應(yīng)用BIM技術(shù)輔助判定工程樁入巖深度

洪恩欽 王 碗 李興魯 宋 強(qiáng)

中國(guó)建筑第八工程局有限公司總承包公司 上海 201204

傳統(tǒng)判定樁基入巖的方法，是現(xiàn)場(chǎng)工作人員僅根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)觀察巖樣的顏色、形狀、紋理等物理特征來(lái)判斷樁基入巖情況，該流程存在一定程度的主觀性和片面性。入巖判斷時(shí)現(xiàn)場(chǎng)工作人員還會(huì)根據(jù)機(jī)器的相似性特征進(jìn)行類比判斷，即通過(guò)鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度判定入巖情況，但是考慮到即便是同一型號(hào)的鉆機(jī)，由于投入使用的時(shí)長(zhǎng)不同、作業(yè)環(huán)境的不同和操作人員的習(xí)慣各異等因素，也會(huì)導(dǎo)致在同一巖層條件下鉆進(jìn)速度的差別。因此，依據(jù)此方式判定工程樁的入巖情況，也會(huì)產(chǎn)生無(wú)法具體量化的差異。以上2種判定樁基入巖的方法均會(huì)產(chǎn)生較大誤差，造成樁基承載力未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，樁基返工導(dǎo)致資源浪費(fèi)和工期滯后[1]。為此，必須找到一種可以更加準(zhǔn)確地判定樁基入巖深度的方法。

目前我國(guó)正處于構(gòu)建BIM數(shù)據(jù)信息集成和數(shù)字表達(dá)領(lǐng)域建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用階段，BIM技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2]，基于此，探索BIM技術(shù)在工程樁施工時(shí)的應(yīng)用。

利用BIM技術(shù)的模型綜合性、三維可視化、信息關(guān)聯(lián)性、可出圖性等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)整合地層曲面模型、樁基模型，直觀顯示每根樁入持力層標(biāo)高，導(dǎo)出CAD二維圖紙和明細(xì)表，在樁基施工階段輔助判巖，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，為現(xiàn)場(chǎng)判巖提供了依據(jù)，極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)判巖的效率，保證了工程樁的施工質(zhì)量[3-5]。

1 研究背景

1.1 工程概況

寧波國(guó)際會(huì)議中心項(xiàng)目位于寧波市東錢湖旅游度假區(qū)，項(xiàng)目北至奕大山，南至東坑山，東鄰東錢湖沿湖堤壩（奉錢線），南北方向最長(zhǎng)距離為1 300 m，東西方向最長(zhǎng)距離為920 m。項(xiàng)目建成后將承接國(guó)際級(jí)的政務(wù)活動(dòng)，重要國(guó)內(nèi)、國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，高端商務(wù)會(huì)議，同時(shí)兼具文化、旅游等功能。

本項(xiàng)目持力巖層為中風(fēng)化巖層，如圖1所示，巖層起伏較大，南北兩端靠山，中風(fēng)化巖層埋深較淺，約15 m，中部靠近河道，巖層較深，逾80 m。在地勘階段，因項(xiàng)目工期緊張，未采用一柱一勘的方法，僅依靠地勘報(bào)告無(wú)法精準(zhǔn)地判定每根樁的入巖標(biāo)高，這給判巖帶來(lái)極大困難。

本工程全部采用端承樁，工程樁共3 668根，樁基工期為108 d，樁基工程量大、工期緊，若利用傳統(tǒng)方法撈取巖樣，通過(guò)顏色、材質(zhì)判定是否為中風(fēng)化巖層，那么需要大量專業(yè)地勘人員駐場(chǎng)服務(wù)，才能滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)判巖的需求。

1.2 重難點(diǎn)分析

1）本項(xiàng)目地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，南北臨山，東側(cè)環(huán)湖，西側(cè)鄰近很多其他公司的施工現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)地勘報(bào)告顯示，持力層巖面的最高處和最低處相差達(dá)65 m，因此項(xiàng)目不僅在占地范圍上橫向跨度較大，而且縱向起伏也十分明顯，這無(wú)疑很大程度上增加了現(xiàn)場(chǎng)工作人員準(zhǔn)確判巖的難度。

2）本項(xiàng)目詳勘勘探點(diǎn)一共392個(gè)，勘探點(diǎn)之間的間距約27 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于9 m的柱間距，這會(huì)造成大部分結(jié)構(gòu)柱下的樁基與勘探點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，若依據(jù)臨近勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)去判斷周邊樁基入巖標(biāo)高，勢(shì)必會(huì)有極大的誤差存在。

3）樁基采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁（端承樁），設(shè)計(jì)要求樁底入中風(fēng)化巖層不小于1 m，中風(fēng)化巖層埋深不同從而造成每根樁的深度有差異，為確定工程樁樁底標(biāo)高，應(yīng)先明確中風(fēng)化巖層標(biāo)高，巖層標(biāo)高是控制樁底標(biāo)高的關(guān)鍵。

