場(chǎng)坪填筑地基處理工程BIM設(shè)計(jì)方法研究

蔣道君

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063）

0 前言

隨著我國(guó)建筑勘察設(shè)計(jì)發(fā)展水平的不斷提高， BIM設(shè)計(jì)手段得以在各領(lǐng)域中進(jìn)行應(yīng)用，但目前巖土行業(yè)內(nèi)較少涉及地基處理工程BIM設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面的研究。為借助BIM方法優(yōu)勢(shì)，解決大范圍面狀地基處理工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)問(wèn)題， 因此有必要研究基于三維場(chǎng)景下的地基處理BIM設(shè)計(jì)方法。主要設(shè)計(jì)流程見圖1。

圖1 地基處理BIM設(shè)計(jì)流程圖

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 建立三維地形模型

三維地形是土木工程三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，提供原始數(shù)據(jù)來(lái)源，可通過(guò) Autodesk Civil 3D等眾多軟件基于多種數(shù)據(jù)（點(diǎn)文件、多段線、CAD塊、GIS數(shù)據(jù)等）快速創(chuàng)建曲面，并對(duì)曲面進(jìn)行管理。其是地基處理BIM設(shè)計(jì)重要的基準(zhǔn)面。

1.2 建立三維地質(zhì)模型

三維地質(zhì)建模是將空間地質(zhì)信息和各種解釋與預(yù)測(cè)結(jié)果綜合在一起生成三維定量隨機(jī)模型，并用于地質(zhì)分析的技術(shù)。建模過(guò)程基于地質(zhì)資料、勘探數(shù)據(jù)、地質(zhì)解譯等原始勘察數(shù)據(jù)，輔以構(gòu)建虛擬斷面、虛擬鉆孔、推測(cè)邊界及面，通過(guò)克里金算法等方法形成光順的多邊形網(wǎng)格，從而創(chuàng)建多個(gè)滿足設(shè)計(jì)精度要求的、連續(xù)有邊界的、包含地質(zhì)信息的各種地質(zhì)界面?；谌S地質(zhì)模型，可直觀的對(duì)場(chǎng)地地質(zhì)條件進(jìn)行全方位的分析與比較，對(duì)地基處理方案的比選、BIM正向設(shè)計(jì)提供有效基礎(chǔ)支持。

1.3 建立三維填筑體模型

三維填筑體模型提供地面以上填筑體設(shè)計(jì)邊界、填高、荷載信息，可調(diào)用以上信息在場(chǎng)坪填筑工程地基設(shè)計(jì)檢算中結(jié)合三維地質(zhì)模型提取下部地質(zhì)信息進(jìn)行計(jì)算，同樣為地基處理方案比選與設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1.4 建立地基處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)地基處理形式與特點(diǎn)、專業(yè)構(gòu)件功能，采用面向?qū)ο蠓椒ㄖ械念惙椒ǎ瑢⒌鼗幚斫Y(jié)構(gòu)構(gòu)件分解為類構(gòu)件[1]。地基處理類構(gòu)件包含換填、處理、注漿、墊層、復(fù)合地基共五大類，其中處理類又分為壓實(shí)、夯實(shí)、預(yù)壓等措施，復(fù)合地基類則包含了如排水板、碎石墩、擠密樁、攪拌樁、旋噴樁等各種地基加固措施，詳見圖2。

圖2 地基處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件分解圖

所有構(gòu)件模型嚴(yán)格按照 LOD350施工圖模型精度的建模要求。對(duì)每一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件分別進(jìn)行屬性名稱、類別（幾何/非幾何）、單位、參數(shù)化屬性等進(jìn)行詳細(xì)的分解與定義，形成地基處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 基于BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 地基承載力檢算

基于上部荷載性質(zhì)、類型和分布，通過(guò)對(duì)下伏三維地質(zhì)模型的分析輸出多個(gè)計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的地層分層地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)，進(jìn)行多點(diǎn)批量承載力計(jì)算。并可采用 BIM技術(shù)，基于計(jì)算結(jié)果形成承載力計(jì)算結(jié)果等值圖，用以確定持力層、確定墊層選擇與尺寸，以及單樁豎向承載力。同時(shí)可方便實(shí)時(shí)可視化的發(fā)現(xiàn)不滿足要求的區(qū)域，從而積極采用多種措施，優(yōu)化加固方案，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，減小工程投資。

