基于數(shù)字孿生的港口樁基成孔質(zhì)量控制施工技術(shù)研究

摘要：港口樁基工程質(zhì)量與安全關(guān)系密切，其中，樁基成孔質(zhì)量是保證安全的關(guān)鍵。通過(guò)在樁基設(shè)備加裝傳感器，結(jié)合智能樁基管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息采集自動(dòng)化、成孔過(guò)程可視化與數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)化，包括設(shè)備加裝調(diào)試、接入平臺(tái)實(shí)現(xiàn)模塊集成、導(dǎo)入三維模型并進(jìn)行初始配置、設(shè)備與模型關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)可視化數(shù)模交互展示等步驟。該技術(shù)具有質(zhì)量效益和經(jīng)濟(jì)效益，可實(shí)現(xiàn)樁基成孔全過(guò)程管控與施工動(dòng)態(tài)管理，為各方提供共同決策平臺(tái)，使造價(jià)成本內(nèi)控有依據(jù)。

關(guān)鍵詞：樁基成孔"數(shù)字孿生"智能化"施工技術(shù)

Research"on"Quality"Control"Construction"Technology"of"Port"Pile"Hole"Based"on"Digital"Twins

YU"Jun1"ZHOU"Qinyue1"WENG"Xianjie"2"XU"Liu"3"LIU"Shijin"3"LIU"Jiangzhou4

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• 1.Jiangxi"Vocational"and"Technical"College"of"Communications".Nanchang，Jiangxi"Province，"330013"China;2.Jiangxi"Transportation"Consulting"Co.，"Ltd.，"Nanchang，"Jiangxi"Province，"330008"China;3.China"Construction"Third"Bureau"First"Engineering"Co.，"Ltd.，"Wuhan，"Hubei"Province，"430040"China;4.Jiangxi"Road"and"Port"Engineering"Co.，Ltd.，"Nanchang，Jiangxi"Province，"330000"China

Abstract："The"quality"and"safety"of"port"pile"foundation"engineering"are"intricately"interconnected，"with"the"quality"of"pile"hole"construction"being"pivotal"to"ensuring"safety."By"equipping"pile"foundation"machinery"with"sensors"and"combining"them"with"an"intelligent"management"system"for"pile"foundations，"it"can"achieve"automated"information"collection，"enhance"visualization"of"the"hole-making"process，"and"enable"real-time"data"analysis，"including"equipment"installation"and"debugging，"platform"integration"for"module"coherence，"importation"of"three-dimensional"models"along"with"initial"configuration，"and"visualizing"digital"model"interaction"display"through"equipment"and"model"association."This"technology"not"only"has"both"quality"and"economic"benefits，"and"can"achieve"full"process"control"and"dynamic"construction"management"of"pile"hole"construction，"providing"a"common"decision-making"platform"for"all"parties"and"providing"a"basis"for"cost"control.

Key"Words："Pile"hole;"Digital"twins;"Intelligent;"Construction"technology

在土建與基礎(chǔ)設(shè)施工程中，樁基關(guān)鍵且隱蔽，鉆孔灌注樁施工常依賴(lài)人工放樣來(lái)確定孔位和記錄參數(shù)，存在人為干擾大、難溯源等問(wèn)題，存在質(zhì)量與成本風(fēng)險(xiǎn)，不符合智慧建造的發(fā)展要求。數(shù)字孿生是構(gòu)建物理實(shí)體的數(shù)字模型[1]，能夠很好地促進(jìn)港口智慧工地中樁基施工過(guò)程的數(shù)字化、自動(dòng)化和精細(xì)化發(fā)展[2-3]。智能化施工既能提升效率、降低成本，又能有力地保障施工質(zhì)量和安全[4]。近年來(lái)，新一代信息技術(shù)發(fā)展迅猛，智能化施工成為橋梁工程的重要趨向[5]。數(shù)字孿生技術(shù)作為新興手段，能模擬預(yù)測(cè)施工過(guò)程與整合數(shù)據(jù)，為施工提供了強(qiáng)大支持[6-8]。本文以九江港星子港區(qū)沙山作業(yè)區(qū)綜合碼頭一期工程為例，結(jié)合數(shù)字孿生，研究樁基成孔質(zhì)量控制，增加傳感器以采集數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)多“化”并為樁基施工質(zhì)量提供憑據(jù)，形成智能控制施工方法以促推廣。

