應用BIM技術輔助判定工程樁入巖深度

洪恩欽 王 碗 李興魯 宋 強

中國建筑第八工程局有限公司總承包公司 上海 201204

傳統判定樁基入巖的方法，是現場工作人員僅根據以往經驗，通過觀察巖樣的顏色、形狀、紋理等物理特征來判斷樁基入巖情況，該流程存在一定程度的主觀性和片面性。入巖判斷時現場工作人員還會根據機器的相似性特征進行類比判斷，即通過鉆機的鉆進速度判定入巖情況，但是考慮到即便是同一型號的鉆機，由于投入使用的時長不同、作業環境的不同和操作人員的習慣各異等因素，也會導致在同一巖層條件下鉆進速度的差別。因此，依據此方式判定工程樁的入巖情況，也會產生無法具體量化的差異。以上2種判定樁基入巖的方法均會產生較大誤差，造成樁基承載力未達到設計要求，樁基返工導致資源浪費和工期滯后[1]。為此，必須找到一種可以更加準確地判定樁基入巖深度的方法。

目前我國正處于構建BIM數據信息集成和數字表達領域建設項目中的應用階段，BIM技術的應用越來越廣泛[2]，基于此，探索BIM技術在工程樁施工時的應用。

利用BIM技術的模型綜合性、三維可視化、信息關聯性、可出圖性等優勢，通過整合地層曲面模型、樁基模型，直觀顯示每根樁入持力層標高，導出CAD二維圖紙和明細表，在樁基施工階段輔助判巖，指導現場施工，為現場判巖提供了依據，極大地提高了現場判巖的效率，保證了工程樁的施工質量[3-5]。

1 研究背景

1.1 工程概況

寧波國際會議中心項目位于寧波市東錢湖旅游度假區，項目北至奕大山，南至東坑山，東鄰東錢湖沿湖堤壩（奉錢線），南北方向最長距離為1 300 m，東西方向最長距離為920 m。項目建成后將承接國際級的政務活動，重要國內、國際學術會議，高端商務會議，同時兼具文化、旅游等功能。

本項目持力巖層為中風化巖層，如圖1所示，巖層起伏較大，南北兩端靠山，中風化巖層埋深較淺，約15 m，中部靠近河道，巖層較深，逾80 m。在地勘階段，因項目工期緊張，未采用一柱一勘的方法，僅依靠地勘報告無法精準地判定每根樁的入巖標高，這給判巖帶來極大困難。

本工程全部采用端承樁，工程樁共3 668根，樁基工期為108 d，樁基工程量大、工期緊，若利用傳統方法撈取巖樣，通過顏色、材質判定是否為中風化巖層，那么需要大量專業地勘人員駐場服務，才能滿足現場對判巖的需求。

1.2 重難點分析

1）本項目地質環境復雜，南北臨山，東側環湖，西側鄰近很多其他公司的施工現場。現場地勘報告顯示，持力層巖面的最高處和最低處相差達65 m，因此項目不僅在占地范圍上橫向跨度較大，而且縱向起伏也十分明顯，這無疑很大程度上增加了現場工作人員準確判巖的難度。

2）本項目詳勘勘探點一共392個，勘探點之間的間距約27 m，遠遠大于9 m的柱間距，這會造成大部分結構柱下的樁基與勘探點距離較遠，若依據臨近勘探點數據去判斷周邊樁基入巖標高，勢必會有極大的誤差存在。

3）樁基采用泥漿護壁鉆孔灌注樁（端承樁），設計要求樁底入中風化巖層不小于1 m，中風化巖層埋深不同從而造成每根樁的深度有差異，為確定工程樁樁底標高，應先明確中風化巖層標高，巖層標高是控制樁底標高的關鍵。

4）項目位于泄洪區內，有3條河流經過樁基區域，因此部分樁基施工區域處在河道內及其附近位置，施工時恰好是梅雨季和臺風季，在雨水和臺風的影響下，即使是陸地上的樁基施工都困難重重，更不要說是水上進行的工程樁作業了，倘若能提前確定樁底標高，然后再開始施工，將大大減少水上作業的時間，提高打樁效率。

2 BIM技術判巖的原理及分析

工程樁嵌入中風化巖層的深度判定，核心在于2點：一是根據已有的地勘報告及相關工程地質資料，只能確定勘探點處的中風化巖層的深度及標高，而勘探點的位置并不是工程樁的位置，且工程樁的數量遠大于勘探點的數量，因此已有的地勘報告勘探點處中風化巖層高程數據，無法滿足現場工程樁判巖需要。為解決此難題，利用BIM技術基于點狀的中風化巖層高程數據，兩點成線、三點成面，最終生成完整的中風化巖層面。二是工程樁模型如何與中風化巖層面保持水平位置關系及高程的一致性，為此中風化巖層模型需與工程樁模型共用軸網和標高體系，從而保證巖層模型與工程樁三維模型相對位置關系及標高的一致性。

通過整合中風化巖層模型與工程樁模型，可得到每根樁與中風化巖層面的交點，結合設計要求的工程樁入巖深度（本項目要求入巖深度為1 m），從而確定每根工程樁樁底需要達到的高程，將判定工程樁嵌入巖深度的復雜問題轉化為工程樁成孔深度控制的簡單測量問題，輔助現場樁基施工，確保樁基施工的質量。

