BIM 技術在樁基工程判巖工作中的應用

陳 馳 梁渡東 汪義錦

廣東國信工程監(jiān)理集團有限公司 廣東茂名 525000

為了推進BIM 技術在樁基工程上的實踐應用，將企業(yè)自主開發(fā)的樁基工程APP 與BIM- API 接口結合，利用工程現(xiàn)場產(chǎn)出的數(shù)據(jù)，探索BIM 二次開發(fā)技術結合動態(tài)地質(zhì)模型推演樁基持力層深度的技術模式的可靠性，提出該模式在樁基工程判巖工作中的優(yōu)勢與應用價值。

1 試點項目

在某商儲二期項目中，新建160 萬m3原油罐組，共16 座儲罐，單座儲罐10 萬m3。項目樁基工程采用振沖碎石樁和長螺旋鉆孔灌注樁兩種樁型，BIM 技術在10 臺罐中應用。其中罐T01、T02、T05、T06、T13 樁型為振沖碎石樁，5 臺罐合計共有振沖碎石樁6325 根；罐T07、T08、T14、T15、T16 樁型為長螺旋鉆孔灌注樁，5 臺罐合計共有長螺旋鉆孔灌注樁5265 根。

某LNG 擴建項目（二期）中新增5 座27 萬m3LNG儲罐，為全國單罐容量最大的LNG 儲罐。5 座27 萬m3LNG 儲罐均采用鉆孔旋挖灌注樁，每罐有鉆孔旋挖灌注樁406 根，共有鉆孔旋挖灌注樁2030 根。

試點的兩個項目中罐體均為大容量儲罐，對樁基工程質(zhì)量要求甚嚴。其中，在某商儲一期項目中已發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地層結構多變，部分區(qū)域關鍵土層缺失，部分地區(qū)存在持力層深度大范圍突變。詳勘報告中地勘孔分布較為分散，跨度大、數(shù)量不足，給現(xiàn)場工作人員對樁基的入巖判斷帶來一定的困難。在某LNG 擴建項目（二期）中，項目所在地區(qū)為炸山填海區(qū)，所填碎石皆為中風化花崗巖，地層持力層高程突變明顯，埋深變化大。其最深區(qū)域位處海邊區(qū)域，距地面深度接近43m，埋深淺處僅4m，僅有的少數(shù)地勘點無法全面反映地層結構和走勢，難以有效輔助現(xiàn)場工作人員進行樁基入巖判斷。

在上述項目中，改進了傳統(tǒng)的判巖模式，使用BIM 技術建立數(shù)字動態(tài)地質(zhì)模型，批量生成持力層剖面圖和樁位點控制深度，輔助現(xiàn)場判巖工作，提高判巖準確率。

2 建立地質(zhì)模型輔助樁基持力層判斷工作

2.1 地質(zhì)模型建模原理

地層體三維建模一般采用點云建模、面元建模、體元建模或者混合建模四種建模方式，每種建模方式分別具有自己的優(yōu)缺點。

根據(jù)現(xiàn)有的地勘資料特點，在試點項目的地質(zhì)模型建模工作中，采用面元建模的方式建立地質(zhì)模型。面元建模適合應用于單純的計算建模中, 因為涉及的模型點數(shù)量比較少，具有模型體積小，檢索速度快，數(shù)據(jù)格式簡練等優(yōu)勢。利用三點成面建模方法，將每一個地勘孔看作三維模型面的一個點，每一個三維模型面點（地勘點）與附近的三維模型面點（地勘點）交叉成面。通過兩個地層面成體，或者設置另外一面深度的方式進行成體，最終形成完整的地質(zhì)三維模型。圖1 為某LNG 擴建項目（二期）持力層地質(zhì)模型。

圖1 某LNG擴建項目（二期）持力層地質(zhì)模型

通過三點成面建模方式，大大提高了地勘孔的利用效率，生成的三維模型支持多角度旋轉(zhuǎn)，多角度剖切，快速檢索地層數(shù)據(jù)等功能，突破了傳統(tǒng)連點成線判巖模式的局限性與弊端，為現(xiàn)場監(jiān)理人員實施樁基判巖工作提供幫助。

此階段三維地質(zhì)模型建模數(shù)據(jù)均采集于地勘報告中的地勘點一次建模而成，但仍存在模型精度不足，偏差大等弊端，需要根據(jù)不斷采集的數(shù)據(jù)對模型進行動態(tài)校核。

2.2 地質(zhì)模型推演樁孔持力層深度的原理

樁基工程中的每一個樁孔均可視為地質(zhì)模型上的一個點，通過對此點做向下的垂直射線，射線于地質(zhì)模型的某個三角面相交于一點，此點的高程便是此樁位點的持力層控制高程。

垂直射線與地質(zhì)模型面交點的空間X、Y 坐標與樁孔點X、Y 坐標相同，唯一未知變量是垂直射線與地質(zhì)模型面交點的空間Z 坐標。將此交點與相交面三個頂點進行連線，將已知數(shù)據(jù)建立數(shù)學方程組進行解算，可求得垂直射線與地質(zhì)模型面的交點的空間的Z 的值。

