运用BIM 技术助力低山台地住宅建筑群雨期防洪施工

文／王骜、刘元元、李扬、孙树斌、马波 中建一局集团第二建筑有限公司 北京 102600

1.背景资料

本工程为门头沟区低山台地住宅建筑群项目，位于北京市门头沟区永定镇。施工场地地处北京市西郊山区，属于构造侵蚀的低山丘陵区，海拔高程在210m～490m之间，四面环山。坐落在马鞍山北侧，区内南北向、北东向冲沟发育，低山台地建筑群在基坑开挖施工阶段整体地势呈西高东低、南高北低分布形势。距离东北侧永定河约6.0km。场区南部有泉水涌出，径流距离短，大多渗入地下，雨季汇水多由斜坡向北东向自然冲沟径流及下渗。

图1 场区地貌照片

一般气候条件下沟谷干涸，无地表径流。气候属大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季晴朗清爽，冬季寒冷干燥，年平均气温7～10℃。据气象局降水资料统计，区域年平均降水量为610.76mm，最大年降水量为1977 年的970.1mm，最小年降水量为1965 年的285.3m，详见图2。门头沟岢罗坨-潭柘寺一带多年平均最大10 分钟降雨量为18mm，多年平均最大30 分钟降雨量为30mm，年最大60 分钟降雨量为40mm，360分钟降雨量为70mm，年最大24h 降雨量为110mm。7～8 月的降水量可占到全年降水量的60%左右，详见图2、图3。

图2 门头沟区各年降水量分布图

图3 门头沟区多年累积最大降水量按月分布图

图4 场区模型图

图5 模型转换及汇流分析

2.工程概况及施工难点

本项目为多台地叠拼住宅项目，建设用地面积56613.2 m2，总建筑面积123677.39 m2，共19 栋单体建筑，住宅部分地下二层，地上四层，建筑高度13.5m。不同台底标高住宅基础依靠架空层过渡、连接，基坑最大开挖深度为13m。

建设项目四面环山，雨季汇水面积大，建设用地周边原地貌土方未降至设计标高，建设单位正在进行周边场地平整，场区内存在约150 万m3土方未移除。场地西侧楼座位置存在高于楼座基底45m 高的土山，正在进行降方。由于客观原因，出土效率较低，土方场内倒运后被放置在南侧红线外层层堆叠，形成高填方台地，与南侧拟建公建基底形成最高40m 的高差。

场区周边规划有正式排洪渠作为建筑投入使用后的雨期排水的永久性构筑物，鉴于目前施工进度情况，此排洪渠尚未施工。

场区周围红线外为大市政施工区域，建设单位要求大市政雨污水管在雨期施工来临前施工完成，由于大市政雨污水管紧贴场区红线，因此，考虑到大市政雨污水管若在雨期施工来临前不能完成回填施工的情况下，需要修筑土坝截水，在坑边修筑截水台，并根据三维扫描地形成果，将雨水引导疏排至修建好的排洪沟内。临时排洪沟附近的2#涵洞边坡外侧设置挡水围堰，围堰暂定高1.5m，实际现场高度根据水量大小临时安排接高。底部2m，上部1m。围堰采用沙袋防护。3#涵洞计划在进入雨季前完成施工，涵洞主体具备过水条件。

雨期施工前按照施工进度计划场区内公建已开挖至基底标高，东侧地库及相连接的住宅群正在进行开槽施工，土方开挖及基坑支护同步进行，在雨期施工来临之前需要做好基坑外截水措施及基坑内集水抽排措施。

持续大方量开挖阶段横跨整个雨期施工，如何做好低山台底地区挖方阶段雨期施工的防洪防汛，及时疏导排水工作，避免雨水冲毁及倒灌是本阶段施工的重点和难点。

3.解决思路

3.1 综合考虑目前建设用地位于浅山区山坳处，周边山体及场内现状土体汇水面积大，正式泄洪设施尚未完成的特点，雨季来临将对建筑施工带来极大的安全隐患，合理规划雨期施工集水，导水，排水措施是保障建筑安全度汛和顺利施工的保障。

3.2 掌握现状场地地形情况是制定切实可行的泄洪方案的前提，由于场区面积大，周边环境复杂，采用人工测量将耗费大量人力，周期也很长，计划采用三维扫描技术，还原现状场地情况，为下一步泄洪规划提供一手资料。

3.3 运用BIM 技术，对地形曲面进行雨水汇流分析，模拟雨水汇流路径，对重点区域位置进行截、挡水和疏水设施布设，根据地势疏水、泄水的解决思路进行雨施期间防洪泄洪策划和实施，进行精准防控。

