BIM正向设计方法，其特征是：所述的步骤6中，将水文地质条件、地铁结构、不等深基坑群三者的有限元分析模型结合到一起，通过减少基坑内代表土方的网格，模拟土方开挖过程中由于卸荷导致的基坑隆起变形，间接预测出由于地铁两侧不等的隆起值导致的地铁结构侧向位移，根据地铁结构侧向位移的变化情况得到预测变化速率。

6.根据权利要求1所述的近运营地铁的不等深基坑群的BIM正向设计方法，其特征是：所述的步骤6中，返回步骤3后，重新选择竖向支撑构件和水平支撑构件，利用BIM软件功能高亮每次支撑构件的变更部位，同时通过BIM软件自带的工程量统计功能直接导出每次变更的工程量。

7.根据权利要求1所述的近运营地铁的不等深基坑群的BIM正向设计方法，其特征是：所述的步骤7中，反演优化的方法是：通过有限元分析模拟推演某个基坑施工时的速率变化，通过该基坑试验性开挖过程中的实际变化速率与推演变化速率的差异，验算有限元分析模拟中地质条件及约束条件设置的不足之处，在该基坑施工过程中获得更准确的地质条件及约束条件，并用于为下一期基坑的预测模拟提供精准的数据支持，实现后续预测模拟数据的优化。

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