1"基于數(shù)字孿生的質(zhì)量控制系統(tǒng)

根據(jù)樁基計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer-Aided"Design，CAD）平面圖和剖面圖，建立含設(shè)計(jì)信息的三維建筑信息模型（Building"Information"Modeling，BIM），在現(xiàn)場(chǎng)打樁設(shè)備上安裝傳感器，實(shí)時(shí)感知獲取信息并無(wú)線傳輸至云服務(wù)器，將三維"BIM"模型上傳至智能樁基管理系統(tǒng)，輕量化顯示后，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)數(shù)字孿生，最后分析自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌注樁施工質(zhì)量和進(jìn)度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

現(xiàn)場(chǎng)打樁設(shè)備上加裝了北斗定位模塊、深度傳感器、傾角傳感器、電流及扭矩傳感器。其中，北斗定位模塊能夠進(jìn)行樁點(diǎn)引導(dǎo)和定位，其精度為5"mm；深度傳感器可以測(cè)定下放鋼絲繩的長(zhǎng)度，精度為10"mm；傾角傳感器可對(duì)鉆進(jìn)樁身的垂直度進(jìn)行測(cè)量，精度為1%；電流及扭矩傳感器能根據(jù)不同地層中的電流和扭矩?cái)?shù)值來(lái)判斷地層和入巖深度。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ"94-2008）要求，在樁徑D＜1"000"mm時(shí)，允許偏差≤（70+0.01）H，并且垂直度偏差≤1%，滿(mǎn)足精確性要求。因此，通過(guò)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，以及基于數(shù)字孿生技術(shù)的成樁質(zhì)量控制技術(shù)和系統(tǒng)模塊組成圖（如圖1所示），"實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字孿生技術(shù)的成孔質(zhì)量控制系統(tǒng)。

2"技術(shù)實(shí)施

2.1"樁基設(shè)備加裝北斗定位打樁系統(tǒng)并調(diào)試

樁基施工前，對(duì)樁基設(shè)備進(jìn)行智能化改進(jìn)，在設(shè)備上加裝北斗定位模塊、傾角傳感器、深度傳感器、電流及扭矩傳感器，在駕駛艙內(nèi)設(shè)置一體化終端，可自動(dòng)收集并無(wú)線傳輸各傳感器實(shí)時(shí)信號(hào)，電子顯示屏終端實(shí)時(shí)顯示樁位坐標(biāo)，引導(dǎo)操作手快速進(jìn)行鉆進(jìn)定位。同時(shí)，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)架設(shè)固定式基站，發(fā)射高精度差分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)基于北斗的精確定位，定位精度誤差不超過(guò)"5"mm。

北斗定位定向模塊與傾角傳感器借助支架固定于鉆機(jī)大臂，引導(dǎo)鉆機(jī)自動(dòng)定位并測(cè)定鉆進(jìn)過(guò)程傾斜度。深度傳感器通過(guò)在卷?yè)P(yáng)輪/定滑輪安裝絕對(duì)值編碼傳感器，該傳感器與轉(zhuǎn)盤(pán)同心旋轉(zhuǎn)，以此計(jì)算鋼絲繩吊起高度。電流及扭矩傳感器接入動(dòng)力供電線的一根火線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)定不同地層鉆進(jìn)中的電流值。一體化終端固定在駕駛室，負(fù)責(zé)各傳感器信息的收集與無(wú)線傳輸。現(xiàn)場(chǎng)打樁設(shè)備加裝北斗定位打樁模塊總覽示意圖、各傳感器加裝細(xì)部示意圖如圖"2所示。

