運用BIM 技術助力低山臺地住宅建筑群雨期防洪施工

文／王驁、劉元元、李揚、孫樹斌、馬波 中建一局集團第二建筑有限公司 北京 102600

1.背景資料

本工程為門頭溝區低山臺地住宅建筑群項目，位于北京市門頭溝區永定鎮。施工場地地處北京市西郊山區，屬于構造侵蝕的低山丘陵區，海拔高程在210m～490m之間，四面環山。坐落在馬鞍山北側，區內南北向、北東向沖溝發育，低山臺地建筑群在基坑開挖施工階段整體地勢呈西高東低、南高北低分布形勢。距離東北側永定河約6.0km。場區南部有泉水涌出，徑流距離短，大多滲入地下，雨季匯水多由斜坡向北東向自然沖溝徑流及下滲。

圖1 場區地貌照片

一般氣候條件下溝谷干涸，無地表徑流。氣候屬大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季晴朗清爽，冬季寒冷干燥，年平均氣溫7～10℃。據氣象局降水資料統計，區域年平均降水量為610.76mm，最大年降水量為1977 年的970.1mm，最小年降水量為1965 年的285.3m，詳見圖2。門頭溝岢羅坨-潭柘寺一帶多年平均最大10 分鐘降雨量為18mm，多年平均最大30 分鐘降雨量為30mm，年最大60 分鐘降雨量為40mm，360分鐘降雨量為70mm，年最大24h 降雨量為110mm。7～8 月的降水量可占到全年降水量的60%左右，詳見圖2、圖3。

圖2 門頭溝區各年降水量分布圖

圖3 門頭溝區多年累積最大降水量按月分布圖

圖4 場區模型圖

圖5 模型轉換及匯流分析

2.工程概況及施工難點

本項目為多臺地疊拼住宅項目，建設用地面積56613.2 m2，總建筑面積123677.39 m2，共19 棟單體建筑，住宅部分地下二層，地上四層，建筑高度13.5m。不同臺底標高住宅基礎依靠架空層過渡、連接，基坑最大開挖深度為13m。

建設項目四面環山，雨季匯水面積大，建設用地周邊原地貌土方未降至設計標高，建設單位正在進行周邊場地平整，場區內存在約150 萬m3土方未移除。場地西側樓座位置存在高于樓座基底45m 高的土山，正在進行降方。由于客觀原因，出土效率較低，土方場內倒運后被放置在南側紅線外層層堆疊，形成高填方臺地，與南側擬建公建基底形成最高40m 的高差。

場區周邊規劃有正式排洪渠作為建筑投入使用后的雨期排水的永久性構筑物，鑒于目前施工進度情況，此排洪渠尚未施工。

場區周圍紅線外為大市政施工區域，建設單位要求大市政雨污水管在雨期施工來臨前施工完成，由于大市政雨污水管緊貼場區紅線，因此，考慮到大市政雨污水管若在雨期施工來臨前不能完成回填施工的情況下，需要修筑土壩截水，在坑邊修筑截水臺，并根據三維掃描地形成果，將雨水引導疏排至修建好的排洪溝內。臨時排洪溝附近的2#涵洞邊坡外側設置擋水圍堰，圍堰暫定高1.5m，實際現場高度根據水量大小臨時安排接高。底部2m，上部1m。圍堰采用沙袋防護。3#涵洞計劃在進入雨季前完成施工，涵洞主體具備過水條件。

雨期施工前按照施工進度計劃場區內公建已開挖至基底標高，東側地庫及相連接的住宅群正在進行開槽施工，土方開挖及基坑支護同步進行，在雨期施工來臨之前需要做好基坑外截水措施及基坑內集水抽排措施。

持續大方量開挖階段橫跨整個雨期施工，如何做好低山臺底地區挖方階段雨期施工的防洪防汛，及時疏導排水工作，避免雨水沖毀及倒灌是本階段施工的重點和難點。

3.解決思路

3.1 綜合考慮目前建設用地位于淺山區山坳處，周邊山體及場內現狀土體匯水面積大，正式泄洪設施尚未完成的特點，雨季來臨將對建筑施工帶來極大的安全隱患，合理規劃雨期施工集水，導水，排水措施是保障建筑安全度汛和順利施工的保障。

3.2 掌握現狀場地地形情況是制定切實可行的泄洪方案的前提，由于場區面積大，周邊環境復雜，采用人工測量將耗費大量人力，周期也很長，計劃采用三維掃描技術，還原現狀場地情況，為下一步泄洪規劃提供一手資料。

3.3 運用BIM 技術，對地形曲面進行雨水匯流分析，模擬雨水匯流路徑，對重點區域位置進行截、擋水和疏水設施布設，根據地勢疏水、泄水的解決思路進行雨施期間防洪泄洪策劃和實施，進行精準防控。

