基于BIM技术的人工挖孔扩底桩稳定性控制方法

谢童安 罗丽荷

摘要： 人工挖孔扩底桩属于埋置较深的地下隐蔽工程，其施工技术存在较大的危险性，故而加强对人工挖孔扩底桩施工过程中的稳定性和安全性控制成为亟需解决的一道难题。本文结合实际工程总结了人工挖孔扩底桩稳定性控制的传统方法和特点，提出了基于BIM技术的人工挖孔扩底桩稳定性控制的具体方法及主要内容，阐述了其优势及实施要点，最后对其拓展运用进行了展望。

Abstract： How to control the strengthening of the stability and safety in the construction of the artificial hole dug belled pile is a difficult problem that it needs to be solved urgently， for the artificial hole dug belled pile belongs to the buried deep concealed project， and its construction technique is full of great danger. In this paper， the traditional methods and characteristics of the controlling of stability of the artificial hole dug belled pile are summarized for the comparing， some concrete methods and main contents of the controlling of the stability of the artificial hole dug belled pile is put forward based on BIM Technology， and its advantages and main points of implementation are expounded， finally the development and application of this method is prosected.

关键词： 人工挖孔扩底灌注桩；稳定性控制；BIM技术

Key words： the artificial hole dug belled pile；the controlling of stability；BIM（Building Information Modeling）

中圖分类号：TU758.11 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）11-0087-03

0 引言

人工地下隐蔽作业存在着大量未知的危险因素，对桩基成孔稳定性和井下作业人员的安危存在较大威胁，若能在施工前就对地下作业环境和施工过程充分掌握，则能大大提高桩基稳定性和质量完整性以及作业人员的安全性[1]。本文从人工挖孔扩底桩的施工稳定性角度出发，结合现有的理论知识和BIM技术对影响桩基施工中稳定性因素做出了解和判断，运用4D技术对桩基施工稳定性控制点做出施工模拟，力求做到事前控制的准确性和及时性，从而提升桩基施工稳定性，从而保证桩基成桩质量和使用安全性；桩基施工的稳定性不仅关乎到桩基的完整性和质量是否满足要求，还关系到地下作业人员的安全。

1 工程概况

云南新储物流配送中心综合厂房主体工程，项目位于昆明市经开区洛羊物流片，东临鸿运大道，北接城市绿化带，西临城市主干道，南侧为部队用地。包括智能立体库一：地上一层；智能立体库二：地上一层；综合厂房：地上三层，一层架空；城储配送库：地上三层，地下一层；分拨配送库：地下1层，地上2层；配套仓储楼：地下一层，地上五层。地上建筑总高度133.55m。

工程含有人工挖孔扩底灌注桩数为258根，桩型主要为抗压桩、抗滑桩。桩身直径为0.8m、1.0m，扩底端直径为1.0～2.0m不等，桩长在11.25～18.7不等。

2 桩基施工稳定性分析

此项目地形情况复杂，桩型多样，埋深均较长，为保证桩基施工安全质量和地下作业人员的生命财产安全，在施工过程中对桩基施工稳定性控制方面提出了较高的要求，但地下错综复杂的施工条件给保证桩基施工稳定性带来了不少的困难，如何对桩基施工进行事前控制，如何保证桩基施工作业人员安全性，以及如何减少不必要的损失和返工将是研究人工挖孔桩一直以来急需解决的问题。

建筑信息模型（Building Information Modeling）或者建筑信息管理（Building Information Management）是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，建立起三维的建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息[2]。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点。将建设单位、设计单位、施工单位、监理单位等项目参与方在同一平台上，共享同一建筑信息模型，利于项目可视化、精细化建造[3]。

由于本桩基项目施工地下环境复杂、桩基埋深较深，施工时难以保证桩基施工的稳定性和地下作业人员的安全性，因本项目在设计阶段结合BIM技术，运用其具有的独特优点，结合BIM技术的双向利用和双向控制对桩基工程进行事前控制和仿真模拟，实现了人工挖孔桩的实测实量，达到了施工过程稳定性控制以及保证作业人员安全性的目的。

3 人工挖孔扩底桩稳定性控制难点

人工挖孔扩底桩属地下隐蔽工程，本身存在很多施工风险以及未知的安全影响因素，每个工程又具有其特殊性和施工难点，因此在很多地区受到了使用限制。但其所具有的承载力高，施工简便和器械简单等优点又受到大多工程人員的喜爱[4]。因此控制好施工阶段的稳定性和保证好地下作业人员的安全性是大力推广人工挖孔桩运用的首要责任。