4.主要实施内容

4.1 总体实施思路

通过BIM 技术将施工场地进行虚拟建模，最大限度的还原真实场地地形。利用Trimble Tablet（以下简称天宝TX8）三维扫描技术布设地形扫描设备，对山区地形进行扫描，形成山区整体平面图，并在所述山区整体平面图中标记高度；根据山区区域中的雨量监测设备或山区区域的气象统计数据获取洪水参数；根据所述山区整体平面图，确定泄洪区域，通过与CIVIL3D 软件相结合，分析复杂的空间场地形状判断泄洪区域是否满足排水要求，若能够满足排水要求，则不需要进行设置；若不能满足排水要求，则需要人工导流进行泄洪。

4.2 基于BIM 的TX8 与CIVIL3D 的结合应用

首先巡查场区地形，设置合适的观测点位。使用天宝TX8 三维扫描仪器对施工场区及周边地形区域进行激光扫描生成点云文件，共设置63 处扫描站点。将天宝TX8设备放置于视野开阔，架设仪器，通过水准气泡手动初步调平，然后开启仪器，仪器将自动进行精确调平。仪器开机后，点击projects 建立本次测站系列文件名称；然后点击scan parameters 根据不同站点的使用要求设置不同参数，其中主要参数包括mode extended：扫描范围（共四挡为10m1 分钟、30m2 分钟、30m3 分钟、30m10 分钟、300m20 分钟）、color acquisition：颜色采集。本次扫描，我团队主要使用的扫描范围（mode extended）为30m3 分钟和300m20 分钟，在对观测位置良好，地形结构复杂的观测点进行扫描时，选择300m20 分钟的扫描模式，该模式可最大范围采集地形，但同时会有扫描时间长（20 分钟）、扫描数据大（每站平均450M）的缺点，对于视野不开阔，或者需要扫描的地形较小的，我们选择30m3 分钟的扫描模式；为了减少扫描时间，我们将颜色采集设定为关闭状态。当参数设定完成后点击scan 即可开始自动扫描；扫描仪器头部将在水平方向旋转360°，同时位于头部中心的激光镜头将以极高的转速在竖直方向旋转，发射并接收激光信号，记录点云。这样就完成了以激光镜头为圆心的球型范围的点云扫描。结构变化较大的关键测量点位置，以保证尽可能多的收集地形数据。

随后将扫描文件导入Trimble Realworks 软件中，拼合各测站点云模型，建立场区及周边地形完整地形点云模型图，接着对点云进行归类处理，软件自动识别原始地形、建筑、植被等，并将不同种类点云进行分割，然后去掉除地形以外的全部点云，这样就完成了原始地形点云模型的建立。然后对该模型进行等高线处理，生成等高线dwg 图纸。

最后将该等高线图纸导入Civil 3D，分别定义曲面特性为等高线，生成曲面。最后将曲面模型导入Infraworks，即可开始进行汇流模拟。根据软件计算结果，我们能得到流域面积，再通过流量计算公式可得到日流量Q，通过汇流路径位置和流量，就能有依据的布置如排洪沟、蓄水池的防洪措施。

4.3 雨期施工措施

根据具体施工进度，场区内排水组织可分为三部分，分别为施工场区内有组织泄洪、排水；基坑内部排水；材料堆场排水。

4.3.1 场区内有组织泄洪、排水

根据外线工程和场坪标高进行规划。基坑排水主要采取集水明排的方式进行组织。

汛期场区内土方降方至场平标高的施工任务需要持续进行，应依据场地原地貌地形图，在汛期到来之前将公建西侧土山移除，并将市政道路及雨水系统完成。公建基坑依照设计图纸为整个建筑群现阶段施工的最低点，且按照进度计划不能在汛期到来前完成肥槽回填。公建西侧紧挨高压线塔土山；南侧为尚未清走的土山，离108 国道下永久支护约为580 米；东侧为自然山体，山坡设计有格构式支护，建筑物距离支护距离约为30 米；只有北侧可顺地势自然排出雨水。拟在公建的东侧沿永久排水沟路线、公建南侧及南侧土山（台地）修建临时排洪沟，排洪沟居中开挖，尺寸为1m（宽）×1m（深），排洪沟侧壁、底部满铺不透水塑料布，再用卵石滤层铺底，卵石粒径和厚度以现场铺设实际为准。并在各侧排洪沟接驳处及东侧排洪沟（每隔100 米）设置密目清淤网，用于拦截雨水中的泥沙，网高500mm，安排专人定时清淤，保证排洪沟的畅通。