2.2"接入樁基數(shù)字孿生平臺(tái)實(shí)現(xiàn)模塊集成

構(gòu)建基于孿生技術(shù)的樁基成孔質(zhì)量控制平臺(tái)，整合各功能模塊，達(dá)成現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工在網(wǎng)頁(yè)端的可視化映射，涵蓋成孔、澆筑、隱蔽工程驗(yàn)收、樁基檢測(cè)等全流程管理。其主要功能模塊如下。

2.2.1"初始配置模塊

該模塊包含項(xiàng)目概況、人員信息、模型導(dǎo)入、設(shè)備信息、預(yù)警閾值5項(xiàng)內(nèi)容，分別用于呈現(xiàn)項(xiàng)目基本情況、進(jìn)行預(yù)警推送、實(shí)現(xiàn)模型輕量化顯示、關(guān)聯(lián)樁基與地層三維"BIM"模型和設(shè)備、設(shè)定預(yù)警值。

2.2.2"過(guò)程配置模塊

該模塊包括網(wǎng)頁(yè)端模型分區(qū)和樁基施工相關(guān)過(guò)程信息錄入兩項(xiàng)，能夠在網(wǎng)頁(yè)端手動(dòng)分區(qū)編號(hào)并填入施工過(guò)程信息。該過(guò)程信息也可在手機(jī)移動(dòng)端完成。

2.2.3"展示模塊

該模塊涵蓋綜合展示、分區(qū)展示、單項(xiàng)展示3項(xiàng)，分別用于整個(gè)項(xiàng)目施工的數(shù)字孿生展示、各個(gè)分區(qū)施工狀態(tài)展示、雙擊樁模型實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)以展示單根樁信息。

2.2.4"樁基管理模塊

該模塊包含成孔質(zhì)量管理、施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)、成樁檢測(cè)管理、特殊地質(zhì)處理記錄5項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔質(zhì)量、進(jìn)度、工程量、第三方樁檢的統(tǒng)計(jì)與分析，記錄不良地質(zhì)處理方案與實(shí)施效果。

2.2.5"監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊

該模塊包括傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)預(yù)警、設(shè)備狀態(tài)預(yù)警、預(yù)警推送3項(xiàng)，能夠?qū)Ρ倍反驑断到y(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的指標(biāo)對(duì)比預(yù)警閾值進(jìn)行預(yù)警及對(duì)設(shè)備狀態(tài)預(yù)警，并對(duì)預(yù)警項(xiàng)進(jìn)行記錄和推送；合理規(guī)劃平臺(tái)架構(gòu)，將平臺(tái)實(shí)施主要?jiǎng)澐譃?個(gè)層面，即現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層；定制數(shù)模交互專(zhuān)屬平臺(tái)"UI"界面，設(shè)計(jì)了“樁基云端數(shù)據(jù)庫(kù)"+"前端感知（感知層）+"網(wǎng)絡(luò)通信（網(wǎng)絡(luò)層）+"物理世界與孿生空間信息閉環(huán)（數(shù)據(jù)融合層）+"可視化呈現(xiàn)（可視化層）”的一庫(kù)多層架構(gòu)。

2.3"模型導(dǎo)入

以樁基的"CAD"平面圖和剖面圖為依據(jù)，運(yùn)用"Revit"建模軟件，依據(jù)設(shè)計(jì)所提供的各樁位坐標(biāo)、樁長(zhǎng)和樁徑，進(jìn)行帶坐標(biāo)的三維建模。同時(shí)，根據(jù)樁基"CAD"剖面圖，構(gòu)建地層三維模型。在樁基建模過(guò)程中，在各樁基構(gòu)件的屬性里添加樁位坐標(biāo)、樁徑、樁長(zhǎng)等信息，讓模型具備一定的邊界與層次結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件所攜帶的數(shù)據(jù)信息可供后期調(diào)用和導(dǎo)出，如圖"3所示。

