BIM技術(shù)在裝配式建筑軟土地基加固流程優(yōu)化中的應(yīng)用

陳墨 陳麗君

【摘? ?要】? ?裝配式建筑軟土地基加固過(guò)程中，軟土土質(zhì)不均勻，地基下沉數(shù)值過(guò)大，導(dǎo)致裝配式建筑與軟土地基間的一致性參數(shù)過(guò)小，針對(duì)該問(wèn)題，在裝配式建筑軟土地基加固流程優(yōu)化中應(yīng)用BIM技術(shù)。以實(shí)際軟土地基建筑工程各項(xiàng)參數(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建裝配式建筑模型，根據(jù)不同軟土層的土質(zhì)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化軟土地基加固流程，控制加固過(guò)程中產(chǎn)生的軟土層下沉。選用已知參數(shù)的應(yīng)變計(jì)作為實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)定軟土層結(jié)構(gòu)并安置應(yīng)變計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用BIM技術(shù)的流程優(yōu)化方法產(chǎn)生的地基下沉數(shù)值最小，裝配式建筑與軟土地基間的一致性參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】? ?BIM技術(shù);裝配式建筑;軟土地基;加固流程

Application of BIM Technology in Process Optimization of Soft Soil Foundation Reinforcement of Prefabricated Building

Chen Mo， Chen Lijun

（Anhui Technical College of Industry And Economy， Hefei 230051， China）

【Abstract】? ? In the process of soft soil foundation reinforcement of prefabricated building， the soil quality of soft soil is not uniform and the settlement value of foundation is too large， which leads to the problem that the consistency parameter between prefabricated building and soft soil foundation is too small. Aiming at this problem， BIM Technology is applied in the process optimization of soft soil foundation reinforcement of prefabricated building. Based on the parameters of practical soft soil foundation construction engineering， the prefabricated building model is constructed. According to the soil structure of different soft soil layers， the reinforcement process of soft soil foundation is optimized， and the settlement of soft soil layer produced in the reinforcement process is controlled. Finally， the application research of BIM Technology is completed. The strain gauge with known parameters is selected as the experimental equipment， the soft soil structure is set and the stress gauge is installed. The experimental results show that the settlement value of the foundation generated by the process optimization method of BIM Technology is the smallest， and the consistency parameters between prefabricated building and soft soil foundation meet the standard.

【Key words】? ? ?BIM technology;prefabricated building;soft soil foundation;reinforcement process

〔中圖分類號(hào)〕? U213.1 ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2021）01- 0079 - 05

0? ? ?引言

隨著城市人口不斷增長(zhǎng)，裝配式建筑應(yīng)用更加廣泛[1]，裝配式建筑在實(shí)際施工時(shí)一旦稍有紕漏就會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量事故[2]。軟土地基指的是強(qiáng)度低、壓縮量較高的軟弱土層，具有高壓縮性，但是抗剪強(qiáng)度低、透水性低，該土層中含有一定的有機(jī)物質(zhì)，較低強(qiáng)度的軟土層會(huì)形成大面積的沉積量，影響整體地基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在BIM技術(shù)參與下，本文以實(shí)際裝配式建筑參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合軟土地基的發(fā)展特性，模擬實(shí)際建筑地基工程環(huán)境，優(yōu)化地基加固流程，消除地基結(jié)構(gòu)中的安全隱患[3]。

在上世紀(jì)80年代末，國(guó)外學(xué)者提出了BIM的概念，在高精度計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的支持下，BIM技術(shù)逐漸成為建筑工程中的一項(xiàng)重要技術(shù)[4]。國(guó)內(nèi)起步較晚，在本世紀(jì)初才開(kāi)始BIM技術(shù)的研究工作，各個(gè)高校逐漸建立起B(yǎng)IM的課題研究組，制定適合我國(guó)建筑風(fēng)格的BIM規(guī)則，如今已經(jīng)進(jìn)入到高速發(fā)展的階段[5]。綜合國(guó)內(nèi)外的研究成果來(lái)看，BIM技術(shù)逐漸滲透到各個(gè)領(lǐng)域中，為此，在裝配式建筑軟土地基加固流程優(yōu)化中應(yīng)用BIM技術(shù)是很有必要的。

