基于BIM技术与有限元分析在深基坑工程设 计中的研究

来源: 未知 作者:paper 发布时间: 2020-04-20 19:20
论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:土木工程
第1章绪论 1.1研究背景 近年来,随着我国城市化进程的不断加快,对城市地下空间的使用也在逐年 增加,城市化建设正在朝着纵、深方向发展,超高层建筑与地下轨道交通项目成 为我
第1章绪论
1.1研究背景
近年来,随着我国城市化进程的不断加快,对城市地下空间的使用也在逐年 增加,城市化建设正在朝着纵、深方向发展,超高层建筑与地下轨道交通项目成 为我国建筑行业的主流,随之而来的是许多开挖深度超过20m的深基坑工程不断 涌现,并且数量还在继续增加,规模逐步扩大,周边环境日渐复杂,给深基坑工 程的设计及施工带来巨大挑战。因此,如何进行合理的深基坑工程设计,提高工 程质量及安全性,降低对周边环境的影响已成为值得关注的难点问题。
目前,国内深基坑工程多位于建筑林立的城市中心,邻近地铁、文物建筑以 及各种地下管线。可以概括为“近、深、大、紧"四个特点,即距防护对象近、基坑 深度深、基坑范围大、施工场地紧凑。深基坑工程既具有结构工程的一般性,又 具有独特性,属于临时性隐蔽工程,同时具有较高的技术性要求,一旦出现事故 将对基坑本身及周边环境造成不可挽回的危害。目前传统的设计方法已不能满足 深基坑工程日益复杂的设计要求,一方面,地下空间具有复杂性、隐蔽性、不可 预见性,而传统的技术手段绘制的二维设计图纸只是几何线条的组合,并不能清 晰准确的表达隐藏的位置关系,且各个构件间无关联性,用于现场施工的指导性 差。另一方面,整个深基坑支护工程是一个动态的过程,而传统的技术手段中设 计、施工、监测三方无关联性,难以预测事故发生或处理事后工作。这意味着深 基坑支护的设计思路应向可视化、信息化、协调性方向迈进,而BIM技术的出现 恰好解决了这一问题。
2017年2月,国务院在颁布的《关于促进建筑业持续健康发展的意见》中提 到,“加快推进建筑信息模型(BIM)技术在规划、勘察、设计、施工、运营维护 全过程的集成应用二简而言之,BIM技术就是将建筑模型构件数字化,将模型作 为信息载体进行收集、管理、交换。从前期勘察到设计、施工、运维,在工程项 目的全生命周期中发挥其相应的作用⑴。自BIM技术兴起以来,在建筑领域的应 用已经较为成熟,但在基坑中的应用较少,而深基坑工程的复杂性不低于上部结 构,将BIM技术应用到深基坑工程特别是深大且复杂的基坑工程中可以解决工程 实际问题,具体表现在以下几个方面:
(1)传统技术手段的输出图纸为二维平面图纸,需要绘制平面图、剖面图、 节点图及工程量统计表等,绘图工作量大而且容易出现差错,且各个图纸间相互 独立,没有关联性。BIM技术的出现,实现了在设计技术表达上从二维平面向三
维动态的变革,工作人员可依据需要绘制3D模型所需的图形,图纸中各个图形相 互关联,在更改校核深基坑模型的过程中,与之对应的图形、数据就会随之更改, 使各专业之间具有关联性和协同性,实现了全专业的无障碍交流与资源共享。
(2)深基坑工程属于隐蔽性工程,特别是位于城市中心的深基坑工程,具有 临近地铁或高层建筑、管线复杂交错、支护空间狭小等特点。针对这一特点,利 用BIM三维基坑模型进行碰撞检查、方案校核和节点优化。比如在桩锚支护中, BIM技术可在地理位置特殊、地质条件复杂的环境中确定锚索的施工位置并保证 安全,其精细化的设计不仅确保了设计的准确性,而且提高了施工质量。
(3)深基坑工程具有复杂性,其区别于其他建筑工程的最大特点在于土方开 挖施工,如坡道设计、出入口位置、开挖顺序等都可能影响施工质量。另外,城 市中的深基坑工程四周多为高层建筑,施工用地较小,为现场施工带来诸多不便。 利用BIM对施工现场进行1: 1还原,使对施工过程的模拟更准确、直观,在保证 工期的同时确保现场的安全。还可以通过BIM技术对现场的物料进行跟踪,缓解 现今日益增加的管理压力⑵。
