基于BIM技術(shù)的CFG樁基施工應(yīng)用研究

李東升，劉呈斌，劉厚強(qiáng)

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610036)

十三五期間，響應(yīng)推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的國(guó)家戰(zhàn)略，通過(guò)自主研究、聯(lián)合研究、引進(jìn)消化吸收等方式，工程領(lǐng)域的數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、施工、運(yùn)營(yíng)方面都有了較大幅度的發(fā)展。然而在現(xiàn)階段土木行業(yè)工程建設(shè)中，由于體系復(fù)雜、生產(chǎn)環(huán)節(jié)繁多，還存在信息傳遞慢、生產(chǎn)質(zhì)量低和管理混亂等問(wèn)題。引入信息技術(shù)在一定程度上為解決這些難題提供了新的思路，土建行業(yè)信息化的一個(gè)重要工具就是BIM技術(shù)[1]，將數(shù)字施工技術(shù)和BIM技術(shù)相結(jié)合是現(xiàn)階段解決土木工程建設(shè)問(wèn)題的主要突破方向。

土木工程中地基處理是工程建設(shè)的重要內(nèi)容，其質(zhì)量好壞決定了整個(gè)工程質(zhì)量。其中CFG樁是一種高黏結(jié)強(qiáng)度樁，對(duì)于砂土、粉土和淤泥質(zhì)土等地基都具有較好的處理效果，同時(shí)具備較好的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益。但目前CFG樁基設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中還存在許多不足之處[2]，存在的缺點(diǎn)是二維設(shè)計(jì)和人工作業(yè)難以解決的。本文從CFG樁的設(shè)計(jì)、施工流程入手，引入BIM設(shè)計(jì)、智能機(jī)械控制技術(shù)，形成了一整套信息化CFG樁基BIM應(yīng)用方案。該方案不僅可以應(yīng)用于CFG樁，還適用于其他鉆孔樁的地基處理工程，打通了樁基工程從設(shè)計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)施工的整個(gè)環(huán)節(jié)，是對(duì)設(shè)計(jì)-施工一體化的進(jìn)一步探索。

1 技術(shù)應(yīng)用分析

1.1 CFG樁基工程關(guān)鍵因素

CFG樁復(fù)合地基成套技術(shù)自1994年被建設(shè)部列為全國(guó)重點(diǎn)推廣項(xiàng)目以來(lái)，已經(jīng)大量在地基處理工程中應(yīng)用。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐與總結(jié)表明，決定CFG樁基工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素主要有3點(diǎn)。

1.1.1 樁機(jī)就位

樁機(jī)就位包括樁機(jī)對(duì)中和垂直度控制，樁基對(duì)中要求將鉆頭對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)以確保鉆孔工作在正確位置進(jìn)行，并且不同布樁方式對(duì)樁位偏差要求不同，通常來(lái)說(shuō)樁位偏差不得大于5 mm；機(jī)身垂直度決定了成樁是否是豎直的，以此滿足CFG樁的軸向傳力特征[3]以及樁土共同作用，垂直度偏差必須小于1%。

1.1.2 鉆孔進(jìn)深控制

鉆孔時(shí)鉆孔深度必須達(dá)到設(shè)計(jì)深度，使樁端抵達(dá)持力層以獲得足夠的單樁承載力，或者通過(guò)設(shè)置一定的樁長(zhǎng)保證樁身具備足夠的側(cè)面摩擦阻力，從而使樁身和樁間土共同受力[4]時(shí)的地基承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.1.3 泵送和拔管速度控制

泵送與拔管速度直接決定了樁身的完整性和連續(xù)性，當(dāng)鉆桿芯還未充滿混合料時(shí)拔管(即拔管過(guò)快)容易導(dǎo)致成樁出現(xiàn)截?cái)?，拔樁過(guò)慢則會(huì)出現(xiàn)超灌或堵管現(xiàn)象，都不利于最后的成樁效果。

