基于数字孪生的港口桩基成孔质量控制施工技术研究

摘要：港口桩基工程质量与安全关系密切，其中，桩基成孔质量是保证安全的关键。通过在桩基设备加装传感器，结合智能桩基管理系统，实现信息采集自动化、成孔过程可视化与数据分析实时化，包括设备加装调试、接入平台实现模块集成、导入三维模型并进行初始配置、设备与模型关联实现可视化数模交互展示等步骤。该技术具有质量效益和经济效益，可实现桩基成孔全过程管控与施工动态管理，为各方提供共同决策平台，使造价成本内控有依据。

关键词：桩基成孔"数字孪生"智能化"施工技术

Research"on"Quality"Control"Construction"Technology"of"Port"Pile"Hole"Based"on"Digital"Twins

YU"Jun1"ZHOU"Qinyue1"WENG"Xianjie"2"XU"Liu"3"LIU"Shijin"3"LIU"Jiangzhou4

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• 1.Jiangxi"Vocational"and"Technical"College"of"Communications".Nanchang，Jiangxi"Province，"330013"China;2.Jiangxi"Transportation"Consulting"Co.，"Ltd.，"Nanchang，"Jiangxi"Province，"330008"China;3.China"Construction"Third"Bureau"First"Engineering"Co.，"Ltd.，"Wuhan，"Hubei"Province，"430040"China;4.Jiangxi"Road"and"Port"Engineering"Co.，Ltd.，"Nanchang，Jiangxi"Province，"330000"China

Abstract："The"quality"and"safety"of"port"pile"foundation"engineering"are"intricately"interconnected，"with"the"quality"of"pile"hole"construction"being"pivotal"to"ensuring"safety."By"equipping"pile"foundation"machinery"with"sensors"and"combining"them"with"an"intelligent"management"system"for"pile"foundations，"it"can"achieve"automated"information"collection，"enhance"visualization"of"the"hole-making"process，"and"enable"real-time"data"analysis，"including"equipment"installation"and"debugging，"platform"integration"for"module"coherence，"importation"of"three-dimensional"models"along"with"initial"configuration，"and"visualizing"digital"model"interaction"display"through"equipment"and"model"association."This"technology"not"only"has"both"quality"and"economic"benefits，"and"can"achieve"full"process"control"and"dynamic"construction"management"of"pile"hole"construction，"providing"a"common"decision-making"platform"for"all"parties"and"providing"a"basis"for"cost"control.

Key"Words："Pile"hole;"Digital"twins;"Intelligent;"Construction"technology

在土建与基础设施工程中，桩基关键且隐蔽，钻孔灌注桩施工常依赖人工放样来确定孔位和记录参数，存在人为干扰大、难溯源等问题，存在质量与成本风险，不符合智慧建造的发展要求。数字孪生是构建物理实体的数字模型[1]，能够很好地促进港口智慧工地中桩基施工过程的数字化、自动化和精细化发展[2-3]。智能化施工既能提升效率、降低成本，又能有力地保障施工质量和安全[4]。近年来，新一代信息技术发展迅猛，智能化施工成为桥梁工程的重要趋向[5]。数字孪生技术作为新兴手段，能模拟预测施工过程与整合数据，为施工提供了强大支持[6-8]。本文以九江港星子港区沙山作业区综合码头一期工程为例，结合数字孪生，研究桩基成孔质量控制，增加传感器以采集数据上传云服务器，实现多“化”并为桩基施工质量提供凭据，形成智能控制施工方法以促推广。

1"基于数字孪生的质量控制系统

根据桩基计算机辅助设计（Computer-Aided"Design，CAD）平面图和剖面图，建立含设计信息的三维建筑信息模型（Building"Information"Modeling，BIM），在现场打桩设备上安装传感器，实时感知获取信息并无线传输至云服务器，将三维"BIM"模型上传至智能桩基管理系统，轻量化显示后，关联数据呈现数字孪生，最后分析自动监测数据，实现对灌注桩施工质量和进度的实时监控。

