BIM 技術在樁基工程判巖工作中的應用

陳 馳 梁渡東 汪義錦

廣東國信工程監理集團有限公司 廣東茂名 525000

為了推進BIM 技術在樁基工程上的實踐應用，將企業自主開發的樁基工程APP 與BIM- API 接口結合，利用工程現場產出的數據，探索BIM 二次開發技術結合動態地質模型推演樁基持力層深度的技術模式的可靠性，提出該模式在樁基工程判巖工作中的優勢與應用價值。

1 試點項目

在某商儲二期項目中，新建160 萬m3原油罐組，共16 座儲罐，單座儲罐10 萬m3。項目樁基工程采用振沖碎石樁和長螺旋鉆孔灌注樁兩種樁型，BIM 技術在10 臺罐中應用。其中罐T01、T02、T05、T06、T13 樁型為振沖碎石樁，5 臺罐合計共有振沖碎石樁6325 根；罐T07、T08、T14、T15、T16 樁型為長螺旋鉆孔灌注樁，5 臺罐合計共有長螺旋鉆孔灌注樁5265 根。

某LNG 擴建項目（二期）中新增5 座27 萬m3LNG儲罐，為全國單罐容量最大的LNG 儲罐。5 座27 萬m3LNG 儲罐均采用鉆孔旋挖灌注樁，每罐有鉆孔旋挖灌注樁406 根，共有鉆孔旋挖灌注樁2030 根。

試點的兩個項目中罐體均為大容量儲罐，對樁基工程質量要求甚嚴。其中，在某商儲一期項目中已發現該地區地層結構多變，部分區域關鍵土層缺失，部分地區存在持力層深度大范圍突變。詳勘報告中地勘孔分布較為分散，跨度大、數量不足，給現場工作人員對樁基的入巖判斷帶來一定的困難。在某LNG 擴建項目（二期）中，項目所在地區為炸山填海區，所填碎石皆為中風化花崗巖，地層持力層高程突變明顯，埋深變化大。其最深區域位處海邊區域，距地面深度接近43m，埋深淺處僅4m，僅有的少數地勘點無法全面反映地層結構和走勢，難以有效輔助現場工作人員進行樁基入巖判斷。

在上述項目中，改進了傳統的判巖模式，使用BIM 技術建立數字動態地質模型，批量生成持力層剖面圖和樁位點控制深度，輔助現場判巖工作，提高判巖準確率。

2 建立地質模型輔助樁基持力層判斷工作

2.1 地質模型建模原理

地層體三維建模一般采用點云建模、面元建模、體元建模或者混合建模四種建模方式，每種建模方式分別具有自己的優缺點。

根據現有的地勘資料特點，在試點項目的地質模型建模工作中，采用面元建模的方式建立地質模型。面元建模適合應用于單純的計算建模中, 因為涉及的模型點數量比較少，具有模型體積小，檢索速度快，數據格式簡練等優勢。利用三點成面建模方法，將每一個地勘孔看作三維模型面的一個點，每一個三維模型面點（地勘點）與附近的三維模型面點（地勘點）交叉成面。通過兩個地層面成體，或者設置另外一面深度的方式進行成體，最終形成完整的地質三維模型。圖1 為某LNG 擴建項目（二期）持力層地質模型。

圖1 某LNG擴建項目（二期）持力層地質模型

通過三點成面建模方式，大大提高了地勘孔的利用效率，生成的三維模型支持多角度旋轉，多角度剖切，快速檢索地層數據等功能，突破了傳統連點成線判巖模式的局限性與弊端，為現場監理人員實施樁基判巖工作提供幫助。

此階段三維地質模型建模數據均采集于地勘報告中的地勘點一次建模而成，但仍存在模型精度不足，偏差大等弊端，需要根據不斷采集的數據對模型進行動態校核。

2.2 地質模型推演樁孔持力層深度的原理

樁基工程中的每一個樁孔均可視為地質模型上的一個點，通過對此點做向下的垂直射線，射線于地質模型的某個三角面相交于一點，此點的高程便是此樁位點的持力層控制高程。

垂直射線與地質模型面交點的空間X、Y 坐標與樁孔點X、Y 坐標相同，唯一未知變量是垂直射線與地質模型面交點的空間Z 坐標。將此交點與相交面三個頂點進行連線，將已知數據建立數學方程組進行解算，可求得垂直射線與地質模型面的交點的空間的Z 的值。