根据基于BIM 技术的三维扫描成果平面图，利用自然地形确定排水方向，使南侧及台地的地面汇水流入东侧排洪沟，并向北排至市政排水沟渠，东侧排洪沟与南侧台地排洪沟接驳处要进行降土方处理，使台地出汇水能够顺利排入东侧排洪沟。南侧台地防洪沟根据现状土方标高进行修建，东侧防洪沟穿越台地各级台阶，接入1#公建东侧的防洪沟。所有排洪沟需在汛期到来之前全部具备防洪、防汛功能。南侧临时排洪沟的土方按要求降至安全标高，保证排洪沟顺利实现应有的功能。

4.3.2 基坑内部排水

若基坑未到底或基底的排水沟和临时集水坑未修好时，需要采用泥浆泵进行雨中排水；若基坑已挖完，则采用潜水泵进行排水，可在基坑底面四周结构以外肥槽内设置排水沟和临时集水坑，排水沟净尺寸为0.3m×0.3m，沟侧壁宽0.15m，沟底厚0.1m，材质为C15 素混凝土。临时集水坑在坑底边角设置4 个，井底低于坑底0.9m，下无砂井管和滤料，卵石压底。

临时集水坑内的积水要随时用泵排出，保证基坑底干燥。排水管要配备足够长，使水一次排入临时排洪沟内。排水时防止雨水回灌，造成二次冲刷。基底标高较高的基坑与较低的基坑交界处设置临时挡水围堰，避免水灌入低处。

若土方单位未按要求降至安全施工土方标高导致山洪携带泥石流冲入排洪沟中导致於堵。我方将要求土方单位配合施工单位果断投入大量的机械，组织充足人员，投入到排洪沟清淤工作当中，在最短时间内疏通排洪沟，保证使用功能。

为防止地表水、地下水等大量渗入基坑，造成基坑浸水，破坏边坡稳定，影响施工进行，必须采取地面截水、坑内排水相结合的措施，在基坑上坡平台防护栏杆下设置混凝土挡水台。

4.3.3 材料堆场排水

所有材料堆放场地下面需垫设挑板、型钢等垫层，或进行地面临时硬化。上面覆盖塑料布，周边设置排水沟，排水沟尺寸为0.3m×0.3m。

防水材料全部存入仓库，保证不漏、不潮，下面应架空通风，四周设排水沟，避免积水。

对模板堆放场地进行路面硬化，避免地面下沉造成倒塌事故。

不能淋湿的材料在下雨前及时运入室内。

脚手架立杆底脚必须设置垫木，外脚手架坐落于肥槽回填土上的部分应确保回填质量，土体应夯实并进行硬化处理，周边设置排水沟或硬化是做外散水，同时保证排水通畅，避免积水浸泡。

4.4 监控与监测

4.4.1 根据模拟雨水汇流区域，在场区关键位置布设监测站点，设置简易雨量报警器，简易水位站，雷达水流测速仪等监测设施，对降雨量、现场关键点水位及雨水流速进行实时监控。

4.4.2 对场区高陡边坡区域安装监测点，测斜仪的测孔打在坡顶，测斜孔与测斜孔之间的布距20-50 米为宜，均匀分布在两个被测区域内；拉线位移计与测斜仪同断面安装，分别布设在坡顶和坡面，监控变形情况，如有异常及时报警。

结语：

在地形复杂多变的本工程中，加之场平土方未能降至设计高程为最大制约因素下，雨期施工的防洪防汛任务变的异常艰巨。通过运用基于BIM 技术的三维扫描技术Trimble Tablet 与CIVIL 3D 软件的完美结合在本工程的应用，将每次扫描的数据都归在当前站点为原点的坐标系下，通过在数据采集过程中引入反射片作为标记物，分别提取反射片在点云和纹理图像中的形心坐标作为配准基元，计算出点云和纹理图像两个坐标系之间的变换，从而实现配准。将点云数据和纹理图像数据合成得到三维图像模型，再将三维图像模型进行归一化处理得到的测绘地形数据形成了场区平面图，再根据场区整体平面图，确定泄洪区域及水流路径。最后依照路径开挖排洪沟，筑土围坝，修建挡水台、集水坑、截洪沟等设施。

根据模拟雨水汇流区域，在场区关键位置布设监测站点，设置简易雨量报警器，简易水位站，雷达水流测速仪等监测设施，对降雨量，现场关键点水位及雨水流速进行实时监控，有针对性的进行应急处理措施，成功解决了在雨期施工阶段疏排截流的防洪防汛任务。即便是在降水峰值时期，基坑中未存留过多的明水，场区内未受到洪水的冲击。

运用BIM 技术助力低山台地住宅建筑群雨期施工，在本工程中取得良好效果，为今后类似低山台地项目的推广应用提供了可行性的参照案例及推广思路。