BIM＋測量機器人在抗浮錨桿施工中的應用

沈 鍇 劉 鑫

中建三局第三建設工程有限責任公司 湖北 武漢 430074

隨著城市的發(fā)展，土地資源日益稀缺，地下建筑設計層數(shù)越來越多，地基抗浮設計的優(yōu)劣往往成為整個基礎甚至整個項目安全性和經濟性的決定因素[1]。其中，抗浮錨桿施工是目前設計中最常用、性價比最高的措施。但是抗浮錨桿施工過程中存在諸多弊端，需要進行優(yōu)化。以某醫(yī)院建筑地下室抗浮錨桿工程為例，利用BIM技術三維可視化優(yōu)勢，對項目錨桿施工進行優(yōu)化設計，提高錨桿施工質量，并與測量機器人聯(lián)動放樣，可縮短30%施工工期。

1 工程概況

某醫(yī)院建筑工程為現(xiàn)澆鋼混框架-剪力墻結構，總建筑面積20 萬m2，地上建筑面積11.4 萬m2，地下面積 8.6 萬m2，包括康復樓、病房樓、門診醫(yī)技大樓、體檢中心等7棟單體建筑及2層地下室。地下室層高最高為5.7 m，基礎形式為500 mm厚筏板＋下柱墩，柱墩697個、電梯井30個、集水井80個、抗浮錨桿共3 294根。本工程抗浮錨桿設計要求入持力層（中風化巖層）深度不小于4 m。

2 傳統(tǒng)抗浮錨桿施工的不足

傳統(tǒng)的抗浮錨桿施工過程中，經常會出現(xiàn)以下弊端：錨桿施工過程中點位與電梯井、集水井等邊坡沖突，柱墩內部錨桿施工困難、成形質量差；錨桿施工中未對錨桿進行分區(qū)編號[2]，施工過程混亂，存在放線定位或鉆機成孔時個別錨桿遺漏問題，形成安全隱患；局部筏板設計底標高未達到抗浮錨桿錨固段土質要求（一般為中風化巖層），導致地下錨固段長度不符合設計要求；錨桿施工中測量定位精度低，導致整體抗浮能力下降；抗浮錨桿點位體量大，外業(yè)放樣工期長。

3 BIM技術對傳統(tǒng)抗浮錨桿施工的改進

為解決傳統(tǒng)抗浮錨桿施工中遇到的問題及造成的質量缺陷，該工程在收到設計圖紙后，利用BIM技術對其進行施工模擬，將傳統(tǒng)的抗浮錨桿施工弊端在模擬施工中消除。利用BIM可視化對抗浮錨桿點位進行優(yōu)化，以“策劃先行、BIM為輔”為主要手段，真正做到虛擬施工、查漏補缺，實現(xiàn)零返工、短工期、高質量。

1）電梯井、集水井邊坡及柱墩內部錨桿點位優(yōu)化。本項目地下室底板電梯井、集水井數(shù)量多，基坑深度0.9～ 2.0 m，在土方開挖過程中均按照60°放坡處理。原設計錨桿點位已經對電梯井、集水井等點位進行優(yōu)化，避開深基坑位置，由于設計階段未考慮實際施工過程中的放坡距離，在BIM技術三維碰撞檢查中，發(fā)現(xiàn)抗浮錨桿有25個點位處于坑中坑邊坡處（圖1）；工程基礎模式為筏板＋下柱墩形式（柱墩最大邊長5.5 m），通過BIM技術可視化可以直觀發(fā)現(xiàn)位于柱墩內的抗浮錨桿，共計30個點位，由于鉆孔機在作業(yè)時無法深入內部進行打孔施工（打孔機最遠打孔距離為2 m），導致打孔機成孔作業(yè)難。本項目施工順序為先施工墊層后施工錨桿，以上2種情況如果直接施工會導致錨桿施工困難、成形質量差，嚴重破壞墊層質量。無論是邊坡上還是柱墩內部抗浮錨桿，根據(jù)設計要求，錨固端須深入持力層（中風化巖層）4 m以上，錨桿上部錨固筏板鋼筋需加長，導致工程材料浪費（圖2）。針對發(fā)現(xiàn)的問題，立刻對此處錨桿點位進行優(yōu)化，以不減少原錨桿設計數(shù)量為基本原則，盡可能避開與邊坡碰撞部位，將錨桿移出邊坡位置，并對邊坡周圍3排×3排錨桿進行等間距重新排布，以保證每根抗浮錨桿受力均勻。抗浮錨桿原間距3 m×3 m，經過優(yōu)化后邊坡周邊錨桿間距實際為2.6 m× 2.6 m（圖3）。

圖1 錨桿與集水井邊坡碰撞

圖2 錨桿錨固鋼筋加長

圖3 局部優(yōu)化前后方案展示

2）抗浮錨桿分區(qū)編號（圖4）。在抗浮錨桿建模過程中，本工程根據(jù)后澆帶劃分對地下室進行分區(qū)，分為A區(qū)～Y區(qū)，共25個區(qū)。在BIM模型創(chuàng)建中實行分區(qū)建模、統(tǒng)一命名編號，統(tǒng)計每個區(qū)錨桿數(shù)量，為后面導出圖紙及施工做準備，并以此為依據(jù)編制各區(qū)錨桿施工進度計劃，合理規(guī)劃施工部署，避免錨桿施工過程中因未對錨桿進行分區(qū)編號，造成施工混亂，以及放線定位或鉆機成孔過程導致個別錨桿遺漏等傳統(tǒng)錨桿施工問題。