模型導(dǎo)入完畢后，在系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行項(xiàng)目的初始化配置，完成項(xiàng)目概況、人員信息、設(shè)備信息、預(yù)警閾值等信息的配置工作。

2.4"初始配置

已建好的樁基與地層三維模型被上傳至樁基成孔控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)與"BIMFACE"模型輕量化平臺(tái)對(duì)接，能夠在不改變構(gòu)件數(shù)量及層次結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)模型文件的轉(zhuǎn)換、配置參數(shù)的獲取與存儲(chǔ)。借助模型輕量化，達(dá)成了網(wǎng)頁(yè)端的實(shí)時(shí)顯示與數(shù)據(jù)的快速瀏覽。

輕量化顯示后，頁(yè)面左側(cè)會(huì)匹配相應(yīng)的構(gòu)件樹(shù)列表，頁(yè)面下端則匹配主視角、框選、測(cè)量、漫游、剖切等功能，讓使用者能更真切地感受項(xiàng)目樁基的空間布局。點(diǎn)擊構(gòu)件樹(shù)列表，可跳轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的樁模型，從構(gòu)件屬性編輯器能夠核對(duì)樁基模型的樁位坐標(biāo)、設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)、樁徑、鋼筋籠長(zhǎng)等設(shè)計(jì)信息，實(shí)現(xiàn)樁基模型的快速定位反查。頁(yè)面下端的功能鍵和視圖方塊可實(shí)現(xiàn)高效瀏覽。

在模型輕量化顯示后，點(diǎn)擊"“開(kāi)始分區(qū)”，可對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分區(qū)操作。在模型上，通過(guò)點(diǎn)擊和在線編輯的方式，能夠完成針對(duì)分區(qū)的新增和編輯操作。

2.5"可視化數(shù)模交互展示

樁基和地層模型導(dǎo)入后，樁基模型按系統(tǒng)內(nèi)置的格式和順序完成樁基編號(hào)。樁基設(shè)備開(kāi)始打樁時(shí)，加裝的傳感器模塊會(huì)回傳數(shù)據(jù)，基于北斗定位的坐標(biāo)和設(shè)計(jì)給定的樁位坐標(biāo)通過(guò)坐標(biāo)匹配算法實(shí)現(xiàn)樁基設(shè)備、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、樁基模型和樁編號(hào)的關(guān)聯(lián)。。

設(shè)備與模型關(guān)聯(lián)完成后，現(xiàn)場(chǎng)終端對(duì)樁位偏差、垂直度偏差、樁長(zhǎng)、入巖深度等信息進(jìn)行自動(dòng)采集和無(wú)線傳輸，系統(tǒng)端實(shí)現(xiàn)樁基模型在鉆孔深度下的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)伸長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)地展示樁位偏差、樁身垂直度、時(shí)間-深度曲線、實(shí)時(shí)入巖深度等信息，在系統(tǒng)端完成現(xiàn)場(chǎng)打樁的數(shù)字孿生，數(shù)據(jù)與模型交互展示，如圖4所示。

3"實(shí)施效益分析

3.1"質(zhì)量效益

樁基成孔質(zhì)量控制管理平臺(tái)能夠?qū)ψ詣?dòng)收集的各樁成孔數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。一方面，以圖形化方式實(shí)時(shí)顯示傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)，如樁位坐標(biāo)、鉆孔深度、垂直度、當(dāng)前電流/扭矩等，動(dòng)態(tài)地繪制數(shù)據(jù)曲線，點(diǎn)擊曲線數(shù)值，可跳轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)樁基模型，實(shí)現(xiàn)綜合展示和單樁展示。另一方面，系統(tǒng)平臺(tái)具備查詢(xún)和篩選功能，可對(duì)各分區(qū)樁基成孔位置偏差、垂直度、入巖深度等質(zhì)量數(shù)據(jù)，以及累計(jì)完成量、累計(jì)鉆進(jìn)延米數(shù)等進(jìn)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并以圖表形式展示分析結(jié)果，還可導(dǎo)出成樁報(bào)告。對(duì)于超出預(yù)警閾值的成孔自動(dòng)檢測(cè)項(xiàng)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警推送，將預(yù)警信息推送至相關(guān)人員的手機(jī)和郵箱，管理人員可及時(shí)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)處理，以保證成孔質(zhì)量。