1.2 現(xiàn)存問(wèn)題

(1)在設(shè)計(jì)到施工環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)信息參數(shù)通過(guò)二維圖紙進(jìn)行傳遞，其需要現(xiàn)場(chǎng)放樣人員、工程技術(shù)人員、機(jī)械操作手的理解與協(xié)作，往往容易造成設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)不明確、傳遞信息效率低、易出錯(cuò)等問(wèn)題。

(2)在鉆孔環(huán)節(jié)，樁基定位和鉆孔工作由旁站觀測(cè)人員和鉆機(jī)操作手合作完成，樁基位置、樁基鉆孔角度、鉆孔深度等關(guān)鍵因素的控制完全由現(xiàn)場(chǎng)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，難以控制鉆孔精度與整體質(zhì)量一致性。

(3)在成樁環(huán)節(jié)，各操作主要由人工完成，提鉆和泵送混凝土配合不協(xié)調(diào)易造成斷樁、堵管等問(wèn)題，操作手的經(jīng)驗(yàn)與水平成為成樁質(zhì)量高低的決定因素，其成樁質(zhì)量難以保障，成樁控制過(guò)程難以追溯。

(4)在施工協(xié)調(diào)過(guò)程中，混凝土現(xiàn)場(chǎng)用料受實(shí)際鉆孔深度、實(shí)際灌入量影響，用料協(xié)調(diào)難以控制、易出現(xiàn)混凝土供應(yīng)不及時(shí)，造成堵管現(xiàn)象，導(dǎo)致成樁質(zhì)量不穩(wěn)定。

2 基于BIM技術(shù)的思路創(chuàng)新

2016年四川天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)地基處理[5]工程施工中，首次運(yùn)用了強(qiáng)夯、碎石樁、CFG樁機(jī)械施工控制系統(tǒng)[6]，其工程質(zhì)量得到顯著提高。CFG樁機(jī)械施工控制系統(tǒng)中(圖1)，由北斗/GNSS接收機(jī)、傾斜傳感器等組成了系統(tǒng)三維空間定位模塊，實(shí)時(shí)對(duì)樁機(jī)位置和傾斜度進(jìn)行測(cè)量。由電流傳感器、混凝土灌入量傳感器組成了施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊，為鉆孔與成樁環(huán)節(jié)提供關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量。由通訊設(shè)備、中央控制系統(tǒng)、顯示終端構(gòu)成系統(tǒng)反饋模塊，將CFG樁施工狀態(tài)直觀地、實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)給機(jī)械操作員，從而進(jìn)行準(zhǔn)確、即時(shí)地施工質(zhì)量控制。

圖1 CFG樁施工機(jī)械控制系統(tǒng)

隨著近年來(lái)BIM技術(shù)的蓬勃發(fā)展，BIM模型的幾何信息與非幾何附加屬性作為真實(shí)施工對(duì)象的數(shù)字化載體，其參數(shù)信息不僅可用于指導(dǎo)施工作業(yè)，也可用于施工過(guò)程與施工質(zhì)量控制記錄。本文依據(jù)BIM技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)合CFG樁機(jī)械化施工優(yōu)勢(shì)，基于BIM模型進(jìn)行信息傳遞，記錄完整的成樁過(guò)程和成樁質(zhì)量，使CFG樁施工真正做到合理布局、精確實(shí)施和全程監(jiān)控，以便于對(duì)成果進(jìn)行匯總、分析與過(guò)程回溯。

3 BIM實(shí)施思路

3.1 設(shè)計(jì)

3.1.1 樁基設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)工程實(shí)際需求確定地基加固范圍，分析建筑物場(chǎng)地地質(zhì)勘探報(bào)告和建筑上部受力情況擬定布樁方式、樁徑、樁長(zhǎng)等參數(shù)。同時(shí)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選用適合的樁基材料強(qiáng)度等級(jí)(材料配比信息在強(qiáng)度等級(jí)確定后提供)，然后用擬定的參數(shù)進(jìn)行地基承載力和沉降試算[7]。其中設(shè)計(jì)為建模提供的信息主要包括：樁基范圍、樁的方位、樁長(zhǎng)、樁徑、布樁方式、樁距以及混合料配比信息。

