鄭 好，張 濤，吳建新，王 碩，王 卓

(中建一局集團(tuán)第五建筑有限公司，北京 100024)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)房建領(lǐng)域基于BIM技術(shù)的研究和應(yīng)用大多集中于主體建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備安裝工程，正向設(shè)計(jì)、可視化交底、深化設(shè)計(jì)、BIM5D、智慧工地管理等應(yīng)用的方法也相對(duì)成熟。業(yè)內(nèi)有關(guān)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的研究應(yīng)用較少，主要涉及基礎(chǔ)與樁碰撞檢測(cè)，而將BIM技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)巖土勘探更為少見(jiàn)。目前，有部分學(xué)者利用BIM技術(shù)研究地質(zhì)情況與樁長(zhǎng)關(guān)系，取得了一定成果。饒嘉誼等結(jié)合三維地質(zhì)和樁基模型對(duì)設(shè)計(jì)參考樁長(zhǎng)進(jìn)行校核；邱文江等利用Civil 3D軟件建立地質(zhì)曲面，確定施工參考樁長(zhǎng)。但有關(guān)PHC管樁配樁優(yōu)化的研究成果未見(jiàn)報(bào)道，故開(kāi)展基于BIM技術(shù)的PHC管樁配樁優(yōu)化應(yīng)用研究具有實(shí)際意義。

為解決傳統(tǒng)管樁配樁方案存在的問(wèn)題，以PHC管樁加固天津?yàn)I海地區(qū)某別墅住宅地基為依托，研究嘗試一種新方式，基于BIM技術(shù)的三維地質(zhì)模型與樁基模型相結(jié)合，進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和對(duì)比分析，調(diào)整樁長(zhǎng)，達(dá)到優(yōu)化管樁配樁方案的目的。與傳統(tǒng)方式相比，基于BIM技術(shù)的管樁配樁優(yōu)化應(yīng)用，可減少人為因素錯(cuò)誤，提高數(shù)據(jù)集成效率；配樁優(yōu)化較大限度地統(tǒng)一了各節(jié)樁長(zhǎng)，在樁生產(chǎn)、運(yùn)輸、堆放、施工過(guò)程中取得了明顯的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

基于BIM技術(shù)的PHC管樁配樁優(yōu)化應(yīng)用理論上有較大可行性，但實(shí)施過(guò)程面臨著諸多困難：首先是BIM三維地質(zhì)模型建立存在一定難度；其次，大量樁基礎(chǔ)模型的建立工作繁重，樁位坐標(biāo)信息錄入及對(duì)應(yīng)地質(zhì)信息導(dǎo)出過(guò)程繁瑣；再者，樁基礎(chǔ)各節(jié)樁長(zhǎng)優(yōu)化統(tǒng)一，應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求的前提下通過(guò)精確數(shù)據(jù)對(duì)比分析確定。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

某天津?yàn)I海新區(qū)別墅住宅項(xiàng)目位于天津市濱海新區(qū)塘漢路以東，塘沽森林公園以北，用地面積為308 942.9m2，建筑面積為470 972.16m2。

該工程建筑樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)，工程樁數(shù)量合計(jì)11 510根。樁基型號(hào)為PHCAB400,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80，抗?jié)B等級(jí)為P10，單樁豎向承載力特征值為400kN，施工工藝包括靜壓和錘擊沉樁。單樁設(shè)計(jì)概況如圖1所示。

圖1 單樁設(shè)計(jì)概況

1.2 水文地質(zhì)概況

天津?yàn)I海新區(qū)地勢(shì)平坦，主要受波浪和潮汐作用，形成沉積軟土，軟土層厚，地質(zhì)條件復(fù)雜，具有多層結(jié)構(gòu)，屬海陸交互沉積地層。地層以淤泥質(zhì)土與粉質(zhì)沉積黏土混雜為主，間或有海相沉積流砂層出現(xiàn)。其特點(diǎn)為土體孔隙率大、天然含水量高、壓縮性高、強(qiáng)度低、滲透性小，工程性質(zhì)差，地基承載力較低。工程區(qū)域場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)，為抗震不利地段，區(qū)域內(nèi)地下水位較高，穩(wěn)定水位平均埋深為1.40～1.75m。

