BIM 技术在桩基工程判岩工作中的应用

陈 驰 梁渡东 汪义锦

广东国信工程监理集团有限公司 广东茂名 525000

为了推进BIM 技术在桩基工程上的实践应用，将企业自主开发的桩基工程APP 与BIM- API 接口结合，利用工程现场产出的数据，探索BIM 二次开发技术结合动态地质模型推演桩基持力层深度的技术模式的可靠性，提出该模式在桩基工程判岩工作中的优势与应用价值。

1 试点项目

在某商储二期项目中，新建160 万m3原油罐组，共16 座储罐，单座储罐10 万m3。项目桩基工程采用振冲碎石桩和长螺旋钻孔灌注桩两种桩型，BIM 技术在10 台罐中应用。其中罐T01、T02、T05、T06、T13 桩型为振冲碎石桩，5 台罐合计共有振冲碎石桩6325 根；罐T07、T08、T14、T15、T16 桩型为长螺旋钻孔灌注桩，5 台罐合计共有长螺旋钻孔灌注桩5265 根。

某LNG 扩建项目（二期）中新增5 座27 万m3LNG储罐，为全国单罐容量最大的LNG 储罐。5 座27 万m3LNG 储罐均采用钻孔旋挖灌注桩，每罐有钻孔旋挖灌注桩406 根，共有钻孔旋挖灌注桩2030 根。

试点的两个项目中罐体均为大容量储罐，对桩基工程质量要求甚严。其中，在某商储一期项目中已发现该地区地层结构多变，部分区域关键土层缺失，部分地区存在持力层深度大范围突变。详勘报告中地勘孔分布较为分散，跨度大、数量不足，给现场工作人员对桩基的入岩判断带来一定的困难。在某LNG 扩建项目（二期）中，项目所在地区为炸山填海区，所填碎石皆为中风化花岗岩，地层持力层高程突变明显，埋深变化大。其最深区域位处海边区域，距地面深度接近43m，埋深浅处仅4m，仅有的少数地勘点无法全面反映地层结构和走势，难以有效辅助现场工作人员进行桩基入岩判断。

在上述项目中，改进了传统的判岩模式，使用BIM 技术建立数字动态地质模型，批量生成持力层剖面图和桩位点控制深度，辅助现场判岩工作，提高判岩准确率。

2 建立地质模型辅助桩基持力层判断工作

2.1 地质模型建模原理

地层体三维建模一般采用点云建模、面元建模、体元建模或者混合建模四种建模方式，每种建模方式分别具有自己的优缺点。

根据现有的地勘资料特点，在试点项目的地质模型建模工作中，采用面元建模的方式建立地质模型。面元建模适合应用于单纯的计算建模中, 因为涉及的模型点数量比较少，具有模型体积小，检索速度快，数据格式简练等优势。利用三点成面建模方法，将每一个地勘孔看作三维模型面的一个点，每一个三维模型面点（地勘点）与附近的三维模型面点（地勘点）交叉成面。通过两个地层面成体，或者设置另外一面深度的方式进行成体，最终形成完整的地质三维模型。图1 为某LNG 扩建项目（二期）持力层地质模型。

图1 某LNG扩建项目（二期）持力层地质模型

通过三点成面建模方式，大大提高了地勘孔的利用效率，生成的三维模型支持多角度旋转，多角度剖切，快速检索地层数据等功能，突破了传统连点成线判岩模式的局限性与弊端，为现场监理人员实施桩基判岩工作提供帮助。

此阶段三维地质模型建模数据均采集于地勘报告中的地勘点一次建模而成，但仍存在模型精度不足，偏差大等弊端，需要根据不断采集的数据对模型进行动态校核。

2.2 地质模型推演桩孔持力层深度的原理

桩基工程中的每一个桩孔均可视为地质模型上的一个点，通过对此点做向下的垂直射线，射线于地质模型的某个三角面相交于一点，此点的高程便是此桩位点的持力层控制高程。

垂直射线与地质模型面交点的空间X、Y 坐标与桩孔点X、Y 坐标相同，唯一未知变量是垂直射线与地质模型面交点的空间Z 坐标。将此交点与相交面三个顶点进行连线，将已知数据建立数学方程组进行解算，可求得垂直射线与地质模型面的交点的空间的Z 的值。