3.1.2 BIM建模和信息附加

在創(chuàng)建模型的過(guò)程中，根據(jù)測(cè)繪所提供的線路信息創(chuàng)建帶樁號(hào)參數(shù)的線路模型(圖2)。從設(shè)計(jì)圖紙獲取CFG地基加固里程段，加固范圍形狀、加固范圍到線路的垂直距離等參數(shù)，并結(jié)合線路BIM模型計(jì)算地基加固范圍在三維空間中的實(shí)際位置。確定加固范圍位置后，在范圍內(nèi)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中的布樁方式，布樁間距等參數(shù)，從加固范圍小里程開(kāi)始計(jì)算，確定每根樁的空間位置。最后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中的樁徑和樁長(zhǎng)說(shuō)明，創(chuàng)建CFG樁身幾何模型(圖3)。同時(shí)還可以導(dǎo)入地形、地質(zhì)模型，通過(guò)地形、地質(zhì)模型和樁身模型的空間位置關(guān)系進(jìn)行樁長(zhǎng)校核。

在生成CFG樁三維幾何模型后，從設(shè)計(jì)圖紙中獲取樁編

圖3 利用設(shè)計(jì)信息創(chuàng)建樁基模型

號(hào)規(guī)則、樁分區(qū)信息、混合填料配比信息(圖4)，通過(guò)BIM附加信息插件完成對(duì)每根樁的自動(dòng)編號(hào)及信息附加。其附加信息包含：樁號(hào)、標(biāo)段、工區(qū)、工點(diǎn)、填料等。

圖4 在模型中添加設(shè)計(jì)信息

3.1.3 設(shè)計(jì)-施工信息轉(zhuǎn)換

在完成CFG樁的BIM模型后，根據(jù)施工區(qū)段實(shí)際進(jìn)度需要，利用CFG樁BIM模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出插件，將該區(qū)域CFG樁設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為CSV文件格式數(shù)據(jù)，輸出信息包含樁號(hào)、定位坐標(biāo)、設(shè)計(jì)頂高和設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)等。導(dǎo)出后，將CSV文件直接交付給施工方，供CFG樁機(jī)械控制系統(tǒng)使用，避免了識(shí)圖工作可能引起的錯(cuò)誤。

3.2 施工

3.2.1 導(dǎo)入BIM設(shè)計(jì)信息

施工方獲取設(shè)計(jì)文件后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或U盤(pán)方式將設(shè)計(jì)文件導(dǎo)入樁機(jī)控制系統(tǒng)中，鉆機(jī)操作員可直觀地在系統(tǒng)操作界面上查看，了解工作區(qū)域與CFG樁分布情況。

3.2.2 樁機(jī)定位

樁基施工時(shí)(圖5、圖6)，CFG樁機(jī)械控制系統(tǒng)界面上會(huì)實(shí)時(shí)顯示樁機(jī)位置、垂直度及設(shè)計(jì)CFG樁位置信息。操作員依據(jù)系統(tǒng)顯示的引導(dǎo)信息，控制樁機(jī)向設(shè)計(jì)樁孔位置移動(dòng)，并動(dòng)態(tài)調(diào)整鉆頭位置以保證樁位偏差和垂直度偏差滿足施工要求。

圖5 施工現(xiàn)場(chǎng)

圖6 操作系統(tǒng)界面

3.2.3 鉆孔控制

鉆孔時(shí)，通過(guò)北斗/GNSS接收機(jī)與電流傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，將鉆孔速度、鉆孔深度、電機(jī)電流情況實(shí)施反映在操作界面上，操作人員依據(jù)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)、鉆孔深度及電機(jī)電流變化情況控制鉆孔達(dá)到深度要求。

3.2.4 成樁控制

灌注和拔管時(shí)，系統(tǒng)主要采用北斗/GNSS接收機(jī)和灌入量傳感器構(gòu)成控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前樁徑和混合料泵送量自動(dòng)計(jì)算出合適的拔管速度范圍。同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算將實(shí)際拔管速度和混合料泵送量實(shí)時(shí)反映到操作界面上，操作人員通過(guò)界面信息控制拔管作業(yè)，避免拔管過(guò)快或者過(guò)慢而導(dǎo)致成樁質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題。