2.2 地基沉降變形檢算

基于工程區(qū)不同時(shí)期三維填筑體模型，通過(guò)對(duì)填方設(shè)計(jì)面填高的分析輸出多個(gè)計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)填高值，通過(guò)對(duì)下伏三維地質(zhì)模型的分析輸出多個(gè)計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的地層分層數(shù)據(jù)，讀取各分層綁定的地層參數(shù)屬性，綜合以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行批量沉降計(jì)算。得到不同填筑時(shí)期的沉降量、工后沉降量。

根據(jù)多點(diǎn)沉降計(jì)算結(jié)果，采用BIM技術(shù)構(gòu)建不同填筑時(shí)期的沉降曲面（圖3）以及工后沉降曲面，從而能夠得到場(chǎng)區(qū)內(nèi)任意一條剖面的沉降曲線，亦可對(duì)各曲面進(jìn)行高程分析，可直觀的基于各設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比對(duì)校核，便于工后沉降及差異沉降控制校核。同時(shí)，可基于構(gòu)建的各曲面，進(jìn)行沉降土方的精確計(jì)算。

圖3 不同填筑時(shí)期的沉降曲面圖

上述基于正向設(shè)計(jì)方法的沉降檢算方法，可有效彌補(bǔ)常規(guī)二維圖形設(shè)計(jì)的缺陷，驗(yàn)證方案可行性，精確控制沉降土方的計(jì)算。

2.2 穩(wěn)定性檢算

基于三維填筑體模型、邊坡設(shè)計(jì)模型、地質(zhì)模型及地形模型，批量剖切剖面，通過(guò)對(duì)下伏三維地質(zhì)模型的分析輸出多個(gè)計(jì)算剖面的地層分層數(shù)據(jù)，讀取各分層綁定的地層參數(shù)屬性，綜合以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行批量地基抗傾覆、抗滑移檢算和邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。從而得到穩(wěn)定性檢算結(jié)果。

3 地基處理BIM正向設(shè)計(jì)及工程數(shù)量計(jì)算

3.1 確定設(shè)計(jì)分區(qū)

對(duì)于BIM，并不僅僅帶有模型信息，同時(shí)也可以對(duì)信息做出反饋[2]。因此，應(yīng)用BIM技術(shù)，基于工程區(qū)的分片區(qū)的填筑高度，可對(duì)地形面進(jìn)行高程分析，確定工程設(shè)計(jì)范圍。下一步，再基于對(duì)地質(zhì)模型的分析，按照軟土厚度、工程區(qū)分區(qū)、沉降控制標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)及沉降計(jì)算結(jié)果等各類信息因子做出反饋，綜合分析，提出比選方案，劃定工程設(shè)計(jì)措施實(shí)施分區(qū)。

3.2 確定設(shè)計(jì)范圍

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法確定地基處理加固范圍，因剖面的間隔性，上部荷載應(yīng)力擴(kuò)散角影響范圍在平面上均為剖面間邊界的擬合線，且在大面積場(chǎng)坪地基處理設(shè)計(jì)中，很難采用傳統(tǒng)方法確定范圍。因此，采用BIM技術(shù)，根據(jù)劃定的工程設(shè)計(jì)措施實(shí)施分區(qū)，基于確定的各區(qū)域應(yīng)力擴(kuò)散角等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以遠(yuǎn)期場(chǎng)地設(shè)計(jì)面為基準(zhǔn)，于各區(qū)域邊界處向場(chǎng)地地形面進(jìn)行投影放坡處理（圖4），從而得到更為準(zhǔn)確的加固區(qū)范圍邊線。放坡操作基于計(jì)算機(jī)精確計(jì)算，適應(yīng)地面起伏，為加固區(qū)域的真實(shí)邊界，從而精準(zhǔn)圈定加固區(qū)域，不留死角，確保安全。