圖4 錨桿分區(qū)編號

3）BIM技術信息化解決錨桿地下錨固段不足。根據(jù)地勘報告，本工程PQ區(qū)筏板底標高未達到抗浮錨桿錨固土質要求，距中風化巖層仍需開挖500～800 mm深度，而設計文件未明確PQ區(qū)錨桿長度，統(tǒng)一設計為：錨桿長度入持力層（第四層中風化巖）不小于4 m。在BIM建模階段，根據(jù)地勘報告PQ區(qū)實際地質情況中筏板底土質巖層到中風化巖層實際深度，創(chuàng)建錨桿實際長度（4 500～4 800 mm）模型。利用BIM技術信息化，在Revit軟件中可以直接生成錨桿明細表，根據(jù)錨桿長度進行分類篩選，即可統(tǒng)計出在此區(qū)域的錨桿數(shù)量以及錨桿自身編號等具體信息。經過統(tǒng)計，共發(fā)現(xiàn)105根長度大于4 m的抗浮錨桿，導出明細表，記錄錨桿編號，避免后期施工造成錨桿錨固段長度不足。通過Revit軟件查詢功能（按ID選擇），在三維圖中可自動準確定位到柱墩內部錨桿，進行二次檢查。

錨桿設計圖經過BIM技術優(yōu)化后，將優(yōu)化后的方案（錨桿優(yōu)化原因、錨桿位置、數(shù)量）整理匯總，提交給設計單位。設計單位對方案重新進行抗浮設計計算、標高復核等工作，方案復核確認后發(fā)出設計變更單。項目方根據(jù)設計方下達的變更指令便可施工[3]。

4 放樣機器人在抗浮錨桿施工中的應用

在抗浮錨桿施工中，由于放樣點位數(shù)量大，利用傳統(tǒng)的測量放樣方式需要每個點輸入坐標系，嚴重影響工作效率。項目利用BIM技術優(yōu)化后的點位坐標，與測量機器人（Leica TS15）相結合，彌補了傳統(tǒng)測量缺陷，提高了錨桿點位精度。

將BIM優(yōu)化后的錨桿模型在Revit中生成圖紙，并導出.dwg文件。在CAD中使用align命令，將導出后的錨桿平面圖相對坐標系轉換成絕對坐標系，用工具中坐標數(shù)據(jù)提取命令（DATAEXT）選擇錨桿編號數(shù)據(jù)，根據(jù)屬性篩選出錨桿點位坐標，并輸出.csv格式，另存為.dat格式。將.dat格式坐標文件直接導入放樣機器人，施工過程中選擇導入文件夾進行常規(guī)測量工作即可。直接輸入點位編號，儀器即可自動照準，避免外業(yè)測量作業(yè)中手動循環(huán)輸入點位 坐標。

Leica TS15測量精度可以達到0.1 mm級，測量精度是工程項目常用全站儀的10倍，提高了錨桿點位放樣精度，避免了因施工過程鉆孔、下筋、注漿等后續(xù)工作累積誤差大而影響最終錨桿整體受力分布情況，提升工程質量。項目抗浮錨桿體量大，數(shù)量約3 294個，1臺機器一天約施工20根抗浮錨桿，2臺鉆孔機同時施工，計劃工期約80 d，利用放樣機器人后實際工期僅為60 d，節(jié)約近20 d施工工期。

5 結語

通過本項目工程實例，利用BIM技術對抗浮錨桿施工進行優(yōu)化并聯(lián)動測量機器人提高放樣效率，累計對原方案優(yōu)化共160處區(qū)域。與傳統(tǒng)抗浮錨桿施工相比，可得出以下 結論：

1）錨桿優(yōu)化布置合理，分區(qū)施工效果顯著，解決了傳統(tǒng)錨桿施工混亂的弊端，提高了錨桿成形質量，提前發(fā)現(xiàn)錨固段不足，采取措施，減少了不必要的返工時間，提升工作效率；通過錨桿位置優(yōu)化，節(jié)約錨桿原材料[4]，通過工程實例證明本優(yōu)化方案切實可行。

2）BIM技術可視化為本方案提供更加直觀的三維視覺，專項查詢定位功能使優(yōu)化工作更準確、簡潔。同時，利用BIM技術信息化手段，能準確地在三維模型中篩選錨桿長度，解決錨固端不足的問題，便于優(yōu)化設計人員檢查方案，極大地提高了工作的便捷性、準確度。通過BIM技術優(yōu)化的錨桿模型可直接導出二維圖紙，并且保留建模過程中的數(shù)據(jù)屬性，包括點位相對坐標、分區(qū)、編號等，便于項目實施人員在CAD中處理、查看。

3）測量機器人可進行自動目標識別、自動跟蹤照準，施工過程中自動記錄放樣點位，測量精度可達0.1 mm級別，防止因鉆孔、下筋、注漿等后續(xù)工作累積誤差大而影響施工質量。根據(jù)錨桿編號分區(qū)、分時段有序施工，避免施工混亂。同時，通過內業(yè)坐標點位導出，避免在實施過程中輸入大量點位坐標，節(jié)約施工工期。

4）本文內容適用于基礎設計有抗浮錨桿施工的工程項目，尤其適用于基礎深、淺基坑較多，抗浮錨桿施工面積廣、體量大的項目。