根據(jù)勘察報(bào)告內(nèi)容，施工區(qū)域內(nèi)地質(zhì)主要可分為人工填土層、第Ⅰ陸相層、第Ⅰ海相層，主要為淺海相沉積，層厚1.50～16.00m，主要由淤泥質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土組成；第Ⅱ陸相層、第Ⅲ陸相層、第Ⅳ陸相層，主要為河床～河漫灘相沉積，層厚2.50～13.00m，主要由粉質(zhì)黏土及粉土組成。

2 地質(zhì)與樁基模型建立

2.1 地質(zhì)模型

借助Civil 3D軟件可快速衍生地質(zhì)曲面及模型實(shí)體的特點(diǎn)建立三維地質(zhì)模型。提取勘察報(bào)告中的鉆孔數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)，通過(guò)Excel制作各地質(zhì)層點(diǎn)文件，將點(diǎn)文件導(dǎo)入Civil 3D軟件中生成各地質(zhì)層曲面，最后在各曲面間進(jìn)行實(shí)體填充形成直觀的三維地質(zhì)模型(見(jiàn)圖2)。

表1 鉆孔地質(zhì)信息統(tǒng)計(jì)

圖2 三維地質(zhì)模型

傳統(tǒng)的工程地質(zhì)分析是根據(jù)勘察文件中的地質(zhì)剖面圖、地質(zhì)數(shù)據(jù)表、勘察報(bào)告進(jìn)行。若遇到地質(zhì)巖土分布復(fù)雜、樁基數(shù)量龐大的工程，地質(zhì)分析較困難，工作效率低。利用Civil 3D軟件進(jìn)行三維地質(zhì)模型建立，將地質(zhì)信息直觀可視化，可實(shí)現(xiàn)工程區(qū)域巖土的任意剖切、查看和分析，使地質(zhì)分析變得更高效便捷。

2.2 樁基模型

根據(jù)工程樁設(shè)計(jì)情況，在Revit軟件中建立可調(diào)節(jié)單樁參數(shù)化族、樁頭處理模型，模型信息涉及樁編號(hào)、填芯混凝土工程量、鋼筋工程量。根據(jù)樁坐標(biāo)批量導(dǎo)入單樁族模型，進(jìn)行坐標(biāo)定位和樁頂標(biāo)高設(shè)置，生成群樁模型。根據(jù)藍(lán)圖建立基坑開(kāi)挖模型，使其包含所有樁承臺(tái)、土方開(kāi)挖、邊坡支護(hù)等信息。經(jīng)統(tǒng)一的坐標(biāo)系疊加模型，為后續(xù)的信息提取與配樁優(yōu)化應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

3 信息提取與配樁優(yōu)化

3.1 地質(zhì)信息提取

數(shù)據(jù)信息提取是配樁優(yōu)化的前提，從已創(chuàng)建好的三維地質(zhì)模型曲面上獲取各樁位坐標(biāo)點(diǎn)標(biāo)高，經(jīng)多次研究實(shí)踐，配樁優(yōu)化主要提取樁基與接樁層上表面及持力層上表面相交處標(biāo)高。信息提取流程為：基于Civil 3D軟件生成三維地質(zhì)模型→將樁位坐標(biāo)點(diǎn)文件導(dǎo)入Civil 3D軟件中生成點(diǎn)→從地質(zhì)模型中的接樁層曲面和持力層曲面獲取樁位坐標(biāo)點(diǎn)標(biāo)高→導(dǎo)出接樁層和持力層頂標(biāo)高進(jìn)行分析計(jì)算。

3.2 配樁方案優(yōu)化

天津?yàn)I海新區(qū)地質(zhì)以海陸交互相沉積軟土為主，軟土層厚，具有多層結(jié)構(gòu)，地質(zhì)條件復(fù)雜，地層工程力學(xué)性質(zhì)較差。結(jié)合工程地質(zhì)特點(diǎn)，因⑥2粉土、⑥4粉土、⑦2粉土巖層為輕微液化土層，所以從第Ⅰ海相層(淺海相沉積層)中選擇無(wú)液化性的⑥3粉質(zhì)黏土層作為接樁位置巖層；并在第Ⅳ陸相層(河床～河漫灘相沉積層)中選擇天然地基承載力良好的⑨1粉質(zhì)黏土作為建筑物樁基持力層。