4）項(xiàng)目位于泄洪區(qū)內(nèi)，有3條河流經(jīng)過(guò)樁基區(qū)域，因此部分樁基施工區(qū)域處在河道內(nèi)及其附近位置，施工時(shí)恰好是梅雨季和臺(tái)風(fēng)季，在雨水和臺(tái)風(fēng)的影響下，即使是陸地上的樁基施工都困難重重，更不要說(shuō)是水上進(jìn)行的工程樁作業(yè)了，倘若能提前確定樁底標(biāo)高，然后再開(kāi)始施工，將大大減少水上作業(yè)的時(shí)間，提高打樁效率。

2 BIM技術(shù)判巖的原理及分析

工程樁嵌入中風(fēng)化巖層的深度判定，核心在于2點(diǎn)：一是根據(jù)已有的地勘報(bào)告及相關(guān)工程地質(zhì)資料，只能確定勘探點(diǎn)處的中風(fēng)化巖層的深度及標(biāo)高，而勘探點(diǎn)的位置并不是工程樁的位置，且工程樁的數(shù)量遠(yuǎn)大于勘探點(diǎn)的數(shù)量，因此已有的地勘報(bào)告勘探點(diǎn)處中風(fēng)化巖層高程數(shù)據(jù)，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)工程樁判巖需要。為解決此難題，利用BIM技術(shù)基于點(diǎn)狀的中風(fēng)化巖層高程數(shù)據(jù)，兩點(diǎn)成線、三點(diǎn)成面，最終生成完整的中風(fēng)化巖層面。二是工程樁模型如何與中風(fēng)化巖層面保持水平位置關(guān)系及高程的一致性，為此中風(fēng)化巖層模型需與工程樁模型共用軸網(wǎng)和標(biāo)高體系，從而保證巖層模型與工程樁三維模型相對(duì)位置關(guān)系及標(biāo)高的一致性。

通過(guò)整合中風(fēng)化巖層模型與工程樁模型，可得到每根樁與中風(fēng)化巖層面的交點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)要求的工程樁入巖深度（本項(xiàng)目要求入巖深度為1 m），從而確定每根工程樁樁底需要達(dá)到的高程，將判定工程樁嵌入巖深度的復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為工程樁成孔深度控制的簡(jiǎn)單測(cè)量問(wèn)題，輔助現(xiàn)場(chǎng)樁基施工，確保樁基施工的質(zhì)量。

本項(xiàng)目基于地勘報(bào)告中包含中風(fēng)化巖層等值線的CAD圖紙，經(jīng)處理后導(dǎo)入BIM軟件生成三維巖層模型，同時(shí)基于建筑樁基圖紙建立工程樁三維模型，在BIM軟件中整合巖層模型和三維樁基模型信息，進(jìn)行樁底標(biāo)高標(biāo)注，導(dǎo)出二維CAD圖紙及包含樁編號(hào)、樁的工程量、樁底高程的明細(xì)表，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工程樁施工。

基于BIM技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

1）通過(guò)BIM的模型綜合性、可出圖性，建立巖層曲面模型和工程樁模型，考慮設(shè)計(jì)要求工程樁需入巖層1 m，將巖層曲面與每根工程樁的交點(diǎn)降低1 m，所得到的點(diǎn)的高程即為工程樁樁底需要達(dá)到的最低標(biāo)高，通過(guò)BIM軟件可快速自動(dòng)標(biāo)注目標(biāo)高程，并導(dǎo)出二維CAD圖紙，施工現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)樁底高程和原始地坪高程之差確定成孔深度，根據(jù)成孔深度來(lái)判定工程樁入巖深度是否滿足設(shè)計(jì)要求，輔助現(xiàn)場(chǎng)判巖，實(shí)現(xiàn)樁基工程入巖判定的精細(xì)化管理，保證樁基施工質(zhì)量。

2）通過(guò)每根樁的樁底高程數(shù)據(jù)和原始地坪高程，預(yù)判工程樁成孔深度，根據(jù)成孔深度結(jié)合工期要求，選擇合適的工藝，從而提高樁基施工效率，縮短樁基施工時(shí)間。

3）通過(guò)BIM模型的三維可視化性，直觀展示工程樁入巖深度，可用于樁基施工階段對(duì)施工作業(yè)人員的方案交底，采用BIM三維模型向交底人員詳細(xì)介紹如何通過(guò)樁機(jī)成孔深度判斷工程樁入巖深度的原理，簡(jiǎn)單、直觀，可提高交底效率，減少錯(cuò)誤的發(fā)生，避免返工。

4）通過(guò)BIM模型可快速導(dǎo)出不同樁型的工程樁數(shù)量，計(jì)算得到樁基工程所需要的鋼筋和混凝土的工程量，為現(xiàn)場(chǎng)鋼筋備料、混凝土發(fā)料提供參考，也可為后期樁基結(jié)算提供準(zhǔn)確的工程量數(shù)據(jù)。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 CAD圖紙?zhí)幚?/h3>

處理地勘提供的CAD圖紙，去掉多余圖層只保留等值線圖層以及定位軸線。由于等值線文件不包含高程數(shù)據(jù)，需要將地勘持力層等值線CAD圖導(dǎo)入軟件中，生成帶有高程信息的CAD格式文件。