作者使用Autodesk 產品的Civil3D 軟件，使用Civil3D 中“從曲面獲取高程”功能，從樁位點做垂直射線獲取地質模型三角面高程，批量獲取每樁點持力層高程信息。圖2 為某商儲二期項目地質模型推演持力層模型。

圖2 某商儲二期項目地質模型推演持力層模型

2.3 數據的導入

根據現場資料，利用CAD 數據導出功能和作者使用C# 開發的樁編號與樁孔坐標快速整合工具，從設計圖紙和施工圖紙中批量提取樁點數據。通過Civil3D 點導入工具將提取出來的樁點信息快速導入軟件Civil3D 中。使用Civil3D 中的“從曲面獲取高程”功能，批量獲得一次建模推演的持力層高程控制數據，導出Excel 表格。

三維模型與現場工程數據的互動是BIM 技術應用的核心基礎，為了將現場數據與三維地質模型交互，作者采用企業自行開發的數字化樁基工程APP 數據導出接口，使用C# 編程語言和Revit- API 進行二次編程開發，實現快速批量將現場數據導入BIM 模型功能。

2.4 動態修正模型

一次建模而成的地質模型因詳勘孔數據不足等原因，存在精度低、偏差大弊病，為了提高地質模型精度，在上述兩個試點項目中，均采用樁基工程產出數據來動態修正地質模型精度。

作者采用了C# 編程語言結合Revit- APi 接口進行持力層數據校核功能開發，收集現場樁位點成孔數據和現場工程師判巖報告中的持力層判定高程導入模型，利用計算機的快速檢索的優勢，將已打樁孔視為地勘孔，快速校核比對地質模型推演出的持力層高程點。設定修正條件，觸發修正條件的比對結果以點云的數據結構導出，反向導入Civil3D，以達到動態校核地質模型，修正模型精度的目的。

2.5 數據成果的更新與導出

數據成果以動態持力層剖面圖（圖3）和詳細樁孔點控制高程表格形式導出，每進行一次地質模型動態校核，數據成果也隨著校核結果進行動態更新。

圖3 動態地質模型剖面圖

3 BIM技術在樁基工程判巖工作中的應用效果

現場監理工程師從地質模型批量生成的剖面圖中提前預知地層變化情況，對地層存在突變、坡度較大的樁位點與施工方提前進行商，做出預警，減少問題樁發生的概率。地質模型批量生成的理論樁孔深度、NE 轉換坐標等數據，大大減少了現場工作人員資料查閱、數據筆算等重復性工作。

批量生成的持力層剖面圖和樁孔持力層控制高程數據結合其他判巖手段，使現場人員的判巖工作得到了有力的保障，利用BIM 技術建立的動態地質模型輔助樁基持力層判斷的技術模式，有效規避了因地質勘察資料不全為樁基入巖判斷工作帶來的困難和風險。

在某商儲二期項目中，經過儲罐充水試驗證明，所使用的兩種樁型都達到了設計要求。通過儲罐充水試驗的沉降觀測表明，單罐平均累計沉降量在45mm 上下波動，最小平均累計沉降量為27.7mm，最大平均累計沉降量69.33mm。振沖碎石樁的施工質量與國內同類儲罐工程相比，遠遠好于其他同類工程。

某LNG 擴建項目（二期）動態地質模型的應用已經得到了業主方的一致好評，BIM 技術應用被業主列為項目技術創新重點。

4 結語

BIM 技術結合動態地質模型輔助樁基工程判巖工作的技術模式，在試點項目上的應用已取得良好的效果。通過對比動態模型持力層推演高程與實際入巖高程差，可以用BIM 技術生成更多直觀的多維度地層狀況，對地勘資料數據內容的不足進行補充，提高地勘資料的使用價值，降低工程技術人員的判巖風險；可減少工程超前鉆數量，節約工程經濟成本。本文以BIM 技術的創新應用，引導工程技術人員用BIM 技術模式去解決判巖困難的問題，對BIM 技術的多維度應用及推廣具有一定的借鑒作用。