然而,目前国内BIM技术在基坑上的应用尚且停留在节点优化、碰撞检查、 施工模拟等阶段,对于支护结构的力学分析还不成熟,故需要利用数值模拟进行 基坑安全性验证分析。在工程分析中,现在常用的数值分析方法有三种,即边界 元法、有限差分法和有限元法。其中,有限元法其适用性更强,效率更高,有更 广泛的应用。如今国内广泛使用的有限元软件有MIDAS、ANSYS、ABAQUS、 PLAXIS、HYPERMESH等。有限元的计算原理就是将复杂问题简单化,将整个求 解域分解为若干个小求解单元,假定每个小单元都有一个近似解,最后推导得出 一个总的近似解。目前,有限元分析已经成为解决工程实际问题的关键技术手段。 通过对基坑进行有限元数值模拟分析,能较准确的验证深基坑支护设计的安全性, 进而提高深基坑支护设计方案的可靠度。
综上所述,基于当前国家政策对于信息化的要求、以及深基坑工程的复杂性 和传统深基坑支护设计技术的缺陷,建立有效解决方案和全新技术体系,将BIM 三维基坑模型与有限元分析结合设计更具有应用价值。
1.2国内外研究现状
1.2.1BIM技术国内外研究现状
1.2.1.1BIM技术国外研究现状
2002年Autodesk公司提出了 BIM技术的概念,将BIM技术从一个理论概念 转变为解决实际问题的数字化工具。目前,BIM技术已拓展到英、日、韩、新加 坡等各个国家。在国外,BIM技术不仅应用于建筑生命周期的所有阶段,并且正 在逐步代替工程项目传统的设计、建造、运营和管理模式。
Kyungki Kim等(2015)⑶设计了一套分析临时建筑物几何条件如楼梯塔、脚 手架对安全影响的算法。这些算法被嵌入到一个商业化的BIM平台中,对临时楼 梯塔的优化位置和形状以及相关的潜在安全隐患进行了识别和可视化;
Banfi, Fabrizio等(2017)⑷提出了一种基于精确的三维摄影测量和激光扫描 测量的、具有多层次(混合和反向)细节的复杂参数构建BIM信息模型的处理和 创建方法。使用特定的交换格式和新的建模工具,将复杂的3D元素转换成参数化 的BIM软件和有限元应用程序;
Univ Houston等(2018)⑸开发了一种基于BIM的决策支持系统,该系统为 临时结构提供了考虑其成本和持续时间的安全方案。以脚手架为重点,自动生成 多个脚手架方案,并对其安全性、成本和工期进行定量评估;
Zou, Yang、Kiviniemi等(2019)⑹通过将桥梁项目的风险分解结构(RBS) 整合为3/4D BIM,并建立风险数据与BIM之间的联系,提出了一种风险可视化和 信息管理的新方法。
1.2.1.2BIM技术国内研究现状
近年来,BIM技术引进我国建筑行业并到了界内充分认可。并在近些年为建 筑业带来了极大的效益,在一部分专业领域逐渐成熟,并取得了一定的成果,但 在基坑方面的应用还在探索阶段。
在建筑结构设计方面,BIM技术已经能够应用于实际工程并取得良好成果, 2010年BIM技术应用于珠海歌剧院,利用BIM技术可以达到布置参数化座椅、 分析视线的目的,可以充分了解剧院中每个座椅的视线效果,并进行合理、快速 的调整;2014年BIM技术应用于广州东塔,MagiCAD和GBIMS等BIM产品的 施工管理系统的应用取得了良好的效果,实现了技术创新和管理水平的提高。2015 年BIM技术被应用于国家会展中心,解决了施工时可能产生的问题,极大地提高 了生产效率。
在基坑方面:
杨继波(2016)⑺进行了 FLAC3D软件的二次开发,对桩锚支护体系的安全 稳定性进行了验算,利用BIM技术对施工模拟和进度管理进行研究并提出了一套 三维深基坑工程设计和施工模拟系统;
贾善涛等(2016)⑹以实际工程为例,通过大量研究分析,并整合大量资料后, 提出了一套深基坑工程的进度管理系统,建立了深基坑工程组织框架;
