岩溶强发育地质条件下桩基工程BIM分析管理系统开发与应用*

朱 超，范柏高，刘家文，许 进

(中建科工集团有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

BIM技术以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，建立三维建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，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[1]。BIM技术作为提高建筑信息化的手段，我国近年来大力推广以BIM技术为主导的建筑信息化发展导向，2020年住房和城乡建设部印发《住房和城乡建设部工程质量安全监管司2020年工作要点》的通知，积极推进施工图审查改革，创新监管方式，采用“互联网+监管”手段，推广施工图数字化审查，试点推进BIM审图模式，提高信息化监管能力和审查效率，大力推动绿色建造发展。编制完善绿色建造技术导则，选取部分地区开展建筑工程项目绿色建造试点工作。推动BIM技术在工程建设全过程的集成应用，开展建筑业信息化发展纲要和建筑机器人发展的研究工作，提升建筑业信息化水平[2]。

医疗建筑是以治疗疾病、维护人类健康为目标的用来支撑社会医疗、保健和福利制度的建筑设施，是重要的民生工程。大鹏新区人民医院项目(见图1)从打造医院类BIM信息化技术应用示范项目的角度，开展桩基阶段BIM信息化关键技术研究。

图1 大鹏新区人民医院效果

1 国内传统桩基工程施工现状

1.1 桩基工程特点

桩基础施工技术具有较好的科学性和灵活性。不同地区的土层透水性、岩石坚硬程度及地质岩层特性等都有较大区别，并且也有部分地区地下为含有腐殖质层等软土地基层结构，因此，对于不同区域的地基来说，对其沉降率、抗剪强度等参数有着不同要求，而桩基础施工技术具有良好的灵活性。即使不同地区对于施工方式及施工技术有各自要求，桩基础施工技术也可对其进行灵活调整，在我国科学技术不断快速发展的背景下，桩基础技术也显现出较高的科学性，可进一步优化和发展现有桩基础施工技术，不断提升其灵活性和科学性，也能更好地实现我国建筑行业的健康发展。其次，桩基础施工技术还具有较强的稳定性和承载性。作为一类混凝土结构，桩基础结构本身就具有很多优势，如稳定性强、硬度和强度高等，同时地基也能够与混凝土结构快速融合并形成一个稳固的整体，确保建筑物整体承载力符合相关的技术要求，大大提高了建筑的使用安全性。

1.2 传统桩基应用现状

当前我国使用的桩基础类型主要包括埋入式、钻孔灌注式和人工挖孔桩等。施工过程中使用的桩基础技术主要根据施工现场的具体情况进行分析，使用更合理的技术保证桩基础质量。但在当前施工过程中，受到前期现场勘察问题的影响，使用的传统施工技术不能满足实际要求，设计和施工人员只有根据经验来完成前期建设和准备工作，但由于提供的数据不完整，准备工作会出现问题。传统技术的使用过程中，施工阶段设计桩长的估算往往是根据勘察单位提供的剖面图、数据表、报告进行综合分析，需结合多张二维平面图进行分析、重构三维场的分布特征，而重构往往取决于技术人员经验[3]。例如，设计桩长估算误差过大，会导致工程桩钢筋笼加工长度误差过大，则需要对钢筋笼进行切割或焊接，导致钢筋笼质量下降，影响钢筋加工场及施工机械设备正常的作业秩序，进而导致桩基工程综合作业的进度滞后和成本增加[4]。

1.3 施工现状及短板

对于桩基础施工，由于不能得到准确数据，设计人员需根据本地区的施工经验和各种完成建设的项目数据进行桩的建设，这样就会出现桩过长或不符合长度的情况，因此，需使用能计算准确数据的技术来防止返工问题的出现。虽然传统施工能够保证建筑物质量，但各施工环节较多，施工现场完成的浇筑桩等均会导致工作时间长和操作繁琐的问题，但使用BIM技术后，对模型进行模拟建设，可提高工作效率。例如，传统方式的施工方案交底需根据超前钻柱状图对设计桩长进行估算。目前，桩基选型是以地质勘探报告提供的不同岩层测点或等高线数据来结合规范进行计算，估算出的桩长及溶洞情况需在施工方案中逐一进行技术措施说明[5]。

2 BIM技术在桩基工程中的应用

2.1 BIM技术在岩溶地区勘探数据分析中的研究与应用

2.1.1项目地质条件

拟建场地岩溶发育有如下特征。

1)本次勘察地表无岩溶塌陷、漏斗；灰岩面起伏较大，相邻钻孔间基岩高差>5m；勘察共340个钻孔揭露灰岩，其中131个钻孔揭露有溶洞，揭露溶洞钻孔约占揭露灰岩地层钻孔总数38.5%。揭露灰岩厚度为3 377.18m，其中揭露溶洞总高度为679.80m，平均钻孔垂向溶洞率为20.1%。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》有关规定，该场地岩溶发育程度等级为岩溶强发育。

