BIM技術在復雜地質基坑工程的應用研究
——前海交易廣場項目

鄭煒明

(上海城建信息科技有限公司，上海 200126)

1 工程背景介紹

1.1 工程概況

前海交易廣場項目位于前海自貿區桂灣片區，地處填海造地區，地質條件復雜[3]，東鄰地鐵1號線鯉魚門車站，南側與華潤前海項目隔桂灣四路，西側為在建的地鐵5號線桂灣車站、聽海共同溝，北側為騰訊前海項目，深圳地鐵1號線鯉魚門站—前海灣站區間從項目地鐵下方穿過[4]。

前海交易廣場項目占地面積約為7.9萬m2，總建筑面積約63.8萬m2，其中地上建筑面積約43.4萬m2，地下空間建筑面積約20萬m2。項目基坑長度297m，寬245m，開挖深度9～17m，地鐵保護區長度為401m。基坑分為地鐵保護區與非地鐵保護區，下設三層地下室，地鐵保護區上方設一/二層地下室。

1.2 工程地質條件(表1)

表1 工程地質條件表

2 地質巖層BIM技術應用

2.1 地質巖層BIM模型創建

前海交易廣場項目詳細勘察報告中共275個，巖層共計8層，依次為填土(石)層、淤泥質填土層、黏土層、砂質黏土層、全風化花崗巖層、強風化花崗巖層、中風化花崗巖層、微風化花崗巖層。對項目詳勘報告數據進行分層、分類處理后，采用BIM參數化建模軟件創建三維地質巖層模型。

圖2 地質巖層BIM應用技術路線

前海交易廣場地質巖層三維模型創建過程中采用多款三維模型創建軟件比對分析，包括Civil 3D、Infraworks、Revit+dynamo、Rhnio、3Ds max等。最終選取Rhino+Revit軟件組合創建了曲面平滑、擬合度高的三維地質巖層模型。

傳統二維柱狀圖是在相鄰鉆孔點以直線連接的形式表達巖層分布情況，采用BIM技術創建的地質剖面圖和柱狀圖則是根據鉆孔點高度擬合的曲線，相比傳統二維柱狀圖及地質剖面圖更接近巖層分布狀態。此外，地質巖層模型可以進行任意剖切，可對整體地質巖層狀態進行更細微的觀察與分析[5]。通過BIM參數化的技術手段可以批量導出地質剖面圖及柱狀圖紙，可提高圖紙輸出效率，降低人力成本。

圖3 前海交易廣場鉆孔平面圖

圖4 前海交易廣場地質巖層BIM模型

圖5 地質巖層BIM模型剖切圖

2.2 樁基工程BIM模型創建與信息賦予

前海交易廣場項目樁基總數達5 000余根，其中工程樁3 000余根，圍護樁近2 000根。樁基BIM模型采用Revit+Dynamo進行參數化創建完成。樁基工程施工前需進行相應編號工作，施工樁號用于樁基工程施工管理、樁基施工臺賬維護、施工檢驗批資料管理、樁基工程量申報等。

樁基編號工作通過Revit+Dynamo操作完成，在樁基BIM模型中利用Dynamo程序對樁基構件進行分類、批量賦予圖元構件編碼信息，進而導出樁基編號表，作為樁基施工原始表單使用。通過參數化創建樁基BIM模型及構件信息賦予，可高效快捷地完成樁基BIM模型創建及編碼工作，并且保證BIM模型中樁基編號與各類樁基施工資料編碼體系一致。后續BIM模型構件作為數據載體，通過唯一的樁基編號代碼將施工過程各類電子數據實時導入BIM模型構件中，最終形成BIM竣工檔案。

圖6 前海交易廣場樁基施工BIM模型

2.3 設計樁長工程量BIM應用

2.3.1 設計樁長工程量BIM應用需求分析

由于前海交易廣場項目地質復雜，土層、巖層分布不均，持力層埋深無法準確估算。勘察設計單位只提供具有一定范圍的設計參考樁長，無法確定具體樁基設計樁長。設計樁長的數據取決于地質勘探報告，鉆孔數量越多，分布越緊湊，提供的設計樁長越接近實際樁長[6]。若要提高樁長估算精度，則需加大鉆孔數量或對具體樁位進行超前鉆探。

然而，樁基工程施工前需要估算項目各區域的樁基工程量及具體樁號的樁基長度，為項目樁基工程成本、進度控制及專項施工作業管理提供決策依據。施工階段傳統設計樁長的估算往往是根據勘察單位提供的剖面圖、數據表、報告進行綜合分析[7]。使用傳統的設計樁長估算方法，需結合多張二維平面圖進行分析、重構三維場的分布特征，重構完全取決于技術人員經驗的多寡[8]。傳統的設計樁長估算工作量大而繁瑣，容易出錯，進而導致施工作業管理效率、質量降低，成本增加。例如：設計樁長估算誤差過大，會導致工程樁鋼筋籠加工長度誤差過大，則需要對鋼筋籠進行切割或焊接。然而，對鋼筋籠的切割或焊接會導致鋼筋籠質量下降，影響鋼筋加工場及施工機械設備正常的作業秩序，進而導致樁基工程綜合作業的進度滯后和成本增加。