該工程某地塊設(shè)計(jì)樁型共8種，編號(hào)為ZH1～ZH8，單樁長(zhǎng)7～12m共6種(見(jiàn)圖3)。通過(guò)Civil 3D提取接樁層和持力層位置信息，結(jié)合已知各類(lèi)型樁基樁頂標(biāo)高、第1節(jié)樁長(zhǎng)和第2節(jié)樁長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見(jiàn)表2)。計(jì)算得出，原設(shè)計(jì)配樁方案存在較大優(yōu)化空間。

圖3 某地塊各節(jié)樁數(shù)量統(tǒng)計(jì)

表2 某地塊樁基參數(shù)

首先進(jìn)行接樁位置范圍及施工參考總樁長(zhǎng)范圍確定。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，接樁層為無(wú)液化性⑥3粉質(zhì)黏土層，持力層為天然地基承載力良好的⑨1粉質(zhì)黏土層，且樁端進(jìn)入持力層深度≥J。在滿足以上要求的前提下，分析樁基各參數(shù)間關(guān)系。樁基參數(shù)及樁長(zhǎng)調(diào)整如圖4所示。

圖4 樁基參數(shù)及樁長(zhǎng)調(diào)整

經(jīng)計(jì)算得出接樁位置范圍：H⑥2≤H接=H頂-L1≤H⑥3。H接為接樁位置標(biāo)高(m)；H頂為樁頂標(biāo)高(m)；L1為第1節(jié)樁長(zhǎng)(m)；H⑥2為接樁層頂標(biāo)高(m)；H⑥3為接樁層底標(biāo)高(m)。

經(jīng)計(jì)算得出施工參考總樁長(zhǎng)范圍：H頂-H持+J≤L樁≤H頂-H⑨1。L樁為樁長(zhǎng)(m)；H持為持力層頂標(biāo)高(m)；H⑨1為持力層底標(biāo)高(m)；J為樁端進(jìn)入持力層深度最小值(m)。

根據(jù)接樁位置范圍及施工參考樁長(zhǎng)范圍可篩選出原設(shè)計(jì)接樁層及持力層不符合要求的樁基，并進(jìn)行如下優(yōu)化調(diào)整。

1)接樁位置未達(dá)到設(shè)計(jì)接樁層 在不改變樁頂和樁底標(biāo)高情況下，增加第2節(jié)樁長(zhǎng)，縮短第1節(jié)樁長(zhǎng)，使接樁位置下移，進(jìn)入設(shè)計(jì)接樁層。

2)接樁位置超過(guò)設(shè)計(jì)接樁層 在不改變樁頂和樁底標(biāo)高情況下，縮短第2節(jié)樁長(zhǎng)，增加第1節(jié)樁長(zhǎng)，使接樁位置上移，進(jìn)入設(shè)計(jì)接樁層。

3)樁底位置未達(dá)到設(shè)計(jì)持力層或進(jìn)入持力層未達(dá)J在不改變樁頂標(biāo)高情況下，第2節(jié)樁長(zhǎng)不變，增加第1節(jié)樁長(zhǎng)，使樁底進(jìn)入設(shè)計(jì)持力層，且保證進(jìn)入深度≥J。

同理，對(duì)滿足原設(shè)計(jì)要求且存在優(yōu)化空間的樁基，進(jìn)行配樁方案優(yōu)化，根據(jù)接樁位置范圍及施工參考總樁長(zhǎng)范圍進(jìn)行樁基長(zhǎng)度調(diào)整。

1)在不改變接樁位置前提下，縮短第1節(jié)樁長(zhǎng)，第2節(jié)樁長(zhǎng)保持不變，同時(shí)保證樁端進(jìn)入持力層深度≥J。傳統(tǒng)樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)往往無(wú)法精確覆蓋至每根樁，其樁基進(jìn)入持力層深度若有較大余量，應(yīng)采取此種優(yōu)化方式，精細(xì)化降低成本。