2)水平岩溶发育程度强于垂向岩溶发育程度，场地溶洞以单个溶洞为主。在131 个见溶洞钻孔中，揭露单层溶洞的钻孔有81个，占见溶洞钻孔的61.8%，揭露多层溶洞的钻孔有50个，占见溶洞钻孔的38.2%。

3)场地溶洞规模大小不一，洞高最大16.30m，最小仅0.20m。在131 个见溶洞钻孔中，共揭露溶洞221个。其中视高度<1.00m的溶洞有49个，占溶洞总数的22.2%；视高度≥1.00m且≤5.00m的溶洞有140个，占溶洞总数的63.3%；视高度>5.00m的溶洞有32个，占溶洞总数的14.5%。溶洞以中、小型溶洞为主。

4)岩溶顶板厚度0.20～4.30m。在221个溶洞中，顶板厚度<1.00m的溶洞有128个，占溶洞总数的57.9%；顶板厚度≥1.00m且≤3.00m的溶洞有86个，占溶洞总数的38.9%；顶板厚度>3.00m的溶洞有7个，占溶洞总数的3.2%。溶洞顶板厚度一般较薄。

5)岩溶发育顶部标高为-10.110～27.280m。在221个溶洞中，岩溶发育顶部标高在20.000m以上的溶洞有22个，占溶洞总数的10.0%；岩溶发育顶部标高在10.000～20.000m的溶洞有132个，占溶洞总数的59.7%；岩溶发育顶部标高在0～10.000m的溶洞有53个，占溶洞总数的24.0%；岩溶发育顶部标高在0以下的溶洞有14个，占溶洞总数的6.3%。溶洞埋藏深度标高一般在0～20.000m。

6)在揭露的221个溶洞中，全充填溶洞有98个，占溶洞总数的44.3%；半充填溶洞有104个，占溶洞总数的47.1%；空洞仅19个，占溶洞总数的8.6%。溶洞一般存在有充填物。

7)结合物探成果分析得出，场地岩溶分布空间上，L1～L7线(剖面线14～17)溶蚀和溶洞发育较多，且空间上连续性较强。L8～L33线(剖面线1～13)溶蚀和溶洞发育较少，一般多呈点状分布，呈不连续发育特征。溶洞影响区域如图2所示。

图2 项目溶洞影响区域

2.1.2应用难点分析

本场地为岩溶强发育场地，以中、小型充填溶洞为主，洞隙连通性较好；地下水活动及富水性一般；上覆土层主要为坡积粉质黏土②、第四系坡残积粉质黏土④1和粉质黏土④2。当基坑开挖后，岩溶埋藏较浅，且其中充填物大部分为软弱土体，顶板岩石厚度较薄，溶洞发育地段存在产生地面沉降和塌陷的潜在危险。作为高层建筑场地，应采取相应的地基基础处理措施。

2.1.3BIM地质模型深化难点分析

BIM深化设计建模均采用Revit专业建模软件进行深化，由于本工程地下存在较多异形岩层，每个岩层分布均呈不同角度的变化，且较多岩层为双向岩层，如采用建模软件直接进行建模，存在如下问题。

1)异形岩层变化不规律，建模描绘需添加较多辅助线和块，易出错。

2)双向岩层分布模型中易出现冲突，双向兼顾，模型切换耗时长，效率低。

3)Revit软件运转模型需较大内存，如需在模型中运行繁琐的处理大型溶洞及花岗岩持力层节点，将导致模型运行速度大大降低。

2.1.4解决方法

根据分析，结合以往深化建模经验，需采取将各岩层数据的处理建模程序移至模型软件外，单独组织深化人员进行处理后，再移至模型软件内进行简单处理。由于模型深化流程处理过于麻烦且复杂，转移更换模型格式过程中易导致模型信息丢失。因此，利用二次研发管理系统与Revit建模软件之间相兼容的特点，且Revit软件运转内存小、运行速度快，通过模型建立立面粉质黏土层、溶洞、微风化岩层的线条，再通过立面线条图描绘出地形实体模型(见图3)，通过多人分工建立地形各立面，形成各立面的立面图及溶洞复杂区域立面图，这样即可在模型中直接根据地形形状进行拟合建模，以此快速高效、高质量地完成地质复杂的建模问题[6]。

图3 地形实体模型

2.2 BIM辅助桩基选型设计及经济性研究

大鹏新区人民医院需对复杂地质的桩基类型方案进行选择，以满足医院设计地基承载力要求。目前，桩基选型计算工作量大且繁琐，易导致数据出现偏差，同时桩基类型繁多，不同桩型对应不同地质，不利于在桩基选型过程中的交流。因此，对三维地质模型与桩基模型进行合并分析，通过可视化、参数化的形式进行桩基选型，可直观地进行对比、修改，提高了设计单位与勘探单位交流效率，同时，利用地质模型分析持力层分布情况，结合规范合理有效地对桩基进入持力层所需的有效桩长进行计算(见图4)，避免资源浪费和损失[7]。