本项目位于昆明市经开区洛羊物流片地区，地质情况复杂，同时受周围干道影响较大，所以针对本项目，人工挖孔扩底桩施工稳定性控制具有以下5个重点、难点：

①本工程地质情况较复杂，桩底标高差异较大，桩端持力层难以检测，不易控制；

②工程四周受城市干道和部队用地限制，对施工中对周围既有设施产生的扰动影响有严格限制，因此需要进行实时监控，综合管理；

③对于桩基尺寸检查、垂直度测定、桩长验证、扩底端监控等实测工作量大；

④井下作业环境恶劣，人工检测危险性较大；

⑤传统交底技术不够彻底，施工中桩基易发生稳定性问题，从而影响桩基质量和作业人员的安全。

如何解决桩基施工稳定性难点是解决桩基施工的首要问题，也是保证桩基使用的前提条件。

4 传统稳定性控制方法

传统保证人工挖孔扩底桩稳定性主要是在桩基设计阶段和施工阶段完成。在设计阶段沿用桩基规范和地区要求，结合之前已有的设计经验进行桩基设计，通过大量桩基设计成果表明此设计方法所得设计结果偏于保守，导致成本投入过多，造成一定的资源浪费；施工阶段则是根据设计及成果制定相应的施工方案，沿袭传统的施工工艺和施工技术，此方法并没有取得较好的施工效益，且施工阶段存在较多的位置安全隐患，如若处理不好则容易造成安全事故，且这种方法人力花费大，需考虑大量影响因素，若稍有不慎则会对桩基稳定性造成严重的影响。同时设计和施工阶段的偶然误差和设备误差难以控制，导致桩基成孔是否稳定不得而知。因此若想保证桩基质量和施工安全，需对桩基进行良好的事前控制，拟用最小的成本得到较高的效益。

5 基于BIM技术的控制方法

本文基于BIM 技术提出双向利用的稳定性控制方法。具体控制思路如图1所示。

5.1 模型指导施工方向

相比常用的“二维图纸设计→技术交底→现场施工”传统模式，BIM技术在建筑项目全生命周期管理即BIM中的运用，其包括设计阶段、施工阶段、验收阶段和维运阶段[5]。就人工挖孔扩底桩施工阶段而言，主要从施工技术交底的控制、稳定性控制点的设置、施工工序等方面进行稳定性控制。BIM技术利用建模软件针对项目中人工挖孔扩底桩构建实体模型，如图2所示（部分截图），便于现场作业人员理解和掌握，方便图纸会审和技术交底；4D虚拟施工现场作业人员不用结合多张二维图纸进行构想三维实体，而是直接通过图片或模型虚拟施工就可直观明了地掌握桩基稳定性控制关键点，这种方式大大提高了控制桩基稳定性的有效性。

5.2 BIM技术中桩基稳定性控制实施

模型精度直接决定后期模型应用的深度，精度越高，信息越全，意味着模型参考性越高，但同时会带来人工及时间成本的大量投入，所以要根据应用的深部分清不同阶段模型的精度。就人工挖孔扩底桩施工阶段稳定性而言，建立模型初期阶段可确立如下模型精度来控制其稳定性：

①桩端持力层：本项目人工挖孔扩底桩属嵌岩桩，因此桩端持力层情况的好坏决定桩基竖向承载能力是否可以满足设计要求和使用要求，因此桩端持力层为影响桩基完整性的原因之一[6]。运用BIM 技术，可根据勘察设计单位所提供的勘察数据进行观察所在地的地下情况进行图样化、可视化，在未施工前预先从视觉上了解地下土层情况，以便施工中遇到突发情况可进行及时的处理，解决不必要的安全问题，土层剖面图如图3所示。

②桩端扩大头：当桩长超过5m时人工挖孔扩底桩的单桩竖向承载力可忽略桩侧摩阻力的贡献，由桩端承载力来代表桩基竖向承载力，由计算公式可知，当桩端持力层承载力特征值一定时，桩端扩底面积则是影响桩基竖向承载力的唯一因素，而满足桩基竖向承载力则是桩基设计的首要满足要求，因此桩端扩大头尺寸为影响桩基完整性的原因之二；桩端扩大头的设计不仅是对桩端扩底面积的设计，还包括桩端扩底角度的设计，桩端扩底角度大小不仅影响桩端扩大头尺寸，其角度的扩大程度还影响到桩端斜面是否稳定，是否能够在浇筑桩芯混凝土之前承受斜面上庄周土体的自重不会坍塌造成安全质量事故，这些未知因素不仅关系到桩基施工是否安全，是否能够保证桩基施工的稳定性，还关系到地下作业人员的安全问题，因此桩端扩底角度为影响桩基完整性的原因之三，桩端扩大头如图4所示。