通過對項目樁基BIM入巖模型的建立和對設計樁長的參數化統計，有助于項目管理人員對項目各區域樁基工程量分布情況進行宏觀把控，有效降低人為因素造成的誤差，提高設計樁長數據準確率，實現項目樁基工程高效、精細化管理。

2.3.2 設計樁長工程量BIM應用

將樁基BIM模型與持力層巖層BIM模型結合，依據設計提供的工程樁入巖深度要求，參數化調整樁基長度，建立樁基入巖BIM模型，設置工程量計算規則，參數化統計設計樁基工程量。

圖7 前海交易廣場樁基入巖BIM模型

2.3.3 基于BIM的設計樁長工程量對比分析實例

本次設計樁長工程量對比分析試驗選取前海交易廣場項目南區已完成施工的J類、P類樁，共計707根工程樁進行研究分析(J類樁為核心筒區域大樁徑工程樁、P類樁為非核心筒區域工程樁)。通過對比前海交易廣場南區設計樁長與施工樁長工程量的數據差異，用于校核設計樁長，提供業主方成本部用于樁基施工成本經濟效益分析，亦可驗證基于BIM技術的設計樁長估算應用的可靠性。

圖8 前海交易廣場樁基BIM工程量統計表

(1)J類樁基工程量對比分析結果

選取前海交易廣場J類樁基共133根，設計樁長總量為1 610.18m，施工樁長總量為1 527.67m。差值82.51m，占設計樁長總量的5.1%。其中，設計樁長與施工樁長差值>3m的共45根，占J類樁基總數的34%。J類樁中設計樁長與施工樁長最大差值為-8.78m。

圖9 J類樁工程量分析圖表

(2)P類樁基工程量對比分析結果

選取前海交易廣場P類樁基共574根，設計樁長總量為6 985.44m，施工樁長總量為6 602.41m。差值383.04m，占設計樁長總量的5.5%。其中，設計樁長與施工樁長差值>3m的共115根，占P類樁基總數的20%。P類樁中設計樁長與施工樁長最大差值為17.71m。

(3)分析結果校核

針對設計樁長與施工樁長差值較大的樁位進行反查。發現前海交易廣場BIM巖層模型與詳勘報告中鉆探點位標高基本一致，排除BIM模型創建時造成的誤差可能。

(4)應用結論

根據本次設計、施工樁基長度對比統計數據發現，設計樁長總量大于施工樁長總量。此外，無論入微風化或中風化巖層的P類、J類樁基，設計樁長與施工樁長工程量總數誤差均約為5%。因此，基于BIM技術的設計樁長估算應用具有工程實際應用意義。

造成設計樁長與施工樁長誤差原因可能為： 1)因前海交易廣場詳勘鉆孔點距離約20m，鉆孔點孔位間距較大，地下巖層起伏較大，未揭露巖層斷層破碎帶，從而造成的誤差； 2)因項目勘察原始鉆孔數據錄入錯誤或現場鉆孔巖樣統計錯誤而造成的誤差； 3)因施工打樁記錄錯誤或現場樁基施工造成的誤差。

圖10 P類樁工程量分析圖表

圖11 樁基數據校核表

建議： 1)建議在設計樁長與施工樁長差異較大的樁位附近進行補勘； 2)為保證項目質量安全，在樁基檢測環節，優先選取設計樁長與施工樁長差異較大的樁號進行檢測。

3 結語

BIM技術作為實現項目建設全生命周期精益化管理的核心技術[9]。本文將BIM技術深度應用于復雜地質基坑工程項目中，利用勘察資料創建數字化三維地質模型，還原項目土層、巖層分布情況，充分展示出地質結構內部的多種數據及其變化規律[10]。基于樁基BIM模型生成可貫穿用于建設全生命周期管理的樁基編碼體系，并且在施工建設期間不斷累積工程建設信息數據，最終形成BIM竣工檔案，作為項目數字化資產的一部分交付業主及運營方。

充分發揮BIM技術三維可視化及參數化特性，高效、精確統計設計樁基長度，減少因人為因素造成的數據偏差，為項目總體管理及專項作業施工管理提供決策依據。同時，依據項目真實數據進行對比分析試驗，通過分析結果可對數據差異較大處進行原因反查，進一步保證項目建設質量安全。

本文中三維地質BIM模型是在施工階段所建立的，以滿足樁基工程施工管理所需。然而，如若勘察單位能在工程勘察階段便著手構建三維地質BIM模型，則能夠提升其勘察工作效率及勘察成果準確率，更好地為業主、設計和施工單位提供科學的地基基礎設計和巖土設計依據[8]，最大程度提高項目參建各方對巖土工程勘察數據的有效應用，從而使得地下工程設計、施工方案更加科學，降低工程建設風險，創造最佳的經濟效益和社會效益。