3.2"經(jīng)濟(jì)效益

應(yīng)用基于數(shù)字孿生的樁基成孔質(zhì)量控制施工技術(shù)能夠達(dá)成遠(yuǎn)程端對(duì)樁基施工現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化管控，降低了人工消耗。以樁基施工為例，通常圍護(hù)樁和工程樁數(shù)量眾多，按照現(xiàn)場(chǎng)分區(qū)，采用傳統(tǒng)手段進(jìn)行樁基施工時(shí)，至少需要4名樁基施工專(zhuān)員才能完成數(shù)據(jù)采集、分析與資料管理工作。而運(yùn)用本工法的智慧控制技術(shù)，僅需1名樁基施工專(zhuān)員即可完成相應(yīng)工作，相應(yīng)時(shí)間和成孔數(shù)據(jù)均可從系統(tǒng)端直接導(dǎo)出，若以每人每月"4"000"元計(jì)算，則每年可減少人工費(fèi)用約"15"萬(wàn)元。

通過(guò)采用北斗定位、垂直度、鉆進(jìn)深度、電流/扭矩傳感器等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)成孔質(zhì)量的全過(guò)程把控。一旦出現(xiàn)偏差，能夠及時(shí)預(yù)警推送并聯(lián)動(dòng)處理，避免了因質(zhì)量問(wèn)題而返工，減少了材料和人工損耗，有效地保障了樁基施工精度。

應(yīng)用基于數(shù)字孿生的樁基成孔質(zhì)量控制施工技術(shù)，借助"BIM、模型輕量化、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，在項(xiàng)目樁基成孔過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)獲取高精度三維位置信息、垂直度、鉆進(jìn)深度、入巖深度等關(guān)鍵指標(biāo)，達(dá)成可視化映射管理，使隱蔽工程變得透明化，數(shù)據(jù)具備可溯源性，提升了項(xiàng)目管理效率。

4"結(jié)論

（1）利用智能樁基管理平臺(tái)導(dǎo)入樁基三維"BIM"模型實(shí)現(xiàn)輕量化顯示，關(guān)聯(lián)北斗定位與樁基坐標(biāo)及打樁設(shè)備，在網(wǎng)頁(yè)端分區(qū)，利用傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)樁基模型，實(shí)現(xiàn)打樁過(guò)程同步可視化數(shù)字孿生映射，實(shí)時(shí)記錄樁位坐標(biāo)偏差、垂直度、入巖深度和鉆進(jìn)深度，實(shí)現(xiàn)樁基成孔全過(guò)程管控。

（2）樁基打樁過(guò)程中，模型隨鉆進(jìn)深度伸長(zhǎng)，自動(dòng)檢測(cè)項(xiàng)以柱狀圖、曲線等形式動(dòng)態(tài)展示且可查詢(xún)，點(diǎn)擊曲線，可跳轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)樁模型和編號(hào)，能快速定位質(zhì)量偏差超限樁基并預(yù)警推動(dòng)，實(shí)現(xiàn)施工動(dòng)態(tài)管理。

（3）通過(guò)大屏展示基于數(shù)字孿生的樁基成孔，可統(tǒng)計(jì)和展示各工區(qū)樁基質(zhì)量與進(jìn)度，為施工、監(jiān)理和建設(shè)單位提供共同決策平臺(tái)。同時(shí)，依據(jù)電流和扭矩傳感器在不同地層數(shù)值差異進(jìn)行地層深度判定，根據(jù)鉆進(jìn)各地層深度確定成樁造價(jià)，使造價(jià)成本內(nèi)控有依據(jù)。

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