③钢筋笼：人工挖孔桩的钢筋笼大多采用预制式钢筋笼，或在桩孔周围制作后直接吊入，或在厂房批量生产后运输吊入。影响钢筋笼质量和稳定性的因素较多，但最主要的因素有两点：1）首先钢筋笼是否按照设计要求进项场外制作，是否满足质量要求都将会对桩基完整性造成影响；2）其次，钢筋笼的安放过程是否会对混凝土护壁产生碰撞引起混凝土的剥落，安装是否符合垂直度要求也会对桩基完整性造成影响，因此钢筋笼为影响桩基完整性的原因之三。钢筋笼的运输和吊入过程存在许多偶然因素和机械误差将会对钢筋笼的质量产生一定的影响。因此如何保证钢筋笼制作、运输和吊入的稳定性和保证质量安全则是一个急需解决的问题，因此混凝土护壁为影响桩基完整性的原因之四，钢筋笼示意图如图5所示。

④桩芯混凝土：桩芯混凝土的浇筑直接影响到桩基完整性和稳定性，从而影响桩基质量，桩芯混凝土浇筑质量则是保证桩基承载力的重要因素。若桩芯混凝土在浇筑过程中产生离析、蜂窝等缺陷將会严重影响桩基竖向承载力，从而影响桩基质量，严重时还会造成返工[7]。尤其桩基在受力过程中，若桩芯混凝土浇筑不密实，在作用时易产生混凝土压缩沉降导致上部建构筑物的沉降，严重时还会导致桩基受力压碎破坏，因此桩芯混凝土的浇筑在桩基工程中起到至关重要的作用，因此混凝土护壁为影响桩基完整性的原因之四，桩芯混凝土如图6所示。

⑤混凝土护壁：混凝土护壁的稳定性一方面可以防止孔壁土体坍塌造成土底沉渣过厚影响桩基完整性，另一方面防止土体坍塌对井下作业人员安全造成的威胁，因此混凝土护壁为影响桩基完整性的原因之五。

基于上述五种施工中影响桩基完整性因素的考虑，运用BIM技术在设计后施工前进行实体模型的建立，运用4D技术进行虚拟施工现场的模拟，对施工进度计划与施工工艺进展情况随时进行直观快速的了解，同时进行各方协同调整，有助于施工方、监理方、业主对工程项目的施工情况掌握于心。可以从最大程度上解决桩基稳定性的问题，最大程度上保证桩基稳定性，从而保证桩基质量和井下作业人员的安全问题。

6 基于BIM技术的稳定性控制优势

BIM技术较其他软件或检测方法有较高的适应性和优势，其具有的可视化、参数性、协调性等优点让其在工程项目中逐渐得到推广与运用，在人工挖孔扩底桩稳定性控制上具有以下优势： ①BIM技术可以将复杂地形进行三维绘制，与原来只能通过勘察报告的平面图或剖面图判断地形相比更直观，也更形象；②运用BIM技术的实体化模型和4D模拟施工过程可直截了当地了解整个施工工艺和施工过程，加强了事前稳定性控制，易于掌握桩基稳定性控制点的施工进程和质量，随时查看实际施工进度与计划进度的差距，及时进行各方协调配合；③BIM技术具有的参数性优点可在实际施工中对模型进行参数修改，以适应实际过程需要，根据BIM设计模型的修改及时对施工工艺、原材料需要和成本投资进行更新，减少不必要的浪费；④BIM技术加强协调稳定性管理体系，在施工过程中，涉及到的专业、岗位众多，BIM信息的易移植性和易修改性加强了各个专业的协同合作，不同岗位可及时反映信息、处理信息及同步信息。

7 基于BIM技术的稳定性控制发展展望

本文主要对人工挖孔扩底桩的稳定性控制在BIM技术中的运用进行了阐述。其应用过程已经对人工挖孔扩底桩的稳定性控制方法和所取得的效果有了明显的提升。不过BIM技术在国内的发展还只是介于初期阶段，未被广泛采用。但BIM技术是三维工程设计方法的基础，具有划时代意义。随着建筑行业的逐步深化改革，信息化的不断推进，相信在未来BIM技术可以在建筑施工稳定性控制方面与传统技术相结合，从而提高信息集成化。正因如此，BIM技术还是有很高的研究前景。

参考文献：

[1]曹贤发，张家生，刘之葵，等.施工期间人工挖孔桩桩间土稳定性分析[J].广西：岩土力学，2013（05）.

[2]何关培.那个叫BIM的东西究竟是什么[M].中国建筑工业出版社，2011.

[3]何关培.施工企业BIM应用技术路线分析[J].广州：工程管理学报，2014（02）.

[4]江卫文.大直径人工挖孔桩桩省质量控制分析[J].山西：山西建筑，2008（18）.

[5]张建平，李丁，林佳瑞，等.BIM在工程施工中的应用[J].北京：施工技术，2012（16）.

[6]郭勇.人工挖孔桩承载力影响因素及质量控制研究[J].西安：西安建筑科技大学学报，2010（11）.

[7]邵广彪，孙剑平，江宗宝.大直径人工挖孔桩离析事故加固与施工技术[J].山东：岩土工程学报，2011（52）.