作者使用Autodesk 产品的Civil3D 软件，使用Civil3D 中“从曲面获取高程”功能，从桩位点做垂直射线获取地质模型三角面高程，批量获取每桩点持力层高程信息。图2 为某商储二期项目地质模型推演持力层模型。

图2 某商储二期项目地质模型推演持力层模型

2.3 数据的导入

根据现场资料，利用CAD 数据导出功能和作者使用C# 开发的桩编号与桩孔坐标快速整合工具，从设计图纸和施工图纸中批量提取桩点数据。通过Civil3D 点导入工具将提取出来的桩点信息快速导入软件Civil3D 中。使用Civil3D 中的“从曲面获取高程”功能，批量获得一次建模推演的持力层高程控制数据，导出Excel 表格。

三维模型与现场工程数据的互动是BIM 技术应用的核心基础，为了将现场数据与三维地质模型交互，作者采用企业自行开发的数字化桩基工程APP 数据导出接口，使用C# 编程语言和Revit- API 进行二次编程开发，实现快速批量将现场数据导入BIM 模型功能。

2.4 动态修正模型

一次建模而成的地质模型因详勘孔数据不足等原因，存在精度低、偏差大弊病，为了提高地质模型精度，在上述两个试点项目中，均采用桩基工程产出数据来动态修正地质模型精度。

作者采用了C# 编程语言结合Revit- APi 接口进行持力层数据校核功能开发，收集现场桩位点成孔数据和现场工程师判岩报告中的持力层判定高程导入模型，利用计算机的快速检索的优势，将已打桩孔视为地勘孔，快速校核比对地质模型推演出的持力层高程点。设定修正条件，触发修正条件的比对结果以点云的数据结构导出，反向导入Civil3D，以达到动态校核地质模型，修正模型精度的目的。

2.5 数据成果的更新与导出

数据成果以动态持力层剖面图（图3）和详细桩孔点控制高程表格形式导出，每进行一次地质模型动态校核，数据成果也随着校核结果进行动态更新。

图3 动态地质模型剖面图

3 BIM技术在桩基工程判岩工作中的应用效果

现场监理工程师从地质模型批量生成的剖面图中提前预知地层变化情况，对地层存在突变、坡度较大的桩位点与施工方提前进行商，做出预警，减少问题桩发生的概率。地质模型批量生成的理论桩孔深度、NE 转换坐标等数据，大大减少了现场工作人员资料查阅、数据笔算等重复性工作。

批量生成的持力层剖面图和桩孔持力层控制高程数据结合其他判岩手段，使现场人员的判岩工作得到了有力的保障，利用BIM 技术建立的动态地质模型辅助桩基持力层判断的技术模式，有效规避了因地质勘察资料不全为桩基入岩判断工作带来的困难和风险。

在某商储二期项目中，经过储罐充水试验证明，所使用的两种桩型都达到了设计要求。通过储罐充水试验的沉降观测表明，单罐平均累计沉降量在45mm 上下波动，最小平均累计沉降量为27.7mm，最大平均累计沉降量69.33mm。振冲碎石桩的施工质量与国内同类储罐工程相比，远远好于其他同类工程。

某LNG 扩建项目（二期）动态地质模型的应用已经得到了业主方的一致好评，BIM 技术应用被业主列为项目技术创新重点。

4 结语

BIM 技术结合动态地质模型辅助桩基工程判岩工作的技术模式，在试点项目上的应用已取得良好的效果。通过对比动态模型持力层推演高程与实际入岩高程差，可以用BIM 技术生成更多直观的多维度地层状况，对地勘资料数据内容的不足进行补充，提高地勘资料的使用价值，降低工程技术人员的判岩风险；可减少工程超前钻数量，节约工程经济成本。本文以BIM 技术的创新应用，引导工程技术人员用BIM 技术模式去解决判岩困难的问题，对BIM 技术的多维度应用及推广具有一定的借鉴作用。