第 1 章 绪论
1.1 研究背景
改革开放以来，我国城市化及经济建设快速发展,据有关部门预测到 2020 年我国城镇化率将会达到 60%，到 2050 年左右达到 75%，达到发达国家水平。城镇化的加速发展带来很多突出问题，人口密度大、交通严重拥堵、环境破坏严重等，尤其导致城市建筑规模越来越大，土地资源日益紧缺。为了充分利用有限空间节约用地，发展高层建筑、城市轨道交通、地下空间建筑成为必然的趋势。而这些工程的建设都必须对地下空间进行开挖，而且开挖的深度与范围逐渐增大[1],于是与基坑工程这门学科息息相关。基坑工程是具有时代特点且古老的岩土工程课题，是为了保证基坑施工、主体地下工程的安全及周边环境不受损害而采取的临时或者永久的支护结构。随基坑开挖深度的增加，需要的支护技术要求越高，因为基坑的开挖势必会对周边环境造成不利影响，如支护结构容易与周边建筑地基、市政管线发生冲突，开挖过程中引起周边地表位移沉降等，这就对基坑工程设计理念与施工技术提出更为严峻的考验。在基坑工程设计中，如果支护结构设计方案、参数选择不合理可能导致基坑失稳破坏或给周边建筑带来灾难性毁坏，给国家和人民造成巨大的损失。故优选出最佳的基坑支护方案，尽可能避免基坑在开挖过程中造成周边环境破坏，提高深基坑的质量成为重中之重。深基坑工程易受岩土地质条件、施工区域周边环境、施工工艺、天气情况等众多因素的制约，传统的二维基坑支护设计方式面临很多的不足，如信息表达繁杂、协同设计困难、设计效率不高、数据传输不完整等。设计师通过基坑设计软件对基坑进行计算分析，把输出的结果通过二维平面图纸表现出来，这样有一个弊端，会使设计信息在各种复杂的二维平面、立面、剖面之间相互矛盾，容易发生支护结构自身或与周边建筑地基等出现空间上的冲突，因此选择合适的方法来避免该冲突尤为重要，BIM 技术在这种环境下应用而生，实现了从二维到三维设计的改革，能够有效提高基坑设计效率，降低设计差错率。此外，深基坑在施工过程中支护结构及土体的变形存在不确定性，因此对设计方案进行分步开挖数值模拟成为保证基坑工程质量安全的重要一环。本文将结合具体工程，利用 BIM 技术对深基坑原支护方案进行优化，运用数值分析方法验证优化方案的可行性。
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1.2 基坑工程的特点及存在问题
深基坑工程是一个综合性很强的岩土工程问题，在其开挖支护的过程中既要保证基坑正常安全作业，又要防止支护结构及坑外土体有过大的位移，保证基坑周围建筑物、道路、市政管线等不被破坏，且在最短的时间内花费最少的经济代价来实现基坑开挖支护。下面总结一下基坑工程主要存在的几个特点[2-3]：不同地域的深基坑由于土体性质不同而存在差异性，相同区域的不同部位它们的土层分布、水文地质等也会有区别。然而在进行地质勘察的时候只是选择性的对场地的某些区域进行勘察，用其代表整个岩土层的情况，这样做会给基坑设计及开挖过程带来许多突发情况，同时还会对预测基坑变形带来不利影响。所以针对不同的基坑工程项目，都不能凭借经验取值来对基坑进行设计分析，得具体情况具体考虑。基坑工程易受当地地质条件影响，进行设计或施工时必须考虑基坑周边环境，如已建建筑物、道路、市政管道等。基坑工程在进行开挖施工的时势必会导致基坑侧壁水平位移及周边地表发生沉降，如果支护结构设计不合理会对周边建筑、道路等造成影响威胁人们的生命财产。所以要充分考虑周边环境复杂程度来对基坑进行等级划分及变形控制标准制定。
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第 2 章 某商业中心深基坑原初始支护设计方案
2.1 工程概况
