基于BIM技术的桩长预控制方法的研究与应用

李晓东， 吴海， 张宇航， 门凯

（中建一局集团第二建筑有限公司）

1 引言

建筑信息模型（简称BIM）技术目前被广泛应用于工程建设领域。近年来，随着BIM技术的快速发展，BIM技术在房屋建筑主体结构、矿产勘探、水利水电等领域已有广泛应用[1]。由于一般房建结构基础地质复杂，地勘报告也无法准确判断地下的情况[2]，所以目前BIM技术应用于房建结构基础部分较少[3]。

在工程建设过程中，桩基础的施工效率通常较低，主要是因为现场施工过程中无法提前预知桩孔开挖深度，导致桩孔开挖过程中需要根据设计图纸的嵌岩要求边开挖边判断；同时由于无法预知桩孔开挖深度，也导致了无法预估钢筋笼长度、施工时间等，对进度管理、物资材料准备等都产生了影响[4]，降低了生产效率。

针对以上问题，本文基于BIM技术对桩孔的开挖深度及钢筋笼长度进行了预控制，并通过案例工程，分析验证了应用的实施效果，为类似工程提供了参考。

2 工程概况

渝兴·环湖企业公园（二期）位于重庆市渝北区青竹东路渝兴环湖企业公园，占地面积53681.12m2，总建筑面积181154.78m2，其中地上面积126410.35m2，地下建筑面积54744.43m2，共5栋建筑，地下车库为两层，配建停车位1657个。工程桩采用泥浆护壁钻孔灌注桩，桩径1000mm～2400mm不等，共421根桩。设计说明选取的场地持力层为中等风化泥岩，嵌岩深度1000mm～12000mm不等。

根据地质勘察报告，本项目场地地基土层自上而下依次为素填土（Q4ml）、粉质黏土（Q4dl+el）、泥岩（J2s）、砂岩（J2s），层面之间夹少量软弱夹层及泥化夹层，结合程度很差，属软弱结构面。通过地勘报告可知本项目地层较复杂。

3 施工难点

根据地质勘察报告及设计说明，本工程在桩基础施工中存在以下难点：

①本工程勘察位置是根据初版设计图进行的勘察，后设计进行了变更，建筑物的位置均有移动，导致勘察点位与建筑位置错位，只能通过周围的地勘点对单个桩深进行推算。

②本工程地勘点为粗勘，地勘点之间的间距约为20m，部分区域不能判断岩层深度，设计要求边开挖边进行岩层的判断，导致工程桩基础施工慢，桩基础开挖完成后才能根据开挖深度制作钢筋笼，施工效率低。

4 应用方法

4.1 技术路线

由上述可知，要解决桩基础施工过程中的难点，主要需要完成以下工作内容：①为了明确每根桩下的岩土分层情况，需要根据地勘点推算并建立场地岩土分层模型；②在岩土分层模型上建立桩基础，明确每根桩与岩层的关系，并根据设计要求，计算出预控制桩长；③根据刚性角要求对桩长进行修正；④计算理论预控制桩长、钢筋笼长度、混凝土浇筑量等。根据各BIM软件的特点，本工程选用以下软件进行应用：①Civil3D，建立岩土分层模型；②Revit插件Dynamo，将Civil3D中的模型提取转化为Revit实体模型；③Revit，建立桩基础模型并与岩土分层模型进行组合，判断桩基础长度并进行修正。由上述软件特点及结合工作内容，设计了基于BIM技术的桩长预控制方法的技术流程，流程图见图 1。

图1 桩长预控制技术实现流程图

4.2 岩土分层模型的建立

通过钻孔柱状图，在Civil3D中通过【点】功能输入各个地勘点的坐标、各岩土层的分界标高信息，建立各个地勘点模型；然后通过软件【曲面】功能，将各个地勘点相同岩土层的标高连接成曲面；选中各个岩土分层的曲面，使用【从曲面提取实体】功能，将相邻曲面进行连接形成岩土层实体模型。Civil3D通过钻孔柱状图创建岩土分层模型见图 2。

图2 Civil3D通过钻孔柱状图创建岩土分层模型

将建立好的Civil3D模型导出为dwg格式文件，利用Revit插件Dynamo对dwg文件进行识别，将各岩土层单独转换为Revit中的公制常规模型，即转换为Revit中可操作的实体模型，如图 3所示。

图3 Dynamo将Civil3D模型转换为Revit实体模型

4.3 桩基础模型的建立

在建立好的Revit岩土分层模型中建立桩基础模型，通过坐标点将建筑与场地位置重合，确保建筑与场地相对位置关系正确；建立桩基础模型，先使桩基础模型底面与设计所要求的持力层最低点相交，然后降低桩基础底标高，降低的高度为设计要求的嵌岩深度，如图 4，建立出的桩基础高度变为初步预控制的桩长。建立完成的区域桩基础与岩土层合并模型见图 5。