唐克(2017)⑼以某工程为例,运用接口软件将BIM基坑模型导入有限元软 件ABAQUS中,在发挥BIM可视化优势的同时又对基坑进行了有限元分析;
高国庆(2018) a】通过不断的研究总结出如何快速进行基坑建模的方法,并 针对如何快速布置钢筋给出解决办法。针对族构件,制定了一种详细划分组件的 命名方法,为信息交换提供了一个标准;
刘星,顾国明(2018) Hi】研发了一种基于BIM技术的基坑微变形监测系统, 能够快速查看支护体系下钢支撑的位置关系、运行状态及监测数据。
1.2.2有限元国内外研究现状
1.2.1.2有限元国外研究现状
Jingde Liu (2016)〔⑵利用硬化土模型对基坑开挖引起的环境变形进行了数值 分析。仿真结果表明,该基坑支护结构及周围环境可以满足变形控制的要求。该 基坑工程的支护结构设计可以确保工程本身以及周围建筑物的安全性;
Jie Zhang (2018)等研究了基坑开挖过程中管道变形的变化规律。研究了 管道参数、基坑参数、土壤参数和地下连续墙对管道应力、应变和变形的影响。 这些结果可用于管道铺设、施工、维护和安全评估;
ShiweiHou (2018)等基于强度折减法,对地铁基坑变形过程进行了预测, 并对稳定性参数进行了分析。分析参数包括土体的沉降位移,地下连续墙的侧向 位移和安全系数。模拟了基坑的动态施工过程,并对深基坑的施工过程进行了分 析;
Yuan Mei (2019)等对西安地铁的io个露天开挖站进行了现场测量数据的 统计分析。确定了湿陷性黄土深基坑施工期间的时空变形,这些结果可为黄土地 区类似工程的设计和施工提供参考,并可预测和评价类似工程的变形量和安全性, 对于进一步了解黄土地区深基坑的变形机理具有重要意义。
第2章深基坑工程设计关键技术分析
深基坑工程是保护主体结构施工、保证地下结构安全、对基坑周边建筑物及 地下管线进行实时监测而采取的支护、加固、控制地下水的总称。现如今涌现出 越来越多基坑开挖深度可达20m的超高层和地铁深基坑,不仅周边环境复杂,而 且工序杂多,施工风险性大。相比环境简单、深度较浅的基坑,此类基坑不可预 见因素相对较多、质量安全难以把控、施工成本较高,本章重点针对此类深基坑 工程的设计作简要分析。
第3章BIM和MIDAS在深基坑工程中设计及优化
3.1 BIM和MIDAS设计及优化流程
基于BIM和MIDAS深基坑支护结构设计及优化流程分为四个步骤,具体流 程如下:
(1)三维信息模型创建:根据支护设计方案,利用Revit创建三维基坑信息 模型,确定自定义深基坑支护结构参数化”族”的方法,为深基坑支护三维可视化优 化及后期三维有限元受力变形分析提供依据;
(2)基坑模型可视化优化:利用Revit三维可视化对基坑模型进行合理性校 核及优化,检查支护结构与周边建筑物(构筑物)、市政设施之间的碰撞,并利 用Naviswork软件对锚索、土钉之间进行碰撞检查,对产生碰撞的支护结构进行合 理性优化;
(3)三维模型转换:利用模型转换方法将深基坑三维信息模型转换为三维有 限元模型,转换后的有限元模型是一个整体的网格组,还需进一步进行模型的完 善,包括土体网格划分、基本假定、模型选取、边界约束及荷载设定等工作;
(4)支护结构受力分析:在MIDAS GTS NX中进行三维有限元受力及变形 分析,包括以下两个方面:1)对支护结构的受力安全进行校核,包括检查支护结 构是否出现受力或变形不满足的情况,如出现结构安全问题则对支护结构进行优 化,保证深基坑设计的安全性;2)在保证支护结构安全的情况下,分析其受力特 点,包括其最大变形处的位置和变形量,总结支护结构的变形规律,检验BIM模 型优化结果是否满足规范要求,验证BIM技术优化的合理性。
基于BIM和MIDAS深基坑支护设计流程如图3-1所示:

第4章 长春某深基坑工程BIM技术应用分析
4.1工程背景
4.1.1项目概况
