唐云輝

摘要：針對樁基施工中的溶洞處理問題，文章基于BIM和遺傳算法提出一種溶洞處理方案優(yōu)化方法。考慮地質(zhì)信息和樁遇溶洞數(shù)據(jù)提取困難，決策者對決策方案影響因素考慮不足、方案比選的主觀意識較強(qiáng)等問題，利用BIM技術(shù)提取與影響因素相關(guān)的地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以方案適應(yīng)度和成本為值目標(biāo)，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，并以廣西崇寧市某樁基施工中的溶洞處理為例進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：本方法求解速度快、對比其他方法優(yōu)化效果明顯，能滿足工程實(shí)際需要，可為樁遇溶洞處理方案優(yōu)化提供新的思路，一定程度上降低施工單位成本。

關(guān)鍵詞：溶洞處理；BIM；遺傳算法；數(shù)據(jù)提??；方案優(yōu)化

中圖分類號：U456.3+3 A 43 142 3

0 引言

溶洞處理問題作為樁基施工中的難題，一直備受學(xué)者關(guān)注。工程一般追求以可行的技術(shù)獲取更高的經(jīng)濟(jì)效果，實(shí)現(xiàn)這一效果需要通過確定目標(biāo)、提出方案、方案決策、方案實(shí)施整套過程來體現(xiàn)。

目前，樁遇溶洞處理問題主要集中在方案實(shí)施階段，忽略了前期工作的重要性，如Carter等［1］在地基中布置微型樁和灌漿空隙來解決巖溶地區(qū)建筑沉降問題；Seltzer等［2］針對巖溶地基缺陷，以現(xiàn)澆樁、微樁代替?zhèn)鹘y(tǒng)石柱樁解決方案；孫瑞甲等［3］針對超大型溶洞區(qū)樁基施工，提出雙液漿和袖閥管注漿結(jié)合的處理方案以加快施工進(jìn)度；范寶林［4］針對巖溶區(qū)樁基成孔易漏漿坍塌問題，提出如片石黏土回填法等諸多處理方案。溶洞處理方案在一定程度上可以提高經(jīng)濟(jì)效益，但要想獲得高效提升，需將工作重心轉(zhuǎn)向前期工作，尤其是方案決策階段。但地質(zhì)信息處理時效性和精確性差、決策方案影響因素考慮不足、方案比選主觀性強(qiáng)等問題都在影響方案決策，BIM技術(shù)和遺傳算法幫助緩解了這些問題。BIM技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)樁基仿真并提取地質(zhì)數(shù)據(jù)，但目前較少應(yīng)用在樁遇溶洞處理上。如江炳衫等［5］基于BIM技術(shù)構(gòu)建三維地質(zhì)模型，并對溶洞體積評估，為方案選擇提供基礎(chǔ)；彭媛等［6］基于BIM技術(shù)，在充分了解地質(zhì)條件下，提出了新型溶洞處理和樁基注漿施工技術(shù)。遺傳算法在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其在方案決策優(yōu)選方面具有一定的優(yōu)勢。如程灝等［7］針對隧道襯砌結(jié)構(gòu)全壽命周期維修決策問題，基于遺傳算法實(shí)現(xiàn)了隧道施工的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

結(jié)合以上分析，采用BIM數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)信息的有效提取和分析，在充分考慮方案決策影響因素的基礎(chǔ)上，基于遺傳算法實(shí)現(xiàn)樁遇溶洞方案決策優(yōu)選，可以提升溶洞的處理效率并減少成本投入。本文以廣西崇寧市某樁基工程為例，來驗(yàn)證該方法的有效性。

1 溶洞處理方案決策影響因素及方案分析

1.1 方案決策影響因素分析

基于已有的成熟研究，采用主客觀相結(jié)合的扎根理論進(jìn)行溶洞處理方案影響因素識別［8］。方案決策影響因素指標(biāo)可以劃分為成本因素和工況因素，其中，成本因素細(xì)分為材料價格和材料消耗量；工況因素則細(xì)分為溶洞形態(tài)、規(guī)模、高度、豎向分層、埋深、填充情況、填充物性質(zhì)、巖溶類型、所處特殊環(huán)境因素。

1.2 常見溶洞處理方案

常見的溶洞處理方案有“黏土與片石拋填法”“鋼護(hù)筒跟進(jìn)法”“雙液漿法”“混凝土灌注法”“高壓旋噴樁法”“水泥砂漿填充法”等。針對不同施工情況，應(yīng)因地制宜采取不同的處理方案。實(shí)際施工中，考慮到方案適用性和經(jīng)濟(jì)性，一般會準(zhǔn)備三、四種方案，因?yàn)椴煌桨傅氖┕すに嚺c設(shè)備投入情況不同，成本和管理難度也有所不同。