图4 桩基础模型的建立

图5 桩基础与岩土分层合并模型

4.4 刚性角修正

初步计算出预控制桩长后，还需要根据设计的要求对每根桩进行刚性角修正，对每个桩做相邻桩的剖面，通过剖面进行刚性角的判断，对于不满足刚性角要求的桩基础，将底标高较高的桩基础底标高降低，使其满足刚性角要求，如图 6所示，对刚性角修正后的桩基础测量桩长，此桩长即为预控制桩长，将预控制桩长数据进行记录，作为其他计算基础数据。

图6 通过剖面进行刚性角修正

4.5 理论挖深与钢筋笼长度等计算

通过上述步骤获得每个桩基础的预控制桩长数据后，即可在Excel中列出公式计算出理论的桩孔开挖深度、钢筋笼长度及混凝土浇筑量等数据。预控制桩长实施过程中可获得的数据有桩顶标高、基底标高。现场桩基础施工过程中主要需要的数据为预计开挖深度、预计钢筋笼长度、混凝土浇筑量与混凝土浇筑至距离场地平面的距离，各数据计算公式如下：①预计开挖深度=场地平面标高-基底标高；②预计钢筋笼长度=桩顶标高-基底标高+35d（d为钢筋直径）；③混凝土浇筑至距离场地平面的距离=场地平面标高-桩顶标高-超灌高度；④混凝土浇筑量=桩截面积×（预计开挖深度-混凝土浇筑至距离场地平面的距离）。将计算过程及结果等数据录入统计表，方便统一管理，如图 7所示。

图7 预控制桩长计算表

4.6 现场施工及修正

计算出现场桩基础施工所需要的数据后，组织专业分包进行预控制桩长交底，现场进行桩孔开挖过程中钢筋后台便可开始同步制作钢筋笼，现场桩孔开挖到理论挖深后组织进行岩土层判断与收方，将收方实际数据输入计算表中，对理论数据进行修正，若钢筋笼长度修正后与理论值误差在500mm范围内，则钢筋笼长度可不进行修正，若在误差范围外则需要及时通知现场进行钢筋笼长度的修正，钢筋笼的长度受开挖深度的影响较大，所以现场在桩孔开挖过程中需控制好与理论挖深的误差。

5 应用效果

基于BIM技术的桩长预控制方法已应用于渝兴·环湖企业公园（二期）项目，在当前的技术条件下，与常规桩基础施工工艺比较具有明显的优势，随着BIM应用的普及以及应用水平的提升，BIM技术在桩基础施工过程中的应用也会越来越广泛，该技术对比常规桩基施工在项目的管理水平及施工效率有以下应用效果及优势：

①该技术运用BIM技术模拟岩土分层构造，运用可视化技术直接判断桩基础深入持力层的深度，以快速计算出预估桩长，替代了人工计算预估桩长，提高了计算效率，也降低了人工计算错误的风险。且该技术对项目实施人员要求较低，仅需要掌握软件的基础功能即可，全部使用软件自带的功能，不需要对软件进行二次开发，实施人员的学习成本低。

②由于提前判断预估了桩孔开挖深度，在施工现场桩基础施工过程中，桩孔的开挖可以直接开挖至预估深度再进行是否到持力层的判断，不再需要开挖到一定深度后边开挖边判断，节省了大量的判断时间，提高了开挖效率。渝兴·环湖企业公园（二期）项目中一部分区域的96根桩采用了基于BIM技术的桩长预控制方法，将预计开挖深度与实际收方的开挖深度进行对比，实际开挖深度与预计开挖深度平均相差363mm，满足允许的偏差。

③采用基于BIM技术的桩长预控制方法后现场可以同时进行桩孔开挖与钢筋笼的制作，不需要等待桩孔开挖完成后再依据开挖深度制作对应长度的钢筋笼，在桩孔开挖完成后，经过验收与修正判断后即可将钢筋笼放入，然后浇筑混凝土，大大提高了单根桩从开挖到浇筑完成的施工效率。渝兴·环湖企业公园（二期）项目中一部分区域的96根桩采用了此技术，经过测算与对比，每周施工完成的桩基础数量由常规桩基础施工方法的18根提高至每周施工完成24根。提高了桩基础施工的效率。

6 结语

本文讨论了桩基础施工过程中易产生的对工程管理、进度等不利影响以及解决施工过程中的难点所需要进行的工作，根据BIM技术的特点，提出了一种基于BIM技术的桩长预控制方法。结合工程案例，验证了此技术在工程建设中的优势及实用价值，大大提高了桩基础的施工效率。为桩基础快速施工及BIM在基础阶段的应用提供了参考。但岩土分层模型的精细度受勘察点数目和测量资料精度的综合影响，未来将采用新的算法拟合更加精确的岩土分层模型，减少理论模型与现场实际的误差。