3.2 建立模型

將帶有高程信息的CAD文件導(dǎo)入BIM軟件中，生成三維巖層曲面模型，同時(shí)根據(jù)樁基圖紙，建立工程樁三維模型，如圖2、圖3所示。

圖2 巖層曲面模型

圖3 工程樁模型

3.3 模型整合

將三維巖層曲面模型與工程樁模型整合，根據(jù)圖紙軸線定位，確保相對(duì)位置關(guān)系準(zhǔn)確無(wú)誤，如圖4所示。

圖4 組合模型

3.4 標(biāo)注樁底標(biāo)高

基于整合模型，點(diǎn)擊樁基與中風(fēng)化巖層交界處，自動(dòng)生成入巖1 m樁底標(biāo)高的標(biāo)注。

3.5 導(dǎo)出圖紙、明細(xì)表

導(dǎo)出二維CAD圖紙及包含樁編號(hào)、樁的工程量、樁底高程的明細(xì)表。

3.6 數(shù)據(jù)分析

對(duì)實(shí)際樁底標(biāo)高與BIM樁底標(biāo)高進(jìn)行對(duì)比分析，數(shù)據(jù)精度與誤差（此處以現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)地勘人員判定的樁底標(biāo)高為基準(zhǔn)值）分析結(jié)果如下：

1）對(duì)比實(shí)際樁底標(biāo)高和BIM出具的樁底標(biāo)高數(shù)據(jù)，整體存在一定偏差，包含正向偏差和反向偏差，除個(gè)別樁的偏差是10%，其余偏差均在5%范圍內(nèi)，由此可見(jiàn)，實(shí)際樁底標(biāo)高與BIM出具的樁底標(biāo)高在誤差范圍內(nèi)基本一致。

2）實(shí)際樁底標(biāo)高偏差與人工測(cè)量結(jié)果存在小范圍偏差，經(jīng)分析存在以下2個(gè)原因。

① 中風(fēng)化巖層面模型是根據(jù)地勘報(bào)告中勘探孔處中風(fēng)化巖層高程數(shù)據(jù)，兩點(diǎn)成線、三點(diǎn)成面，最終生成完整的巖層模型，因此勘探孔數(shù)據(jù)的密集程度及準(zhǔn)確性將直接決定生成的中風(fēng)化巖層面的精準(zhǔn)度，本項(xiàng)目勘探點(diǎn)間距約27 m，最大工程樁間距為9 m，勘探點(diǎn)間距是工程樁間距的3倍，以大間距的勘探點(diǎn)處巖層高程數(shù)據(jù)來(lái)推算小間距的工程樁處中風(fēng)化巖層高程，可能會(huì)因數(shù)據(jù)密集程度不夠而造成偏差。

② 個(gè)別勘探點(diǎn)處的高程數(shù)據(jù)可能存在失真的情況。

3）針對(duì)以上數(shù)據(jù)存在的偏差，在以后的應(yīng)用中可通過(guò)增加勘探點(diǎn)的數(shù)量、減少勘探點(diǎn)的間距，提高中風(fēng)化巖層高程數(shù)據(jù)的密集程度。此外，對(duì)于個(gè)別可能存在失真的高程數(shù)據(jù)，通過(guò)BIM軟件，結(jié)合其他高程數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)糾正，盡可能確保勘探點(diǎn)處高程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而獲得更準(zhǔn)確的巖層模型，這一點(diǎn)可作為未來(lái)的研究方向。

4 結(jié)語(yǔ)

1）傳統(tǒng)的判巖需要專業(yè)的地勘經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合鉆桿鉆進(jìn)速度及晃動(dòng)程度等現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)才能準(zhǔn)確判巖，對(duì)專業(yè)技能要求高且耗時(shí)較長(zhǎng)。利用BIM技術(shù)將工程樁三維模型與中風(fēng)化巖層曲面模型基于同一標(biāo)高和軸網(wǎng)整合在一起，得到工程樁與巖層曲面交點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，下降1 m，即可獲取樁入巖1 m的高程，將工程樁入巖判斷的復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為工程樁樁底標(biāo)高控制的測(cè)量問(wèn)題，更加簡(jiǎn)單、快捷。

2）BIM三維模型可以直觀地表達(dá)巖層與工程樁的位置與標(biāo)高關(guān)系，方便現(xiàn)場(chǎng)方案交底。同時(shí)，對(duì)于樁基施工中可能遇到的相關(guān)問(wèn)題，可通過(guò)模型查明問(wèn)題原因，提出解決方案。

3）BIM軟件可一鍵導(dǎo)出CAD圖紙，明確每根樁達(dá)到設(shè)計(jì)要求所需的樁底高程，減少人工標(biāo)注可能帶來(lái)的誤差，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)樁基施工的精準(zhǔn)化管理，有利于現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量控制，保證施工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)安全。

4）通過(guò)該方法不僅提高了工程樁入巖深度判定精度，且在施工前獲取高精度樁深數(shù)據(jù)，對(duì)樁基施工前期準(zhǔn)備和現(xiàn)場(chǎng)施工具有重要的指導(dǎo)意義。