现场打桩设备上加装了北斗定位模块、深度传感器、倾角传感器、电流及扭矩传感器。其中，北斗定位模块能够进行桩点引导和定位，其精度为5"mm；深度传感器可以测定下放钢丝绳的长度，精度为10"mm；倾角传感器可对钻进桩身的垂直度进行测量，精度为1%；电流及扭矩传感器能根据不同地层中的电流和扭矩数值来判断地层和入岩深度。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ"94-2008）要求，在桩径D＜1"000"mm时，允许偏差≤（70+0.01）H，并且垂直度偏差≤1%，满足精确性要求。因此，通过实时采集的数据，以及基于数字孪生技术的成桩质量控制技术和系统模块组成图（如图1所示），"实现了基于数字孪生技术的成孔质量控制系统。

2"技术实施

2.1"桩基设备加装北斗定位打桩系统并调试

桩基施工前，对桩基设备进行智能化改进，在设备上加装北斗定位模块、倾角传感器、深度传感器、电流及扭矩传感器，在驾驶舱内设置一体化终端，可自动收集并无线传输各传感器实时信号，电子显示屏终端实时显示桩位坐标，引导操作手快速进行钻进定位。同时，在场区内架设固定式基站，发射高精度差分信号，实现基于北斗的精确定位，定位精度误差不超过"5"mm。

北斗定位定向模块与倾角传感器借助支架固定于钻机大臂，引导钻机自动定位并测定钻进过程倾斜度。深度传感器通过在卷扬轮/定滑轮安装绝对值编码传感器，该传感器与转盘同心旋转，以此计算钢丝绳吊起高度。电流及扭矩传感器接入动力供电线的一根火线进行监测，测定不同地层钻进中的电流值。一体化终端固定在驾驶室，负责各传感器信息的收集与无线传输。现场打桩设备加装北斗定位打桩模块总览示意图、各传感器加装细部示意图如图"2所示。

2.2"接入桩基数字孪生平台实现模块集成

构建基于孪生技术的桩基成孔质量控制平台，整合各功能模块，达成现场钻孔施工在网页端的可视化映射，涵盖成孔、浇筑、隐蔽工程验收、桩基检测等全流程管理。其主要功能模块如下。

2.2.1"初始配置模块

该模块包含项目概况、人员信息、模型导入、设备信息、预警阈值5项内容，分别用于呈现项目基本情况、进行预警推送、实现模型轻量化显示、关联桩基与地层三维"BIM"模型和设备、设定预警值。

2.2.2"过程配置模块

该模块包括网页端模型分区和桩基施工相关过程信息录入两项，能够在网页端手动分区编号并填入施工过程信息。该过程信息也可在手机移动端完成。

2.2.3"展示模块

该模块涵盖综合展示、分区展示、单项展示3项，分别用于整个项目施工的数字孪生展示、各个分区施工状态展示、双击桩模型实现跳转以展示单根桩信息。

2.2.4"桩基管理模块

该模块包含成孔质量管理、施工进度统计、工程量统计、成桩检测管理、特殊地质处理记录5项，可实现对钻孔质量、进度、工程量、第三方桩检的统计与分析，记录不良地质处理方案与实施效果。

2.2.5"监测预警模块

该模块包括传感器自动监测项预警、设备状态预警、预警推送3项，能够对北斗打桩系统自动监测的指标对比预警阈值进行预警及对设备状态预警，并对预警项进行记录和推送；合理规划平台架构，将平台实施主要划分为3个层面，即现场作业层、数据层和应用层；定制数模交互专属平台"UI"界面，设计了“桩基云端数据库"+"前端感知（感知层）+"网络通信（网络层）+"物理世界与孪生空间信息闭环（数据融合层）+"可视化呈现（可视化层）”的一库多层架构。

2.3"模型导入

以桩基的"CAD"平面图和剖面图为依据，运用"Revit"建模软件，依据设计所提供的各桩位坐标、桩长和桩径，进行带坐标的三维建模。同时，根据桩基"CAD"剖面图，构建地层三维模型。在桩基建模过程中，在各桩基构件的属性里添加桩位坐标、桩径、桩长等信息，让模型具备一定的边界与层次结构，各构件所携带的数据信息可供后期调用和导出，如图"3所示。

模型导入完毕后，在系统平台上进行项目的初始化配置，完成项目概况、人员信息、设备信息、预警阈值等信息的配置工作。

2.4"初始配置

已建好的桩基与地层三维模型被上传至桩基成孔控制系统。该系统与"BIMFACE"模型轻量化平台对接，能够在不改变构件数量及层次结构的情况下实现对模型文件的转换、配置参数的获取与存储。借助模型轻量化，达成了网页端的实时显示与数据的快速浏览。