作者使用Autodesk 產(chǎn)品的Civil3D 軟件，使用Civil3D 中“從曲面獲取高程”功能，從樁位點做垂直射線獲取地質(zhì)模型三角面高程，批量獲取每樁點持力層高程信息。圖2 為某商儲二期項目地質(zhì)模型推演持力層模型。

圖2 某商儲二期項目地質(zhì)模型推演持力層模型

2.3 數(shù)據(jù)的導入

根據(jù)現(xiàn)場資料，利用CAD 數(shù)據(jù)導出功能和作者使用C# 開發(fā)的樁編號與樁孔坐標快速整合工具，從設計圖紙和施工圖紙中批量提取樁點數(shù)據(jù)。通過Civil3D 點導入工具將提取出來的樁點信息快速導入軟件Civil3D 中。使用Civil3D 中的“從曲面獲取高程”功能，批量獲得一次建模推演的持力層高程控制數(shù)據(jù)，導出Excel 表格。

三維模型與現(xiàn)場工程數(shù)據(jù)的互動是BIM 技術應用的核心基礎，為了將現(xiàn)場數(shù)據(jù)與三維地質(zhì)模型交互，作者采用企業(yè)自行開發(fā)的數(shù)字化樁基工程APP 數(shù)據(jù)導出接口，使用C# 編程語言和Revit- API 進行二次編程開發(fā)，實現(xiàn)快速批量將現(xiàn)場數(shù)據(jù)導入BIM 模型功能。

2.4 動態(tài)修正模型

一次建模而成的地質(zhì)模型因詳勘孔數(shù)據(jù)不足等原因，存在精度低、偏差大弊病，為了提高地質(zhì)模型精度，在上述兩個試點項目中，均采用樁基工程產(chǎn)出數(shù)據(jù)來動態(tài)修正地質(zhì)模型精度。

作者采用了C# 編程語言結合Revit- APi 接口進行持力層數(shù)據(jù)校核功能開發(fā)，收集現(xiàn)場樁位點成孔數(shù)據(jù)和現(xiàn)場工程師判巖報告中的持力層判定高程導入模型，利用計算機的快速檢索的優(yōu)勢，將已打樁孔視為地勘孔，快速校核比對地質(zhì)模型推演出的持力層高程點。設定修正條件，觸發(fā)修正條件的比對結果以點云的數(shù)據(jù)結構導出，反向?qū)隒ivil3D，以達到動態(tài)校核地質(zhì)模型，修正模型精度的目的。

2.5 數(shù)據(jù)成果的更新與導出

數(shù)據(jù)成果以動態(tài)持力層剖面圖（圖3）和詳細樁孔點控制高程表格形式導出，每進行一次地質(zhì)模型動態(tài)校核，數(shù)據(jù)成果也隨著校核結果進行動態(tài)更新。

圖3 動態(tài)地質(zhì)模型剖面圖

3 BIM技術在樁基工程判巖工作中的應用效果

現(xiàn)場監(jiān)理工程師從地質(zhì)模型批量生成的剖面圖中提前預知地層變化情況，對地層存在突變、坡度較大的樁位點與施工方提前進行商，做出預警，減少問題樁發(fā)生的概率。地質(zhì)模型批量生成的理論樁孔深度、NE 轉(zhuǎn)換坐標等數(shù)據(jù)，大大減少了現(xiàn)場工作人員資料查閱、數(shù)據(jù)筆算等重復性工作。

批量生成的持力層剖面圖和樁孔持力層控制高程數(shù)據(jù)結合其他判巖手段，使現(xiàn)場人員的判巖工作得到了有力的保障，利用BIM 技術建立的動態(tài)地質(zhì)模型輔助樁基持力層判斷的技術模式，有效規(guī)避了因地質(zhì)勘察資料不全為樁基入巖判斷工作帶來的困難和風險。

在某商儲二期項目中，經(jīng)過儲罐充水試驗證明，所使用的兩種樁型都達到了設計要求。通過儲罐充水試驗的沉降觀測表明，單罐平均累計沉降量在45mm 上下波動，最小平均累計沉降量為27.7mm，最大平均累計沉降量69.33mm。振沖碎石樁的施工質(zhì)量與國內(nèi)同類儲罐工程相比，遠遠好于其他同類工程。

某LNG 擴建項目（二期）動態(tài)地質(zhì)模型的應用已經(jīng)得到了業(yè)主方的一致好評，BIM 技術應用被業(yè)主列為項目技術創(chuàng)新重點。

4 結語

BIM 技術結合動態(tài)地質(zhì)模型輔助樁基工程判巖工作的技術模式，在試點項目上的應用已取得良好的效果。通過對比動態(tài)模型持力層推演高程與實際入巖高程差，可以用BIM 技術生成更多直觀的多維度地層狀況，對地勘資料數(shù)據(jù)內(nèi)容的不足進行補充，提高地勘資料的使用價值，降低工程技術人員的判巖風險；可減少工程超前鉆數(shù)量，節(jié)約工程經(jīng)濟成本。本文以BIM 技術的創(chuàng)新應用，引導工程技術人員用BIM 技術模式去解決判巖困難的問題，對BIM 技術的多維度應用及推廣具有一定的借鑒作用。