1.3 處理方案成本分析

成本主要與綜合單價及消耗量有關(guān)。不同方案的綜合單價不同，綜合單價通常由人工費(fèi)、材料費(fèi)、設(shè)備費(fèi)、管理費(fèi)、利潤等共同構(gòu)成，黏土與片石拋填法、高壓旋噴樁法造價較低，其他如鋼護(hù)筒跟進(jìn)法、混凝土灌注法等工程造價較為接近，相對較高。此外，不同方案的材料消耗量與溶洞的工況因素密切相關(guān)，且影響因素各異，如黏土與片石拋填法的消耗量主要與溶洞形態(tài)有關(guān)，鋼護(hù)筒跟進(jìn)法主要與溶洞位置有關(guān)。

為體現(xiàn)各方案的可比性，以綜合單價與工藝消耗量的乘積作為最終成本。本文統(tǒng)一使用廣西建筑裝飾裝修工程消耗量定額和增值稅的計(jì)稅方式，采用廣聯(lián)達(dá)云計(jì)價軟件計(jì)算不同方案的最終成本。

1.4 處理方案功能性分析

方案的功能性分析即方案適應(yīng)性分析，不同方案的重要性以及便捷性存在區(qū)別。如混凝土灌注法具備抵抗巖溶類型和溶洞底部具備斜巖等特殊環(huán)境的能力，因而通過重要性功能系數(shù)Ixy來區(qū)分各工況對方案的影響程度。不同方案的便捷性不同，通常是采用多個實(shí)際溶洞數(shù)據(jù)，通過n個專家打分［9］，以專家打分平均值Fxy/n的形式來判斷方案對應(yīng)工況的便捷性。

不同方案的功能性不同，為使評價結(jié)果直觀，以方案重要性和便捷性加權(quán)來量化方案，方案功能加權(quán)得分為該方案在各工況下的重要性系數(shù)得分與便捷性得分與其相應(yīng)權(quán)值的乘積之和。

2 基于BIM和遺傳算法的決策優(yōu)化模型

BIM技術(shù)和遺傳算法有助于優(yōu)化樁遇溶洞方案決策，因此構(gòu)建基于BIM和遺傳算法的決策優(yōu)化模型。

2.1 目標(biāo)函數(shù)的確定

遺傳算法通過模擬生物進(jìn)化的過程，按照一定的規(guī)則，經(jīng)過選擇、交叉、變異來確定最優(yōu)的生存者，其最重要的問題之一是目標(biāo)函數(shù)的確定，即個體對環(huán)境的適應(yīng)能力。樁遇溶洞問題的決策者希望選出既能考慮適應(yīng)性又能降低施工成本的方案，其可以描述為每個溶洞選到最合適的方案時成本最低，為此構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)f（x）見式（1）：

f（x）=F/C（1）

式中：F——某組合方案的功能性指數(shù)；

C——方案成本指數(shù)；

x——不同工況下對可用方案的選擇。

2.2 基于BIM的數(shù)據(jù)提取

溶洞處理方案組合優(yōu)化關(guān)鍵在于對施工工況的識別，因而各溶洞施工工況數(shù)據(jù)的有效提取、提取的高頻率性和準(zhǔn)確性成為關(guān)鍵。進(jìn)行數(shù)據(jù)提取前需要準(zhǔn)備地質(zhì)三維模型、樁基三維模型、方案影響因素匯總表、方案成本表等基礎(chǔ)資料。基于BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)提取出如下步驟：

（1）輸入地質(zhì)和樁基模型至BIM中，并輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）模型編碼，并判斷樁遇溶洞情況。