本項目基于地勘報告中包含中風化巖層等值線的CAD圖紙，經處理后導入BIM軟件生成三維巖層模型，同時基于建筑樁基圖紙建立工程樁三維模型，在BIM軟件中整合巖層模型和三維樁基模型信息，進行樁底標高標注，導出二維CAD圖紙及包含樁編號、樁的工程量、樁底高程的明細表，指導現場工程樁施工。

基于BIM技術的應用，可實現以下目標：

1）通過BIM的模型綜合性、可出圖性，建立巖層曲面模型和工程樁模型，考慮設計要求工程樁需入巖層1 m，將巖層曲面與每根工程樁的交點降低1 m，所得到的點的高程即為工程樁樁底需要達到的最低標高，通過BIM軟件可快速自動標注目標高程，并導出二維CAD圖紙，施工現場可根據樁底高程和原始地坪高程之差確定成孔深度，根據成孔深度來判定工程樁入巖深度是否滿足設計要求，輔助現場判巖，實現樁基工程入巖判定的精細化管理，保證樁基施工質量。

2）通過每根樁的樁底高程數據和原始地坪高程，預判工程樁成孔深度，根據成孔深度結合工期要求，選擇合適的工藝，從而提高樁基施工效率，縮短樁基施工時間。

3）通過BIM模型的三維可視化性，直觀展示工程樁入巖深度，可用于樁基施工階段對施工作業人員的方案交底，采用BIM三維模型向交底人員詳細介紹如何通過樁機成孔深度判斷工程樁入巖深度的原理，簡單、直觀，可提高交底效率，減少錯誤的發生，避免返工。

4）通過BIM模型可快速導出不同樁型的工程樁數量，計算得到樁基工程所需要的鋼筋和混凝土的工程量，為現場鋼筋備料、混凝土發料提供參考，也可為后期樁基結算提供準確的工程量數據。

3 技術實現

3.1 CAD圖紙處理

處理地勘提供的CAD圖紙，去掉多余圖層只保留等值線圖層以及定位軸線。由于等值線文件不包含高程數據，需要將地勘持力層等值線CAD圖導入軟件中，生成帶有高程信息的CAD格式文件。

3.2 建立模型

將帶有高程信息的CAD文件導入BIM軟件中，生成三維巖層曲面模型，同時根據樁基圖紙，建立工程樁三維模型，如圖2、圖3所示。

圖2 巖層曲面模型

圖3 工程樁模型

3.3 模型整合

將三維巖層曲面模型與工程樁模型整合，根據圖紙軸線定位，確保相對位置關系準確無誤，如圖4所示。

圖4 組合模型

3.4 標注樁底標高

基于整合模型，點擊樁基與中風化巖層交界處，自動生成入巖1 m樁底標高的標注。

3.5 導出圖紙、明細表

導出二維CAD圖紙及包含樁編號、樁的工程量、樁底高程的明細表。

3.6 數據分析

對實際樁底標高與BIM樁底標高進行對比分析，數據精度與誤差（此處以現場專業地勘人員判定的樁底標高為基準值）分析結果如下：

1）對比實際樁底標高和BIM出具的樁底標高數據，整體存在一定偏差，包含正向偏差和反向偏差，除個別樁的偏差是10%，其余偏差均在5%范圍內，由此可見，實際樁底標高與BIM出具的樁底標高在誤差范圍內基本一致。

2）實際樁底標高偏差與人工測量結果存在小范圍偏差，經分析存在以下2個原因。

① 中風化巖層面模型是根據地勘報告中勘探孔處中風化巖層高程數據，兩點成線、三點成面，最終生成完整的巖層模型，因此勘探孔數據的密集程度及準確性將直接決定生成的中風化巖層面的精準度，本項目勘探點間距約27 m，最大工程樁間距為9 m，勘探點間距是工程樁間距的3倍，以大間距的勘探點處巖層高程數據來推算小間距的工程樁處中風化巖層高程，可能會因數據密集程度不夠而造成偏差。

② 個別勘探點處的高程數據可能存在失真的情況。

3）針對以上數據存在的偏差，在以后的應用中可通過增加勘探點的數量、減少勘探點的間距，提高中風化巖層高程數據的密集程度。此外，對于個別可能存在失真的高程數據，通過BIM軟件，結合其他高程數據對其進行適當糾正，盡可能確保勘探點處高程數據的準確性，從而獲得更準確的巖層模型，這一點可作為未來的研究方向。

4 結語

1）傳統的判巖需要專業的地勘經驗，并結合鉆桿鉆進速度及晃動程度等現場施工經驗才能準確判巖，對專業技能要求高且耗時較長。利用BIM技術將工程樁三維模型與中風化巖層曲面模型基于同一標高和軸網整合在一起，得到工程樁與巖層曲面交點的高程數據，下降1 m，即可獲取樁入巖1 m的高程，將工程樁入巖判斷的復雜問題轉化為工程樁樁底標高控制的測量問題，更加簡單、快捷。

2）BIM三維模型可以直觀地表達巖層與工程樁的位置與標高關系，方便現場方案交底。同時，對于樁基施工中可能遇到的相關問題，可通過模型查明問題原因，提出解決方案。

3）BIM軟件可一鍵導出CAD圖紙，明確每根樁達到設計要求所需的樁底高程，減少人工標注可能帶來的誤差，實現現場樁基施工的精準化管理，有利于現場的質量控制，保證施工質量及結構安全。

4）通過該方法不僅提高了工程樁入巖深度判定精度，且在施工前獲取高精度樁深數據，對樁基施工前期準備和現場施工具有重要的指導意義。