轻量化显示后，页面左侧会匹配相应的构件树列表，页面下端则匹配主视角、框选、测量、漫游、剖切等功能，让使用者能更真切地感受项目桩基的空间布局。点击构件树列表，可跳转至对应的桩模型，从构件属性编辑器能够核对桩基模型的桩位坐标、设计桩长、桩径、钢筋笼长等设计信息，实现桩基模型的快速定位反查。页面下端的功能键和视图方块可实现高效浏览。

在模型轻量化显示后，点击"“开始分区”，可对项目进行分区操作。在模型上，通过点击和在线编辑的方式，能够完成针对分区的新增和编辑操作。

2.5"可视化数模交互展示

桩基和地层模型导入后，桩基模型按系统内置的格式和顺序完成桩基编号。桩基设备开始打桩时，加装的传感器模块会回传数据，基于北斗定位的坐标和设计给定的桩位坐标通过坐标匹配算法实现桩基设备、监测数据、桩基模型和桩编号的关联。。

设备与模型关联完成后，现场终端对桩位偏差、垂直度偏差、桩长、入岩深度等信息进行自动采集和无线传输，系统端实现桩基模型在钻孔深度下的数据驱动伸长，动态地展示桩位偏差、桩身垂直度、时间-深度曲线、实时入岩深度等信息，在系统端完成现场打桩的数字孪生，数据与模型交互展示，如图4所示。

3"实施效益分析

3.1"质量效益

桩基成孔质量控制管理平台能够对自动收集的各桩成孔数据进行处理。一方面，以图形化方式实时显示传感器检测数据，如桩位坐标、钻孔深度、垂直度、当前电流/扭矩等，动态地绘制数据曲线，点击曲线数值，可跳转至对应桩基模型，实现综合展示和单桩展示。另一方面，系统平台具备查询和筛选功能，可对各分区桩基成孔位置偏差、垂直度、入岩深度等质量数据，以及累计完成量、累计钻进延米数等进度数据进行分析，并以图表形式展示分析结果，还可导出成桩报告。对于超出预警阈值的成孔自动检测项，系统会及时进行预警推送，将预警信息推送至相关人员的手机和邮箱，管理人员可及时进行联动现场处理，以保证成孔质量。

3.2"经济效益

应用基于数字孪生的桩基成孔质量控制施工技术能够达成远程端对桩基施工现场的自动化管控，降低了人工消耗。以桩基施工为例，通常围护桩和工程桩数量众多，按照现场分区，采用传统手段进行桩基施工时，至少需要4名桩基施工专员才能完成数据采集、分析与资料管理工作。而运用本工法的智慧控制技术，仅需1名桩基施工专员即可完成相应工作，相应时间和成孔数据均可从系统端直接导出，若以每人每月"4"000"元计算，则每年可减少人工费用约"15"万元。

通过采用北斗定位、垂直度、钻进深度、电流/扭矩传感器等，实现了对成孔质量的全过程把控。一旦出现偏差，能够及时预警推送并联动处理，避免了因质量问题而返工，减少了材料和人工损耗，有效地保障了桩基施工精度。

应用基于数字孪生的桩基成孔质量控制施工技术，借助"BIM、模型轻量化、物联网等技术，在项目桩基成孔过程中能够实时获取高精度三维位置信息、垂直度、钻进深度、入岩深度等关键指标，达成可视化映射管理，使隐蔽工程变得透明化，数据具备可溯源性，提升了项目管理效率。

4"结论

（1）利用智能桩基管理平台导入桩基三维"BIM"模型实现轻量化显示，关联北斗定位与桩基坐标及打桩设备，在网页端分区，利用传感器数据驱动桩基模型，实现打桩过程同步可视化数字孪生映射，实时记录桩位坐标偏差、垂直度、入岩深度和钻进深度，实现桩基成孔全过程管控。

（2）桩基打桩过程中，模型随钻进深度伸长，自动检测项以柱状图、曲线等形式动态展示且可查询，点击曲线，可跳转至对应桩模型和编号，能快速定位质量偏差超限桩基并预警推动，实现施工动态管理。

（3）通过大屏展示基于数字孪生的桩基成孔，可统计和展示各工区桩基质量与进度，为施工、监理和建设单位提供共同决策平台。同时，依据电流和扭矩传感器在不同地层数值差异进行地层深度判定，根据钻进各地层深度确定成桩造价，使造价成本内控有依据。

参考文献

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