基于隱蔽工程可視化信息模型的PHC管樁配樁優化研究與應用*

鄭 好，張 濤，吳建新，王 碩，王 卓

(中建一局集團第五建筑有限公司，北京 100024)

0 引言

目前，國內房建領域基于BIM技術的研究和應用大多集中于主體建筑結構和設備安裝工程，正向設計、可視化交底、深化設計、BIM5D、智慧工地管理等應用的方法也相對成熟。業內有關結構基礎的研究應用較少，主要涉及基礎與樁碰撞檢測，而將BIM技術應用于地質巖土勘探更為少見。目前，有部分學者利用BIM技術研究地質情況與樁長關系，取得了一定成果。饒嘉誼等結合三維地質和樁基模型對設計參考樁長進行校核；邱文江等利用Civil 3D軟件建立地質曲面，確定施工參考樁長。但有關PHC管樁配樁優化的研究成果未見報道，故開展基于BIM技術的PHC管樁配樁優化應用研究具有實際意義。

為解決傳統管樁配樁方案存在的問題，以PHC管樁加固天津濱海地區某別墅住宅地基為依托，研究嘗試一種新方式，基于BIM技術的三維地質模型與樁基模型相結合，進行數據提取和對比分析，調整樁長，達到優化管樁配樁方案的目的。與傳統方式相比，基于BIM技術的管樁配樁優化應用，可減少人為因素錯誤，提高數據集成效率；配樁優化較大限度地統一了各節樁長，在樁生產、運輸、堆放、施工過程中取得了明顯的經濟與社會效益。

基于BIM技術的PHC管樁配樁優化應用理論上有較大可行性，但實施過程面臨著諸多困難：首先是BIM三維地質模型建立存在一定難度；其次，大量樁基礎模型的建立工作繁重，樁位坐標信息錄入及對應地質信息導出過程繁瑣；再者，樁基礎各節樁長優化統一，應在滿足設計及規范要求的前提下通過精確數據對比分析確定。

1 工程概況

1.1 項目概況

某天津濱海新區別墅住宅項目位于天津市濱海新區塘漢路以東，塘沽森林公園以北，用地面積為308 942.9m2，建筑面積為470 972.16m2。

該工程建筑樁基設計等級為丙級，工程樁數量合計11 510根。樁基型號為PHCAB400,混凝土強度等級為C80，抗滲等級為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。單樁設計概況如圖1所示。

圖1 單樁設計概況

1.2 水文地質概況

天津濱海新區地勢平坦，主要受波浪和潮汐作用，形成沉積軟土，軟土層厚，地質條件復雜，具有多層結構，屬海陸交互沉積地層。地層以淤泥質土與粉質沉積黏土混雜為主，間或有海相沉積流砂層出現。其特點為土體孔隙率大、天然含水量高、壓縮性高、強度低、滲透性小，工程性質差，地基承載力較低。工程區域場地類別為Ⅳ類，為抗震不利地段，區域內地下水位較高，穩定水位平均埋深為1.40～1.75m。

根據勘察報告內容，施工區域內地質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，主要由淤泥質黏土、粉土、粉質黏土組成；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，主要由粉質黏土及粉土組成。

2 地質與樁基模型建立

2.1 地質模型

借助Civil 3D軟件可快速衍生地質曲面及模型實體的特點建立三維地質模型。提取勘察報告中的鉆孔數據(見表1)，通過Excel制作各地質層點文件，將點文件導入Civil 3D軟件中生成各地質層曲面，最后在各曲面間進行實體填充形成直觀的三維地質模型(見圖2)。

表1 鉆孔地質信息統計

圖2 三維地質模型

傳統的工程地質分析是根據勘察文件中的地質剖面圖、地質數據表、勘察報告進行。若遇到地質巖土分布復雜、樁基數量龐大的工程，地質分析較困難，工作效率低。利用Civil 3D軟件進行三維地質模型建立，將地質信息直觀可視化，可實現工程區域巖土的任意剖切、查看和分析，使地質分析變得更高效便捷。

2.2 樁基模型

根據工程樁設計情況，在Revit軟件中建立可調節單樁參數化族、樁頭處理模型，模型信息涉及樁編號、填芯混凝土工程量、鋼筋工程量。根據樁坐標批量導入單樁族模型，進行坐標定位和樁頂標高設置，生成群樁模型。根據藍圖建立基坑開挖模型，使其包含所有樁承臺、土方開挖、邊坡支護等信息。經統一的坐標系疊加模型，為后續的信息提取與配樁優化應用提供基礎。

3 信息提取與配樁優化

3.1 地質信息提取

數據信息提取是配樁優化的前提，從已創建好的三維地質模型曲面上獲取各樁位坐標點標高，經多次研究實踐，配樁優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高。信息提取流程為：基于Civil 3D軟件生成三維地質模型→將樁位坐標點文件導入Civil 3D軟件中生成點→從地質模型中的接樁層曲面和持力層曲面獲取樁位坐標點標高→導出接樁層和持力層頂標高進行分析計算。

3.2 配樁方案優化

天津濱海新區地質以海陸交互相沉積軟土為主，軟土層厚，具有多層結構，地質條件復雜，地層工程力學性質較差。結合工程地質特點，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)中選擇無液化性的⑥3粉質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粉質黏土作為建筑物樁基持力層。