3.2.5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與過(guò)程追溯

傳統(tǒng)施工過(guò)程主要由施工方進(jìn)行把控，過(guò)程信息在鉆孔完成后難以復(fù)現(xiàn)。利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)和傳感器設(shè)備將現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)信息遠(yuǎn)程傳輸給設(shè)計(jì)單位和業(yè)主方，各個(gè)參與方通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同作業(yè)(圖7)。當(dāng)鉆孔過(guò)程中遇到前方地質(zhì)狀況與設(shè)計(jì)信息不符的情況，設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，業(yè)主方則通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和鉆孔反饋查看施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控界面

施工作業(yè)完成后，如圖8所示，基于設(shè)計(jì)信息和施工作業(yè)信息形成樁基施工質(zhì)量報(bào)表，記錄設(shè)計(jì)和成樁結(jié)果的對(duì)比信息，直觀詳細(xì)地反應(yīng)每一根樁的方位誤差、樁長(zhǎng)誤差和成樁質(zhì)量等信息。BIM模型和質(zhì)量報(bào)表具有各自的特點(diǎn)和用途，前者相當(dāng)于真實(shí)工程的數(shù)字化映射，各階段的詳細(xì)信息都匯集在一個(gè)模型上可供專業(yè)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)共享，后者承載了后期追溯時(shí)更關(guān)心的樁基質(zhì)量信息并且便于查看。

圖8 施工質(zhì)量報(bào)表

3.3 質(zhì)量反饋

待樁基施工并檢測(cè)完成之后，將過(guò)程數(shù)據(jù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)一并添加到模型文件中(圖9)，得到信息完備的施工BIM模型，施工信息包含實(shí)際樁長(zhǎng)、用時(shí)、用料、成樁時(shí)間等，豐富信息的同時(shí)也便于后續(xù)檢查。

將作業(yè)信息記錄下來(lái)并形成文件可以便于后續(xù)的信息回查，作業(yè)人員不僅能在施工過(guò)程中查看各種參數(shù)，也可以隨時(shí)查找成樁的質(zhì)量信息，例如：樁號(hào)、深度、用料量、平均電流、持力層電流、成樁用時(shí)、成樁完成時(shí)間。

圖9 在模型中添加施工信息

對(duì)比傳統(tǒng)樁基施工流程，信息技術(shù)的引用具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。一方面，信息傳遞更加高效、便捷和準(zhǔn)確，減少了過(guò)程中由于人為原因可能造成的信息失真。另一方面，實(shí)現(xiàn)了樁基作業(yè)的精簡(jiǎn)化和精細(xì)化。人員上由多方配合轉(zhuǎn)變?yōu)橹豢裤@機(jī)操作人員就可以獨(dú)立完成鉆孔工作；流程上將放樣工作和鉆機(jī)就位合并成一道工序；施工過(guò)程中對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行更加穩(wěn)定的控制和記錄。數(shù)字化鉆孔成樁實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格的過(guò)程及質(zhì)量控制，為粗放作業(yè)帶來(lái)了精細(xì)化控制的可能。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析CFG樁基施工質(zhì)量控制關(guān)鍵因素和傳統(tǒng)作業(yè)中存在的問(wèn)題，構(gòu)建了基于BIM技術(shù)和數(shù)字化樁機(jī)的思路框架。在施工前，以BIM模型為載體向施工作業(yè)傳遞設(shè)計(jì)信息；在施工過(guò)程中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)成樁過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和記錄；在成樁完成后，將過(guò)程和成果信息反饋到模型中。實(shí)現(xiàn)了BIM模型在整個(gè)生命周期中的迭代更新以及過(guò)程的可追溯，為其他工程作業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用提供了借鑒與啟發(fā)。然而，由于實(shí)際地質(zhì)情況復(fù)雜多變且地基處理目的具有多樣性，成樁質(zhì)量能否滿足多種情況的要求有待進(jìn)一步跟蹤和評(píng)估，控制系統(tǒng)和實(shí)施流程也需要進(jìn)一步進(jìn)行完善。