本工程为长春市某超高层建筑深基坑工程,总用地面积12003m2,拟建两栋约 200m高的AB双塔,A塔拟地下4层、地上44层(199.9m),筒体剪力墙结构, 定位写字楼、企业会所,以办公接待功能为主;B塔拟地下4层、地上49层 (196.45m),剪力墙结构,定位商务居住公寓,总建筑面积184166m2o基坑场地 平面布置图如图4・1所示。

第5章 基于MIDAS对BIM模型进行有限元分析
如今,越来越多的城市深基坑工程广泛出现在人们的生产生活当中,除了基 坑支护结构本身的合理性以外,深基坑工程的支护结构安全性以及是否会对周边 环境产生威胁也是人们关注的重点。
深基坑工程的开挖与支护是一个动态过程,随着基坑的不断开挖,基坑荷载、 土层参数、周边环境等各种参数都在不断变化㈣。根据本文第二章分析可知,传 统深基坑工程的设计采用二维设计,常用软件是理正深基坑,其计算理论是弹性 法。弹性法对支护结构位移的模拟是通过先对支护体系的变形进行计算后进行模 拟,这种方法忽略了基坑开挖过程中土体变形对周边环境的影响,因此利用弹性 法进行计算时所得到的结果往往与实际变形有较大差距。而有限元法恰好可以弥 补这个缺陷,实践证明有限元法得到的分析结果与实际结果更为吻合。经过对比 分析最终决定采用MIDAS GTS NX软件进行有限元分析,本软件是专门为岩土工 程方向所开发设计的程序。利用MIDAS GTS NX可以实现快速建立模型,自动划 分为网格,获取更加专业有效地分析结果,在本工程领域中有较为广泛的应用[绚。
本文接下来将以第四章的长春某深基坑工程为例,依据第三章Revit模型转入 MIDAS GTS NX软件中的方法,将利用Revit优化后的三维基坑模型导入MIDAS GTS NX中进行有限元模拟分析。
第6章结论与展望
6.1结论
在阅读大量国内外文献的基础上,本文对BIM技术的优势及应用做了系统性 研究,针对当前深基坑工程的特点及基坑支护设计的弊端,探讨了 BIM技术在深 基坑设计中应用的关键要点和关键软件,提出基于BIM技术与有限元分析软件对 基坑支护的设计及优化。在国内外BIM基坑模型转换到结构分析模型的方法和结 论的基础上,通过分析Revit软件和MIDAS GTS NX软件各自模型文件的信息描 述方式,提出了将BIM三维基坑模型转换到有限元分析模型的方法。以长春某深 基坑工程为例,验证了 BIM技术结合有限元分析用于基坑支护设计的优势以及模 型导入方法的合理性和适用性,得出如下结论:
(1)通过分析,BIM技术能够解决传统2D设计不能全面表达支护体系的缺 点,本文将BIM技术与有限元结合进行设计,能够达到基坑整体设计效果,保证 深基坑设计的安全;
(2)利用BIM平台中的Revit建立三维基坑模型,并通过模型转换最终生成 MIDAS GTS NX支持的MIDAS MXT文件,解决了三维模型在Revit与MIDAS GTS NX之间的转换问题,消除了深基坑建模与受力分析之间的障碍;
(3)利用BIM技术的可视化,解决了深基坑工程在设计中的空间碰撞问题, 如既有建筑物、市政管线与支护结构(土钉、锚索)的冲突问题,建立BIM三维 基坑模型对支护体系设计进行了优化;
(4)利用Naviswork进行锚索碰撞检查,定量分析,可发现基坑支护设计产 生的有效碰撞,通过调整发生碰撞锚索的倾斜角度与排距,能有效降低碰撞次数, 达到了深基坑设计优化的目的,保证设计安全;
(5)有限元模拟结果与实际监测数据对比可知,两者整体变化趋势一致,模 拟计算结果略大于监测结果,但是误差均在可控制范围内,且两者数据均小于基 坑监测报警值,证明了基于BIM技术的设计优化和有限元数值模拟分析的合理性;
(6)结合工程实际案例分析,证明了 BIM技术及有限元分析共同应用于深基 坑工程设计中可行性,同时也验证了本文提出的BIM三维基坑息模型到三维有限 元分析的方法的合理性,为BIM技术在深基坑工程设计中的提供新的技术手段。