該工程某地塊設計樁型共8種，編號為ZH1～ZH8，單樁長7～12m共6種(見圖3)。通過Civil 3D提取接樁層和持力層位置信息，結合已知各類型樁基樁頂標高、第1節樁長和第2節樁長進行統計分析(見表2)。計算得出，原設計配樁方案存在較大優化空間。

圖3 某地塊各節樁數量統計

表2 某地塊樁基參數

首先進行接樁位置范圍及施工參考總樁長范圍確定。

根據設計要求，接樁層為無液化性⑥3粉質黏土層，持力層為天然地基承載力良好的⑨1粉質黏土層，且樁端進入持力層深度≥J。在滿足以上要求的前提下，分析樁基各參數間關系。樁基參數及樁長調整如圖4所示。

圖4 樁基參數及樁長調整

經計算得出接樁位置范圍：H⑥2≤H接=H頂-L1≤H⑥3。H接為接樁位置標高(m)；H頂為樁頂標高(m)；L1為第1節樁長(m)；H⑥2為接樁層頂標高(m)；H⑥3為接樁層底標高(m)。

經計算得出施工參考總樁長范圍：H頂-H持+J≤L樁≤H頂-H⑨1。L樁為樁長(m)；H持為持力層頂標高(m)；H⑨1為持力層底標高(m)；J為樁端進入持力層深度最小值(m)。

根據接樁位置范圍及施工參考樁長范圍可篩選出原設計接樁層及持力層不符合要求的樁基，并進行如下優化調整。

1)接樁位置未達到設計接樁層 在不改變樁頂和樁底標高情況下，增加第2節樁長，縮短第1節樁長，使接樁位置下移，進入設計接樁層。

2)接樁位置超過設計接樁層 在不改變樁頂和樁底標高情況下，縮短第2節樁長，增加第1節樁長，使接樁位置上移，進入設計接樁層。

3)樁底位置未達到設計持力層或進入持力層未達J在不改變樁頂標高情況下，第2節樁長不變，增加第1節樁長，使樁底進入設計持力層，且保證進入深度≥J。

同理，對滿足原設計要求且存在優化空間的樁基，進行配樁方案優化，根據接樁位置范圍及施工參考總樁長范圍進行樁基長度調整。

1)在不改變接樁位置前提下，縮短第1節樁長，第2節樁長保持不變，同時保證樁端進入持力層深度≥J。傳統樁長設計往往無法精確覆蓋至每根樁，其樁基進入持力層深度若有較大余量，應采取此種優化方式，精細化降低成本。

2)在不改變樁底位置前提下，縮短第1節樁長，增加第2節樁長，同時需保證接樁位置在接樁層內，滿足設計要求。此方法總樁長不變，分別改變2節樁長，從而控制各長度樁型總占比，達到優化配樁的目的。

綜上所述，在接樁位置、持力層滿足設計要求前提下，經分析、計算、比較，篩選出可調整樁長的樁，進行配樁方案優化。配樁優化分析如表3所示。分析可知，優化方案壓縮了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%，優化樁占總數的27.05%。

表3 配樁優化分析

4 應用優勢

1)資料數據輕量化，提升工作效率 通過配樁優化，使相關技術、施工過程、質量驗收的同類材料增多，提升了資料整理和歸檔過程效率，減輕了資料專員負擔。

2)材料歸類更有序，提升場地利用率 同類樁數量增多，場地材料堆放區劃分更方便，提高了施工現場材料堆放區利用率，使樁分類碼放更加合理有序。

3)糾正初設問題，提高施工質量 篩選出接樁層及持力層不符合要求的樁進行調整優化，確保樁嵌巖深度滿足設計要求，保證了樁豎向承載力。

4)施工效率提高，縮短工期 配樁優化后，在吊樁、壓樁施工過程中，減少了樁長分類篩選時間，同類樁連續施工性強，提升了施工速度與效率，可縮短工期。

5)管樁生產線統一，模具數量減少 同類型樁增加，PHC管樁生產線利用率提升，生產成本降低，間接節省了總承包材料成本。

6)管樁裝卸效率提升，運輸成本降低 在管樁運輸過程中，不同長度樁對貨車裝載長度要求存在差異，不同樁長同車運輸會導致貨車轉彎半徑加大，且車載空間利用率不足。配樁優化使樁長統一，有助于提升車載空間利用率、運輸效率和行車安全，降低運輸成本。

5 結語

海陸兩相交互相沉積地層中PHC管樁基于BIM技術的配樁優化技術價值尚有很大可挖掘空間。抗震設防烈度較高地區液化場地、深厚軟土場地優先選用灌注樁進行地基處理，BIM+樁基礎方案優化手段有望解決此類更復雜地質情況下的各類樁基礎設計與施工難題。特別是在采用正向設計的EPC工程中，設計階段即可最大程度地解決配樁優化問題，其模型信息傳遞與BIM平臺應用效率也遠超普通施工總承包項目，對于地基與基礎等涉及巖土勘探分析的前端設計，BIM技術勢必成為一項不可或缺的高效工具。