4.主要實施內容

4.1 總體實施思路

通過BIM 技術將施工場地進行虛擬建模，最大限度的還原真實場地地形。利用Trimble Tablet（以下簡稱天寶TX8）三維掃描技術布設地形掃描設備，對山區地形進行掃描，形成山區整體平面圖，并在所述山區整體平面圖中標記高度；根據山區區域中的雨量監測設備或山區區域的氣象統計數據獲取洪水參數；根據所述山區整體平面圖，確定泄洪區域，通過與CIVIL3D 軟件相結合，分析復雜的空間場地形狀判斷泄洪區域是否滿足排水要求，若能夠滿足排水要求，則不需要進行設置；若不能滿足排水要求，則需要人工導流進行泄洪。

4.2 基于BIM 的TX8 與CIVIL3D 的結合應用

首先巡查場區地形，設置合適的觀測點位。使用天寶TX8 三維掃描儀器對施工場區及周邊地形區域進行激光掃描生成點云文件，共設置63 處掃描站點。將天寶TX8設備放置于視野開闊，架設儀器，通過水準氣泡手動初步調平，然后開啟儀器，儀器將自動進行精確調平。儀器開機后，點擊projects 建立本次測站系列文件名稱；然后點擊scan parameters 根據不同站點的使用要求設置不同參數，其中主要參數包括mode extended：掃描范圍（共四擋為10m1 分鐘、30m2 分鐘、30m3 分鐘、30m10 分鐘、300m20 分鐘）、color acquisition：顏色采集。本次掃描，我團隊主要使用的掃描范圍（mode extended）為30m3 分鐘和300m20 分鐘，在對觀測位置良好，地形結構復雜的觀測點進行掃描時，選擇300m20 分鐘的掃描模式，該模式可最大范圍采集地形，但同時會有掃描時間長（20 分鐘）、掃描數據大（每站平均450M）的缺點，對于視野不開闊，或者需要掃描的地形較小的，我們選擇30m3 分鐘的掃描模式；為了減少掃描時間，我們將顏色采集設定為關閉狀態。當參數設定完成后點擊scan 即可開始自動掃描；掃描儀器頭部將在水平方向旋轉360°，同時位于頭部中心的激光鏡頭將以極高的轉速在豎直方向旋轉，發射并接收激光信號，記錄點云。這樣就完成了以激光鏡頭為圓心的球型范圍的點云掃描。結構變化較大的關鍵測量點位置，以保證盡可能多的收集地形數據。

隨后將掃描文件導入Trimble Realworks 軟件中，拼合各測站點云模型，建立場區及周邊地形完整地形點云模型圖，接著對點云進行歸類處理，軟件自動識別原始地形、建筑、植被等，并將不同種類點云進行分割，然后去掉除地形以外的全部點云，這樣就完成了原始地形點云模型的建立。然后對該模型進行等高線處理，生成等高線dwg 圖紙。

最后將該等高線圖紙導入Civil 3D，分別定義曲面特性為等高線，生成曲面。最后將曲面模型導入Infraworks，即可開始進行匯流模擬。根據軟件計算結果，我們能得到流域面積，再通過流量計算公式可得到日流量Q，通過匯流路徑位置和流量，就能有依據的布置如排洪溝、蓄水池的防洪措施。

4.3 雨期施工措施

根據具體施工進度，場區內排水組織可分為三部分，分別為施工場區內有組織泄洪、排水；基坑內部排水；材料堆場排水。

4.3.1 場區內有組織泄洪、排水

根據外線工程和場坪標高進行規劃。基坑排水主要采取集水明排的方式進行組織。

汛期場區內土方降方至場平標高的施工任務需要持續進行，應依據場地原地貌地形圖，在汛期到來之前將公建西側土山移除，并將市政道路及雨水系統完成。公建基坑依照設計圖紙為整個建筑群現階段施工的最低點，且按照進度計劃不能在汛期到來前完成肥槽回填。公建西側緊挨高壓線塔土山；南側為尚未清走的土山，離108 國道下永久支護約為580 米；東側為自然山體，山坡設計有格構式支護，建筑物距離支護距離約為30 米；只有北側可順地勢自然排出雨水。擬在公建的東側沿永久排水溝路線、公建南側及南側土山（臺地）修建臨時排洪溝，排洪溝居中開挖，尺寸為1m（寬）×1m（深），排洪溝側壁、底部滿鋪不透水塑料布，再用卵石濾層鋪底，卵石粒徑和厚度以現場鋪設實際為準。并在各側排洪溝接駁處及東側排洪溝（每隔100 米）設置密目清淤網，用于攔截雨水中的泥沙，網高500mm，安排專人定時清淤，保證排洪溝的暢通。