图4 局部设计桩基入岩

2.3 基于BIM技术的桩基模型智能化施工交底应用与研究

在工期紧张的背景下，施工现场桩基施工流程缺乏可靠规范的施工方案交底，针对复杂、溶洞较多的区域需编制详细的施工方案交底，但由于复杂地质桩型分类繁多且需要处理的溶洞数量较多，需编制的方案多达100多套，因此，需依靠BIM超前钻模型关联数据智能化导出施工方案，用于现场施工交底，大大提高了项目部的工作效率，同时也能保证桩基施工与溶洞处理方案指导现场施工，避免返工[8]。

根据前期勘探的超前钻柱状图，通过超前钻数据建立精确的超前钻模型，生成三维地质模型；通过超前钻模型可视化及其信息数据，确定桩基类型，包括但不局限于灌注桩、摩擦桩、PHC桩、加筋桩；依据超前钻施工的实际数据(见图5)建立信息化模型，从模型中可形象地统计项目整体的溶洞分布范围、厚度及桩端持力层高度，并进一步推算出桩基有效桩长，统计导出桩基类型、直径、入岩深度，针对不同类型溶洞提出具体的处理措施，进行BIM三维可视化桩基施工交底[9]，有效提高了现场桩基施工的工作效率及正确性，同时也提高了利用BIM技术处理施工现场数据的效率，及时有效地将分析结果反馈至施工现场，通过地质勘察报告与模型数据对比，检查复核地质勘察报告，优化数据，控制桩基施工质量，提高精度，节约材料，达到与现场施工协同一致的工作模式。

图5 第61号桩超前钻穿越岩层情况

2.4 桩基工程全周期数据库管理集成系统开发与应用

桩基工程在竣工阶段形成的资料分类繁多复杂，若缺乏资深的整理人员，将在竣工结算或竣工资料归档时增加信息错误、资料缺失的风险，因此，研发管理系统在竣工阶段需通过模型作为信息载体，将前期的超前钻分析数据及施工过程中的施工方案交底与施工验收照片进行关联管理，后期的竣工验收资料在模型平台管理的云端数据库中得以展示，通过云端模型数据管理库更加形象生动地展示全周期桩基设计、施工及溶洞处理的管理痕迹。

传统的信息化竣工模型及竣工资料的交付方式繁琐且缺乏集成数据平台，本课题研发的管理系统针对桩基从设计阶段、施工阶段到最后的竣工阶段资料归集进行全过程信息化管理(见图6)，管理痕迹均可通过关联BIM模型查看相应阶段的工作内容、处理方案及最后的落地应用效果，有利于建设方准确有效地了解桩基施工全过程的技术措施及施工质量，打破了传统的信息孤岛等落后现象。

图6 施工数据信息库归档

3 效益分析

1)大鹏新区人民医院项目通过在二次研发建模系统中建立地形地表各立面图，解决了最受制约的地形复杂性表达建模问题，提高了建模速度，加快了深化出图，为桩基施工、现场溶洞处理奠定了基础。采取此方法后，在相同人员、设备等条件下，共可缩短时间1 029d。

2)准确对桩型承台类型及标高进行设计，减少了设计变更工作量；工程师用肉眼判定入岩情况时，存在一定的主观性和片面性。而通过钻机钻进速度判定入岩情况时，同一型号的钻机由于作业时长、作业环境、操作人员的习惯等因素在同一岩层下的钻进速度也会有差别。因此，依据这两种方式判定工程桩的入岩情况，偶尔还会出现桩基入岩判定偏差[10]。通过模型直观的表达方式保证桩基施工精度，也可提高桩基桩身完整性及承载力，节约20%制作成本，生产效率提高近100%。

3)可提高设计方对勘察单位超前钻数据的处理效率，准确高效地进行桩基选型、有效桩长的计算及持力层埋深的有效估算，提高了设计方的管理效率，保证了设计方的成果质量；施工方有效把握溶洞的处理方法，避免超灌及桩基塌孔、返工等一系列质量问题，可节约水泥用量，有利于节能减排，同时也提高了班组工作效率，保证施工方顺利完成相应的施工时间节点；建设方准确有效地了解桩基施工全过程的技术措施及施工质量，打破了传统的信息孤岛等落后现象。

4 结语

自主研发管理系统经过项目实践形成了一套规范的全过程信息化管理模式，与传统的管理模式相比，各项输出成果效率及质量均能得到明显提高，桩基施工质量也明显提高，管理系统的落地应用效果也得到了项目五方责任主体的一致认可，同时，信息化管理模式对我国建筑业的信息化建设起到了“助动器”和“催化剂”作用。