本工程是某房地产开发有限公司开发的集停车、餐饮、商业为一体的商业中心，本项目共地下三层，地下一层及地下二层为商铺，地下三层为车库，地面出入口、疏散口及风亭考虑与广场景观绿化结合设置，尽量避免对广场空间的破坏。建筑总面积 40083m2（含地上部分 525 m2），地下一层层高为 5.3m，建筑面积为12263 m2；地下二层层高为 5.3m，建筑面积为 12532 m2；地下三层层高为 3.35m，建筑面积为 14763 m2，地下一层及地下二层靠贺龙体育馆区域局部设置下沉庭院，地下二层与地铁侯家塘站站厅层连接，地下三层设人防。±0.0m 相当于绝对标高61.128m，基底标高 45.15m，基坑深 15.65m。根据岩土工程勘察报告书，场地地下水类型主要为潜水，局部地段存在上层滞水。上层滞水主要赋存于人工填土①层中，分布不均匀，受大气降水和地表水补给，水量、水位均随季节而变化较大，未形成连续稳定水面，部分钻孔揭露该层地下水。勘察期间，测得钻孔的上层滞水初见水位埋深为 3.40～6.80m，相当于标高 54.05～59.03m；测得上层滞水稳定水位埋深为 3.16～6.56m，相当于标高54.32～59.67m。潜水主要赋存于第四系中粗砂④、圆砾⑤层中，赋存水量较丰富，水位随季节而变化，部分钻孔揭露该层地下水。地下水流向大致为北西向。位于场地北北西距离约 570m 的北沙古井，为该层地下水的排泄点。勘察期间，测得场地内钻孔的潜水初见水位埋深为 4.90～9.00m，相当于标高 51.80～55.95m；测得潜水稳定水位埋深为 4.90～8.79m，相当于标高 52.01～55.95m。
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2.2 基坑原初始支护形式及主要设计参数
本工程采用排桩加预应力锚索支护形式，根据场地周边环境不同，分别采用Ф1000@1600 旋挖桩加预应力锚索以及 Ф1000@1800 旋挖桩加预应力锚索支护。锚索水平间距即为桩间距，竖向一般设置 4 道锚索，锚索竖向距离一般为 3m；桩间设置止水帷幕，桩顶设置 1000x800mm 混凝土冠梁，锚索腰梁采用双拼工 20a型钢，现给出基坑 CD、DP 段支护结构初始设计参数：（1）排桩该段支护桩桩径 1000mm，桩间距 1600mm，桩长 17.85m，嵌固深度 4m，混凝土强度等级 C30，保护层厚度 50mm，桩间挂 Ф8@200x200 钢筋网，喷射 80 厚C25 混凝土面层，桩间设 Ф50@1600x3000PVC 泄水孔。桩通长纵筋采用 22C22，加劲箍采用 C20@2000，螺旋箍采用 A10@150（2）冠梁冠梁宽 1000mm，高 800mm，纵向采用 2C20，横向采用 3C18，纵向箍筋A10@400，横向箍筋 A10@200。（3）预应力锚索设计参数如表 2-1,表中没有提及的参数详见图 2-2CD 段支护剖面图、图 3-3DP 段支护剖面图。
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第 3 章 基于 BIM 技术的桩锚支护结构体系的优化设计 ........16
3.1 建立基坑桩锚支护结构的 BIM 模型 ............16
3.2 基坑支护结构中阳角锚索冲突检查.....21
3.3 阳角锚索碰撞处的优化设计 .......33
3.3.1 初始设计方案调整 ......33
3.3.2 施工控制 ............35
第 4 章 基坑支护结构模型的优化方案在理正软件中的分析与应用.........37
4.1 场地土层物理力学性质指标 .......37
4.2 设计条件参数............38
4.3 优化方案中锚索的设计参数 .......38
4.4 基坑 CD、DP 段施工工况及结构体系变形计算 ............40