1? ? ?BIM技術(shù)在裝配式建筑軟土地基加固流程優(yōu)化中的應(yīng)用

1.1? ?采用BIM技術(shù)建立裝配式建筑模型

以實(shí)際軟土地基建筑工程各項(xiàng)參數(shù)為基礎(chǔ)，使用BIM技術(shù)承載軟土地基內(nèi)的質(zhì)量信息，采用信息集成的方式構(gòu)建裝配式建筑模型，裝配式建筑信息集成過(guò)程如圖1所示。

在如圖1所示的集成過(guò)程下，構(gòu)建一個(gè)裝配式建筑質(zhì)量合理函數(shù)，根據(jù)合理函數(shù)數(shù)值變化，選定指定的參數(shù)，構(gòu)建得到的合理性函數(shù)可表示為：

[r=qtp2πb] （1）

其中，[q]表示裝配式建筑質(zhì)量參數(shù)，[tp]表示參數(shù)變化速率，[b]表示合理性參數(shù)。根據(jù)式（1）得到的合理性數(shù)值，構(gòu)建裝配式建筑BIM6D模型，在該種模型下，以不同質(zhì)量參數(shù)作為不同的建筑裝配式節(jié)點(diǎn)[6-8]，使用質(zhì)量維度處理建筑的裝配式節(jié)點(diǎn)，處理過(guò)程可表示為：

[μ（r，tp）=μqtp2πb] （2）

其中，[μ]表示維度參數(shù)，其余參數(shù)含義不變。根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的維度，在BIM軟件中模擬一個(gè)大致結(jié)構(gòu)的裝配式建筑，根據(jù)式（2）計(jì)算公式，設(shè)置裝配式建筑元件的各項(xiàng)參數(shù)，構(gòu)建一個(gè)裝配式建筑的時(shí)空分布方程：

[2πbr2q-tp=rmax] （3）

其中，[rmax]表示最大的裝配式建筑合理性數(shù)值，其余參數(shù)含義不變。根據(jù)式（3）構(gòu)建得到的時(shí)空方程設(shè)置模型參數(shù)，使用Navisworks軟件重復(fù)檢驗(yàn)上述模型中的建筑碰撞[9]，檢驗(yàn)過(guò)程可表示為：

[dvdh=hdp/dr+τ0μ（t）] （4）

其中，[v]表示建筑施工速度，[h]表示裝配式建筑的高度，[τ0]表示裝配式建筑組成模塊的牢固系數(shù)，[p]表示裝配式建筑組成的邊界參數(shù)?？刂粕鲜鼋ㄖ鲎矃?shù)[μ（t）]為最小值，保持模擬得到的裝配式建筑處于穩(wěn)定[10]。在上述模擬構(gòu)建的裝配式建筑模型下，優(yōu)化軟土地基加固流程。

1.2? ?優(yōu)化軟土地基加固流程

在已構(gòu)建的模型下，采用SJP漿液對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理，根據(jù)不同軟土層的結(jié)構(gòu)，計(jì)算軟土的擴(kuò)散系數(shù)，計(jì)算公式為：

[k'=dp/dr-τ0μ（t）/2k2] （5）

其中，[k]表示軟土層內(nèi)的軟土流量，其余參數(shù)含義不變。根據(jù)式（5）計(jì)算得到的擴(kuò)散系數(shù)，將水、硅酸鹽水泥、外摻劑按照1：2：3的比例進(jìn)行調(diào)和[11]，根據(jù)軟土層形成的地層孔隙，計(jì)算軟土地基內(nèi)的壓力，公式為：

[P=CTk?λ?h] （6）

其中，[C]表示注漿孔隙數(shù)量，[T]表示軟土層的厚度，[λ]表示軟土層因素系數(shù)，[h]表示軟土層注漿段深度。根據(jù)式（6）得到的壓力數(shù)值，得到加固區(qū)內(nèi)的注漿體積，計(jì)算公式為：

[V=HπR2n] （7）

其中，[H]表示孔隙口段長(zhǎng)度，[R]表示加固區(qū)的半徑，[n]表示加固區(qū)的孔隙率。根據(jù)式（7）計(jì)算得到的各項(xiàng)參數(shù)，約束實(shí)際軟土地基的加固過(guò)程。以加固地基所需的時(shí)間和使用材料為優(yōu)化對(duì)象[12]，設(shè)定相應(yīng)的優(yōu)化系數(shù)，設(shè)定的優(yōu)化系數(shù)如表1所示。