圖4 某機(jī)場(chǎng)跑道應(yīng)力擴(kuò)散角確定的加固區(qū)范圍邊線圖

3.3 構(gòu)建設(shè)計(jì)模型及工程數(shù)量計(jì)算

通過(guò)自主研發(fā)的地基加固BIM正向設(shè)計(jì)軟件，能夠根據(jù)工程措施實(shí)施分區(qū)、設(shè)計(jì)范圍，多區(qū)域批量編號(hào)，通過(guò)控制輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)可快速進(jìn)行布樁、定位。并通過(guò)指定區(qū)域內(nèi)所采用的地基加固措施，對(duì)每個(gè)區(qū)域按照地基加固措施分別進(jìn)行BIM正向設(shè)計(jì)與數(shù)量計(jì)算。

地基處理的BIM模型設(shè)計(jì)及數(shù)量計(jì)算原理分述如下：

（1）基于一定的設(shè)計(jì)原則，通過(guò)對(duì)多因子比選所劃定的工程設(shè)計(jì)措施實(shí)施分區(qū)及設(shè)計(jì)范圍，可通過(guò)面積確定處理類（如壓實(shí)、夯實(shí)）、墊層類等面模型并輸出精確工程數(shù)量。其應(yīng)用了BIM應(yīng)用技術(shù)中的選擇性面積測(cè)量方法。

（2）基于一定的設(shè)計(jì)原則，通過(guò)對(duì)上地層面（或設(shè)計(jì)面、地面、水面等）與下地層面（處理地層底面）的分析，可快速建立圈定范圍內(nèi)的換填類（如挖除淤泥、清淤、換填碎石、強(qiáng)夯置換碎石、拋石擠淤等）、處理類（預(yù)壓、沉降土方等）、注漿類以及附屬工程（如抽水）等幾何體的模型并輸出精確工程數(shù)量。其應(yīng)用了BIM應(yīng)用技術(shù)中的曲面與曲面之間圍合體得到設(shè)計(jì)模型及其屬性的方法。

（3）基于一定的設(shè)計(jì)原則，亦是通過(guò)對(duì)上地層面（或設(shè)計(jì)面、地面等）與下地層面（加固地層底面）的分析，可快速建立圈定范圍內(nèi)的復(fù)合地基離散型墩、樁、板幾何體的模型（圖3）并輸出精確工程數(shù)量。其基于三維設(shè)計(jì)思路巧妙采用算法實(shí)現(xiàn)基于對(duì)地形曲面及三維地質(zhì)模型的加固地層面的分析，得到各加固體位置深度，最后通過(guò)墊層厚度、外露長(zhǎng)度及嵌入地層深度即可根據(jù)上述影響因素綜合判斷加固體的長(zhǎng)度，從而對(duì)加固體的每一根樁、板、墩等進(jìn)行精細(xì)建模（圖5）。

圖5 某項(xiàng)目地基處理離散型樁三維設(shè)計(jì)模型

3.4 應(yīng)用

基于模型可形成數(shù)據(jù)庫(kù)文件，形成工程區(qū)內(nèi)加固措施平面詳細(xì)布置圖，所有離散型加固體的長(zhǎng)度等值線圖，可為后期施工交付及數(shù)字化施工管理、第三方檢測(cè)[3]提供有利技術(shù)保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用BIM技術(shù)進(jìn)行地基處理BIM正向設(shè)計(jì)，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)存在的不足。以整個(gè)場(chǎng)區(qū)為目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，能夠精確確定范圍、計(jì)算數(shù)量，且有利于設(shè)計(jì)的調(diào)整與修改，能夠更好的進(jìn)行方案的實(shí)時(shí)比選分析。其大幅提高生產(chǎn)效率、提高設(shè)計(jì)水平，同時(shí)能夠較為精確、真實(shí)、生動(dòng)的進(jìn)行展示，適為地基處理工程設(shè)計(jì)的一種可行BIM設(shè)計(jì)方法。