4.5 支护结构稳定性分析 .........46
4.6 本章小结 ..........48
第 5 章 基坑桩锚支护结构的有限元分析......49
5.1 有限元方法概述 ........49
5.2 优化方案有限元模型建立（模型 A） ..........50
5.3 基坑开挖桩锚支护结构的变形分析（模型 A） ....55
5.4 优化方案与初始方案数值模拟结果对比分析 .......63
5.5 优化方案数值模拟结果与实测数据对比分析 .......64
5.6 本章小结 ..........68
第 5 章 基坑桩锚支护结构的有限元分析
5.1 有限元方法概述
基坑工程的开挖与支护是一个动态过程，随开挖深度的增加，基坑荷载、土层参数、周边环境等各种参数都在不断变化，在第四章用弹性地基梁法对 BIM 技术优化方案做了计算分析，弹性法采用弹簧弹力来模拟土的侧压力、锚杆或支撑的支点力，用弹簧的变形来模拟支护结构的位移，这种方法是将支撑与变形分开来进行计算，没有考虑基坑开挖对周边土体及环境造成的影响，所以弹性法与实际工程情况有较大偏差[40]。有限元方法可以根据实际数据，对设计情况进行实时更新，可以预测当前工况下基坑的内力及变形，还可以对下一步工况基坑的变形进行预测分析，其基本原理是将一个相互联系的结构体系离散化，将求解域看成是由许多成为有限元的小的互连子域组成有限个单元体，在单元体上设置节点，并建立相对应的刚度方程以求的整体结构的刚度矩阵，从而解出各单元节点的节点位移。在本章节将对优化前后的基坑 CD 段剖面开挖全过程进行数值模拟，得到比较符合工程实际情况的土层压力与围护结构的相互作用，模拟较为准确的土体变形情况，将两者的模拟结果进行比对，来进一步验证前述章节所优化方案的可行性，以保证优化方案的准确性来提高施工过程的安全性。
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结论
本文针对长沙贺龙城市生活广场深基坑工程的支护结构体系，采用 Revit 软件建立桩锚支护结构的 BIM 模型， 利用 Nsviswork 软件对该模型进行碰撞检查，针对出现的问题，对桩锚支护结构进行优化设计。在此基础上，利用理正深基坑软件对优化后的方案进行锚索轴力设计值、配筋、锚索自由端及锚固段长度的计算及稳定性验算，最后采用 Plaxis 软件对经过优化设计后的深基坑支护结构体系的稳定性问题进行有限元分析，并将优化方案的模拟计算结果与原初始设计方案模拟结果及工程实际监测数据进行比对，所得结论如下：
（1）利用 BIM 技术，调整发生碰撞锚索的倾斜角度与排距，能有效降低阳角处两侧锚索碰撞风险，大幅度减少锚索碰撞次数。并且，可以合理安排锚索施工顺序，先施工 QE、DP、BC 段锚索，再施工与之相邻的 PQ、CD 段。在此基础上，能够有效解决存在碰撞问题的预留锚索，可为类似工程提供施工经验。
（2）利用理正深基坑软件对优化后方案的锚索轴力设计值、配筋、锚索自由端及锚固段长度进行再设计，并结合工程场地的地质条件、水文地质条件及场地周边环境对该优化方案进行验算。验算结果表明该优化方案在抗倾覆稳定性、整体稳定性、抗隆起稳定性方面都满足《建筑基坑支护技术规程》JGJ-2012 规范要求。
（3）数值模拟分析结果表明，基坑开挖过程中，优化方案桩身最大弯矩值较初始方案减少了 20.6%，从而可以减少桩身的配筋量，达到节省工程造价目的。优化方案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，说明本文所建有限元模型是合理的，同时表明采用 BIM 技术与理正深基坑软件对初始设计方案的优化是合理的。
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参考文献（略）