2)在不改變樁底位置前提下，縮短第1節(jié)樁長(zhǎng)，增加第2節(jié)樁長(zhǎng)，同時(shí)需保證接樁位置在接樁層內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。此方法總樁長(zhǎng)不變，分別改變2節(jié)樁長(zhǎng)，從而控制各長(zhǎng)度樁型總占比，達(dá)到優(yōu)化配樁的目的。

綜上所述，在接樁位置、持力層滿足設(shè)計(jì)要求前提下，經(jīng)分析、計(jì)算、比較，篩選出可調(diào)整樁長(zhǎng)的樁，進(jìn)行配樁方案優(yōu)化。配樁優(yōu)化分析如表3所示。分析可知，優(yōu)化方案壓縮了10m樁型占比，由11.18%降為9.87%；增加了8m樁型占比，由4.17%提高至25.18%，優(yōu)化樁占總數(shù)的27.05%。

表3 配樁優(yōu)化分析

4 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1)資料數(shù)據(jù)輕量化，提升工作效率 通過(guò)配樁優(yōu)化，使相關(guān)技術(shù)、施工過(guò)程、質(zhì)量驗(yàn)收的同類(lèi)材料增多，提升了資料整理和歸檔過(guò)程效率，減輕了資料專(zhuān)員負(fù)擔(dān)。

2)材料歸類(lèi)更有序，提升場(chǎng)地利用率 同類(lèi)樁數(shù)量增多，場(chǎng)地材料堆放區(qū)劃分更方便，提高了施工現(xiàn)場(chǎng)材料堆放區(qū)利用率，使樁分類(lèi)碼放更加合理有序。

3)糾正初設(shè)問(wèn)題，提高施工質(zhì)量 篩選出接樁層及持力層不符合要求的樁進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，確保樁嵌巖深度滿足設(shè)計(jì)要求，保證了樁豎向承載力。

4)施工效率提高，縮短工期 配樁優(yōu)化后，在吊樁、壓樁施工過(guò)程中，減少了樁長(zhǎng)分類(lèi)篩選時(shí)間，同類(lèi)樁連續(xù)施工性強(qiáng)，提升了施工速度與效率，可縮短工期。

5)管樁生產(chǎn)線統(tǒng)一，模具數(shù)量減少 同類(lèi)型樁增加，PHC管樁生產(chǎn)線利用率提升，生產(chǎn)成本降低，間接節(jié)省了總承包材料成本。

6)管樁裝卸效率提升，運(yùn)輸成本降低 在管樁運(yùn)輸過(guò)程中，不同長(zhǎng)度樁對(duì)貨車(chē)裝載長(zhǎng)度要求存在差異，不同樁長(zhǎng)同車(chē)運(yùn)輸會(huì)導(dǎo)致貨車(chē)轉(zhuǎn)彎半徑加大，且車(chē)載空間利用率不足。配樁優(yōu)化使樁長(zhǎng)統(tǒng)一，有助于提升車(chē)載空間利用率、運(yùn)輸效率和行車(chē)安全，降低運(yùn)輸成本。

5 結(jié)語(yǔ)

海陸兩相交互相沉積地層中PHC管樁基于BIM技術(shù)的配樁優(yōu)化技術(shù)價(jià)值尚有很大可挖掘空間?？拐鹪O(shè)防烈度較高地區(qū)液化場(chǎng)地、深厚軟土場(chǎng)地優(yōu)先選用灌注樁進(jìn)行地基處理，BIM+樁基礎(chǔ)方案優(yōu)化手段有望解決此類(lèi)更復(fù)雜地質(zhì)情況下的各類(lèi)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工難題。特別是在采用正向設(shè)計(jì)的EPC工程中，設(shè)計(jì)階段即可最大程度地解決配樁優(yōu)化問(wèn)題，其模型信息傳遞與BIM平臺(tái)應(yīng)用效率也遠(yuǎn)超普通施工總承包項(xiàng)目，對(duì)于地基與基礎(chǔ)等涉及巖土勘探分析的前端設(shè)計(jì)，BIM技術(shù)勢(shì)必成為一項(xiàng)不可或缺的高效工具。