根據基于BIM 技術的三維掃描成果平面圖，利用自然地形確定排水方向，使南側及臺地的地面匯水流入東側排洪溝，并向北排至市政排水溝渠，東側排洪溝與南側臺地排洪溝接駁處要進行降土方處理，使臺地出匯水能夠順利排入東側排洪溝。南側臺地防洪溝根據現狀土方標高進行修建，東側防洪溝穿越臺地各級臺階，接入1#公建東側的防洪溝。所有排洪溝需在汛期到來之前全部具備防洪、防汛功能。南側臨時排洪溝的土方按要求降至安全標高，保證排洪溝順利實現應有的功能。

4.3.2 基坑內部排水

若基坑未到底或基底的排水溝和臨時集水坑未修好時，需要采用泥漿泵進行雨中排水；若基坑已挖完，則采用潛水泵進行排水，可在基坑底面四周結構以外肥槽內設置排水溝和臨時集水坑，排水溝凈尺寸為0.3m×0.3m，溝側壁寬0.15m，溝底厚0.1m，材質為C15 素混凝土。臨時集水坑在坑底邊角設置4 個，井底低于坑底0.9m，下無砂井管和濾料，卵石壓底。

臨時集水坑內的積水要隨時用泵排出，保證基坑底干燥。排水管要配備足夠長，使水一次排入臨時排洪溝內。排水時防止雨水回灌，造成二次沖刷。基底標高較高的基坑與較低的基坑交界處設置臨時擋水圍堰，避免水灌入低處。

若土方單位未按要求降至安全施工土方標高導致山洪攜帶泥石流沖入排洪溝中導致於堵。我方將要求土方單位配合施工單位果斷投入大量的機械，組織充足人員，投入到排洪溝清淤工作當中，在最短時間內疏通排洪溝，保證使用功能。

為防止地表水、地下水等大量滲入基坑，造成基坑浸水，破壞邊坡穩定，影響施工進行，必須采取地面截水、坑內排水相結合的措施，在基坑上坡平臺防護欄桿下設置混凝土擋水臺。

4.3.3 材料堆場排水

所有材料堆放場地下面需墊設挑板、型鋼等墊層，或進行地面臨時硬化。上面覆蓋塑料布，周邊設置排水溝，排水溝尺寸為0.3m×0.3m。

防水材料全部存入倉庫，保證不漏、不潮，下面應架空通風，四周設排水溝，避免積水。

對模板堆放場地進行路面硬化，避免地面下沉造成倒塌事故。

不能淋濕的材料在下雨前及時運入室內。

腳手架立桿底腳必須設置墊木，外腳手架坐落于肥槽回填土上的部分應確保回填質量，土體應夯實并進行硬化處理，周邊設置排水溝或硬化是做外散水，同時保證排水通暢，避免積水浸泡。

4.4 監控與監測

4.4.1 根據模擬雨水匯流區域，在場區關鍵位置布設監測站點，設置簡易雨量報警器，簡易水位站，雷達水流測速儀等監測設施，對降雨量、現場關鍵點水位及雨水流速進行實時監控。

4.4.2 對場區高陡邊坡區域安裝監測點，測斜儀的測孔打在坡頂，測斜孔與測斜孔之間的布距20-50 米為宜，均勻分布在兩個被測區域內；拉線位移計與測斜儀同斷面安裝，分別布設在坡頂和坡面，監控變形情況，如有異常及時報警。

結語：

在地形復雜多變的本工程中，加之場平土方未能降至設計高程為最大制約因素下，雨期施工的防洪防汛任務變的異常艱巨。通過運用基于BIM 技術的三維掃描技術Trimble Tablet 與CIVIL 3D 軟件的完美結合在本工程的應用，將每次掃描的數據都歸在當前站點為原點的坐標系下，通過在數據采集過程中引入反射片作為標記物，分別提取反射片在點云和紋理圖像中的形心坐標作為配準基元，計算出點云和紋理圖像兩個坐標系之間的變換，從而實現配準。將點云數據和紋理圖像數據合成得到三維圖像模型，再將三維圖像模型進行歸一化處理得到的測繪地形數據形成了場區平面圖，再根據場區整體平面圖，確定泄洪區域及水流路徑。最后依照路徑開挖排洪溝，筑土圍壩，修建擋水臺、集水坑、截洪溝等設施。

根據模擬雨水匯流區域，在場區關鍵位置布設監測站點，設置簡易雨量報警器，簡易水位站，雷達水流測速儀等監測設施，對降雨量，現場關鍵點水位及雨水流速進行實時監控，有針對性的進行應急處理措施，成功解決了在雨期施工階段疏排截流的防洪防汛任務。即便是在降水峰值時期，基坑中未存留過多的明水，場區內未受到洪水的沖擊。

運用BIM 技術助力低山臺地住宅建筑群雨期施工，在本工程中取得良好效果，為今后類似低山臺地項目的推廣應用提供了可行性的參照案例及推廣思路。