在表1所示的優(yōu)化參數(shù)下，根據(jù)表中的各項(xiàng)優(yōu)化數(shù)值，計(jì)算優(yōu)化加固后的軟土地基的應(yīng)力數(shù)值，計(jì)算公式為：

[σ=（Iσ-Iσ0）Sv+GSj] （8）

其中，[σ]表示軟土地基的法向應(yīng)力，[Iσ]表示加固區(qū)的預(yù)定值，[Iσ0]表示加固區(qū)的應(yīng)力初始值，[Sv]表示活塞面積，[G]表示加固優(yōu)化參數(shù)集合，[Sj]表示加固區(qū)軟土層的面積。根據(jù)式（8）得到的數(shù)值，控制上述應(yīng)力數(shù)值與式（6）中的軟土間的壓力數(shù)值相等時(shí)[13]，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟土地基加固流程的優(yōu)化。

1.3? ?應(yīng)用

在上述處理過(guò)程下，利用BIM技術(shù)構(gòu)建得到模型，處理上述優(yōu)化加固流程，以軟土層表現(xiàn)出的應(yīng)力數(shù)據(jù)作為優(yōu)化流程的進(jìn)度數(shù)據(jù)，根據(jù)進(jìn)度數(shù)據(jù)產(chǎn)生的凈值，評(píng)估應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生的偏差，偏差可表示為：

[B=Zα] （9）

其中，[B]表示軟土損失量，[Z]表示優(yōu)化流程的進(jìn)度數(shù)據(jù)，[α]表示加固參數(shù)。結(jié)合得到的偏差數(shù)值，得到單位體積內(nèi)軟土地基內(nèi)產(chǎn)生的損失變化，如圖2所示。

在圖2所示的軟土地基損失變化下，根據(jù)地基加固區(qū)內(nèi)軟土的體積數(shù)值，結(jié)合軟土體積的損失量[14]，計(jì)算加固優(yōu)化處理后地基的沉積量，沉積量計(jì)算公式為：

[D=VλB] （10）

其中，[V]表示軟土地基的體積，[λ]表示軟土體積損失率?？刂栖浲恋鼗捏w積損失率與軟土損失量為最小后，為了保證軟土地基與裝配式建筑間的一致性[15]，將體積損失率作為裝配式建筑所要調(diào)和的位移數(shù)值，保證地基與裝配式建筑間的一致性?；谏鲜鎏幚?，最終實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在裝配式建筑軟土地基加固流程優(yōu)化中的應(yīng)用。

2? ? ?仿真實(shí)驗(yàn)

2.1? ?實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)采用豎向靜載實(shí)驗(yàn)，設(shè)定建筑現(xiàn)場(chǎng)的地區(qū)土層的分布后，采用表2所示參數(shù)的應(yīng)變計(jì)。

應(yīng)變計(jì)外部設(shè)置一個(gè)管樁，采用位置同步預(yù)埋的方式安裝應(yīng)變計(jì)，管樁樁端上預(yù)留一個(gè)測(cè)線放置槽以及穿線管，預(yù)制處理后，根據(jù)設(shè)定的地區(qū)土層結(jié)構(gòu)，在不同土層深度處放置應(yīng)變計(jì)，形成的應(yīng)力計(jì)安裝位置結(jié)果如表3所示。

在表3所示的安裝位置參數(shù)下，形成應(yīng)變計(jì)的安裝位置分布，如圖3所示。

在圖3所示的應(yīng)力計(jì)位置分布下，分別用文獻(xiàn)[6]中的流程優(yōu)化方法、未使用BIM技術(shù)的流程優(yōu)化方法以及應(yīng)用了BIM技術(shù)的加固流程優(yōu)化方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比三種優(yōu)化方法的性能。

2.2? ?結(jié)果及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，設(shè)定應(yīng)變計(jì)的數(shù)據(jù)采集周期為3天，在不同的軟土層內(nèi)設(shè)定不同的斷面里程，以應(yīng)變計(jì)測(cè)量得到的路基高度為建筑地基高度標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算不同加固流程優(yōu)化方法下，建筑軟土地基加固后，在不同時(shí)間點(diǎn)形成的沉積量，沉積量結(jié)果如表4所示。