（3）識別溶洞位置并按標(biāo)高進(jìn)行編號，同時應(yīng)先處理底層溶洞。

（4）按標(biāo)號過濾未與溶洞發(fā)生交集的樁基。

（5）利用Dynamo軟件識別地質(zhì)和樁基信息，計(jì)算各方案綜合成本。

（6）重復(fù)步驟（4）～（5），直到所有溶洞分析完畢。

（7）輸出所有溶洞適用方案的成本、工況，進(jìn)行專家評分。

（8）將上述成本信息、功能性信息傳入遺傳算法，獲取最優(yōu)方案組合。

2.3 基于遺傳算法的決策優(yōu)化

遺傳算法作為工程領(lǐng)域應(yīng)用較成熟的啟發(fā)式算法，面對非線性問題，具有并行性強(qiáng)、收斂速度快、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。溶洞方案優(yōu)選問題為經(jīng)典非連續(xù)函數(shù)問題，其更看重全局搜索能力，而二進(jìn)制編碼可以提升精度，且編解碼更簡單。在進(jìn)行遺傳優(yōu)化前，需準(zhǔn)備相關(guān)資料并設(shè)置參數(shù)。所需數(shù)據(jù)包含各溶洞可用方案表、溶洞影響因素及對各可選方案影響權(quán)重、各工況下不同方案成本；參數(shù)設(shè)置包含種群規(guī)模、交叉概率、變異概率、迭代次數(shù)等。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢后，將其代入算法即可得到最終溶洞處理方案，算法流程見圖1。

3 案例分析

3.1 案例背景

本文研究案例為廣西崇寧市某隧道施工項(xiàng)目，該項(xiàng)目具有以下特征：

（1）地質(zhì)條件相符。該項(xiàng)目為地質(zhì)條件復(fù)雜，局部存在孤石、巖溶、溶洞等工況，巖溶地段遇洞率高達(dá)51.55%，符合研究條件。

（2）基礎(chǔ)模型精度高。該項(xiàng)目有完整的BIM應(yīng)用體系和應(yīng)用深度，具備高精度的地質(zhì)和樁基BIM模型。

（3）充足可靠的數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目施工完畢，擁有充足可靠的數(shù)據(jù)為本文研究提供支撐，可以實(shí)現(xiàn)本決策優(yōu)選方案與傳統(tǒng)決策方案的結(jié)果對比。

3.2 BIM數(shù)據(jù)提取

本研究隨機(jī)抽取6個溶洞進(jìn)行模擬應(yīng)用，基于Dynamo軟件與模型關(guān)聯(lián)并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，結(jié)果見下頁表1。

基于提取數(shù)據(jù)進(jìn)行專家打分，獲取工況功能重要性系數(shù)見表2，并對黏土與片石拋填法、鋼護(hù)筒跟進(jìn)法、混凝土灌注法、高壓旋噴樁法進(jìn)行方案功能評分，見表3。用P1～P4依次表示上述方案。

基于BIM數(shù)據(jù)、廣聯(lián)達(dá)云計(jì)價軟件、實(shí)際工程消耗量、綜合單價等進(jìn)行上述方案成本計(jì)算見表4。

3.3 方案決策優(yōu)化

基于上述方案的成本表和功能評分表，使用遺傳算法進(jìn)行方案決策優(yōu)化前需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，具體參數(shù)設(shè)置為：種群規(guī)模為40、交叉概率為0.6、變異概率為0.1，迭代200代。經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化，得到遺傳算法目標(biāo)函數(shù)平均值和最優(yōu)值變化曲線見圖2，并得到最終方案優(yōu)化結(jié)果見表5。

由圖2可知，本方法約在50代左右就迭代完成并尋找到最優(yōu)解，收斂速度較快、收斂性較好。對比原施工組織設(shè)計(jì)中的方案，無須人為處理，減少了繁瑣手續(xù)，簡化了決策過程，縮短了決策計(jì)算時間，且計(jì)算精度得到了大幅度提升，進(jìn)一步表明了本方法的優(yōu)越性。

3.4 效果分析

為進(jìn)一步分析本方法的有效性及優(yōu)越性，將本決策方法與施工組織設(shè)計(jì)方案、傳統(tǒng)決策方案進(jìn)行對比，結(jié)果見表6。

由表6可以發(fā)現(xiàn)，對比原組織設(shè)計(jì)方案，本方法不僅大幅降低了施工成本，同時還提升了方案的價值度。與傳統(tǒng)的按成本決策方案相比，施工成本雖提升了2.1%，但方案適應(yīng)度大幅提升了23.7%?；谝陨戏治?，本方法在盡量控制成本的同時也提升了方案的適用性，充分表明了本方法的有效性及優(yōu)越性，能滿足工程實(shí)際需要。

4 結(jié)語

針對樁遇溶洞處理方案決策優(yōu)化問題，本文充分考慮決策過程中的影響因素，利用BIM模型提取的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以方案適用性和成本為價值目標(biāo)，基于遺傳算法進(jìn)行方案決策優(yōu)化，在一定程度上降低了樁遇溶洞方案決策難度、提升了決策效率，在控制施工成本的同時提升了方案的適用性，能滿足工程實(shí)際需要，為溶洞處理方案決策提供了新思路。

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收稿日期：2023-09-21