以相同的時(shí)間周期作為時(shí)間測(cè)點(diǎn)，以27天為觀察周期，由表中所示的地基沉積量結(jié)果可知，文獻(xiàn)[6]中的加固流程優(yōu)化方法對(duì)應(yīng)地基產(chǎn)生的沉積量在0.55mm左右，數(shù)值最大;未應(yīng)用BIM技術(shù)的流程優(yōu)化方法地基形成的沉積量為0.45mm，沉積量較小;應(yīng)用了BIM技術(shù)的流程優(yōu)化方法最終形成的沉積量為0.28mm，與前述兩種流程優(yōu)化方法相比，應(yīng)用了BIM技術(shù)的流程優(yōu)化方法在軟土地基中形成的沉積量最小。

保持上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境不變，將應(yīng)變計(jì)安置位置作為軟土地基的加固區(qū)，定義區(qū)域加固時(shí)形成的變形系數(shù)可計(jì)算表示為：

[R=ui=1nfs+qAp] （11）

其中，[n]表示設(shè)置的軟土地基層，[u]表示應(yīng)力計(jì)的長(zhǎng)度，[fs]表示軟土間的承載力特征值，[fs]表示軟土層的側(cè)摩阻力，[q]表示樁端的端阻力，[Ap]表示沉積量的積分?jǐn)?shù)值。在上述計(jì)算公式下，針對(duì)三種不同優(yōu)化條件，統(tǒng)計(jì)得到最終加固區(qū)的變形系數(shù)，如表5所示。

由表5所示的變形系數(shù)結(jié)果可知，在三種軟土地基加固流程優(yōu)化方法控制下，軟土層的加固區(qū)表現(xiàn)出了不同變形系數(shù)結(jié)果，根據(jù)數(shù)值可知，文獻(xiàn)[6]中的加固流程優(yōu)化方法產(chǎn)生的變形系數(shù)最大，加固區(qū)容易產(chǎn)生變形。未應(yīng)用BIM技術(shù)的優(yōu)化方法產(chǎn)生的變形系數(shù)較小，軟土加固區(qū)在一定條件下會(huì)產(chǎn)生一定的變形。而應(yīng)用了BIM技術(shù)的優(yōu)化方法最終產(chǎn)生的變形系數(shù)最小，軟土加固區(qū)基本不會(huì)產(chǎn)生變形。

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，設(shè)定裝配式建筑與軟土地基間產(chǎn)生的豎向位移為0.02mm，將該數(shù)值作為一項(xiàng)固定不變的參數(shù)，構(gòu)建加固處理后的軟土地基與裝配式建筑間的一致性，一致性參數(shù)可計(jì)算得到：

[u=λAiEi] （12）

其中，[λ]表示豎向位移參數(shù)，[Ai]表示軟土地基的豎向位移函數(shù)，[Ei]表示裝配式建筑的豎向位移函數(shù)。將距軟土加固區(qū)的深度數(shù)值作為自變量，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)軟土加固區(qū)與裝配式建筑間的一致性，一致性變化如圖4所示。

定義一致性數(shù)值為1時(shí)，則表示軟土加固區(qū)與裝配式建筑間存在一致性，符合裝配式建筑的要求。由圖4的一致性結(jié)果可知，文獻(xiàn)[6]中的優(yōu)化方法得到的一致性數(shù)值為0.6～0.8，數(shù)值小于1，軟土加固區(qū)與裝配式建筑間的一致性較差，而未應(yīng)用BIM技術(shù)的優(yōu)化方法最終得到的一致性數(shù)值為0.8～1.3，在軟土加固區(qū)深度數(shù)值在2m左右時(shí)，軟土加固區(qū)與裝配式建筑之間存在一致性，但一致性的持續(xù)性較短。而應(yīng)用了BIM技術(shù)的優(yōu)化方法的一致性數(shù)值為0.8～1.1，一致性數(shù)值變化幅度不大，軟土地基加固區(qū)與裝配式間的存在較強(qiáng)的一致性。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，應(yīng)用了BIM技術(shù)的軟土地基加固流程優(yōu)化方法產(chǎn)生的地基沉積量最小、變形系數(shù)最小、一致性最強(qiáng)。

3? ? ?結(jié)語(yǔ)

裝配式建筑軟土地基有著固定的流程，在裝配式建筑軟土地基加固流程優(yōu)化中應(yīng)用BIM技術(shù)，能夠控制軟土層的變形，增強(qiáng)裝配式建筑與軟土地基之間的一致性，保持建筑物的穩(wěn)定。

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