基于BIM技術的人工挖孔擴底樁穩(wěn)定性控制方法

謝童安 羅麗荷

摘要： 人工挖孔擴底樁屬于埋置較深的地下隱蔽工程，其施工技術存在較大的危險性，故而加強對人工挖孔擴底樁施工過程中的穩(wěn)定性和安全性控制成為亟需解決的一道難題。本文結合實際工程總結了人工挖孔擴底樁穩(wěn)定性控制的傳統(tǒng)方法和特點，提出了基于BIM技術的人工挖孔擴底樁穩(wěn)定性控制的具體方法及主要內(nèi)容，闡述了其優(yōu)勢及實施要點，最后對其拓展運用進行了展望。

Abstract： How to control the strengthening of the stability and safety in the construction of the artificial hole dug belled pile is a difficult problem that it needs to be solved urgently， for the artificial hole dug belled pile belongs to the buried deep concealed project， and its construction technique is full of great danger. In this paper， the traditional methods and characteristics of the controlling of stability of the artificial hole dug belled pile are summarized for the comparing， some concrete methods and main contents of the controlling of the stability of the artificial hole dug belled pile is put forward based on BIM Technology， and its advantages and main points of implementation are expounded， finally the development and application of this method is prosected.

關鍵詞： 人工挖孔擴底灌注樁；穩(wěn)定性控制；BIM技術

Key words： the artificial hole dug belled pile；the controlling of stability；BIM（Building Information Modeling）

中圖分類號：TU758.11 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）11-0087-03

0 引言

人工地下隱蔽作業(yè)存在著大量未知的危險因素，對樁基成孔穩(wěn)定性和井下作業(yè)人員的安危存在較大威脅，若能在施工前就對地下作業(yè)環(huán)境和施工過程充分掌握，則能大大提高樁基穩(wěn)定性和質(zhì)量完整性以及作業(yè)人員的安全性[1]。本文從人工挖孔擴底樁的施工穩(wěn)定性角度出發(fā)，結合現(xiàn)有的理論知識和BIM技術對影響樁基施工中穩(wěn)定性因素做出了解和判斷，運用4D技術對樁基施工穩(wěn)定性控制點做出施工模擬，力求做到事前控制的準確性和及時性，從而提升樁基施工穩(wěn)定性，從而保證樁基成樁質(zhì)量和使用安全性；樁基施工的穩(wěn)定性不僅關乎到樁基的完整性和質(zhì)量是否滿足要求，還關系到地下作業(yè)人員的安全。

1 工程概況

云南新儲物流配送中心綜合廠房主體工程，項目位于昆明市經(jīng)開區(qū)洛羊物流片，東臨鴻運大道，北接城市綠化帶，西臨城市主干道，南側為部隊用地。包括智能立體庫一：地上一層；智能立體庫二：地上一層；綜合廠房：地上三層，一層架空；城儲配送庫：地上三層，地下一層；分撥配送庫：地下1層，地上2層；配套倉儲樓：地下一層，地上五層。地上建筑總高度133.55m。

工程含有人工挖孔擴底灌注樁數(shù)為258根，樁型主要為抗壓樁、抗滑樁。樁身直徑為0.8m、1.0m，擴底端直徑為1.0～2.0m不等，樁長在11.25～18.7不等。

2 樁基施工穩(wěn)定性分析

此項目地形情況復雜，樁型多樣，埋深均較長，為保證樁基施工安全質(zhì)量和地下作業(yè)人員的生命財產(chǎn)安全，在施工過程中對樁基施工穩(wěn)定性控制方面提出了較高的要求，但地下錯綜復雜的施工條件給保證樁基施工穩(wěn)定性帶來了不少的困難，如何對樁基施工進行事前控制，如何保證樁基施工作業(yè)人員安全性，以及如何減少不必要的損失和返工將是研究人工挖孔樁一直以來急需解決的問題。

建筑信息模型（Building Information Modeling）或者建筑信息管理（Building Information Management）是以建筑工程項目的各項相關信息數(shù)據(jù)作為基礎，建立起三維的建筑模型，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息[2]。它具有信息完備性、信息關聯(lián)性、信息一致性、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性八大特點。將建設單位、設計單位、施工單位、監(jiān)理單位等項目參與方在同一平臺上，共享同一建筑信息模型，利于項目可視化、精細化建造[3]。

由于本樁基項目施工地下環(huán)境復雜、樁基埋深較深，施工時難以保證樁基施工的穩(wěn)定性和地下作業(yè)人員的安全性，因本項目在設計階段結合BIM技術，運用其具有的獨特優(yōu)點，結合BIM技術的雙向利用和雙向控制對樁基工程進行事前控制和仿真模擬，實現(xiàn)了人工挖孔樁的實測實量，達到了施工過程穩(wěn)定性控制以及保證作業(yè)人員安全性的目的。

3 人工挖孔擴底樁穩(wěn)定性控制難點

人工挖孔擴底樁屬地下隱蔽工程，本身存在很多施工風險以及未知的安全影響因素，每個工程又具有其特殊性和施工難點，因此在很多地區(qū)受到了使用限制。但其所具有的承載力高，施工簡便和器械簡單等優(yōu)點又受到大多工程人員的喜愛[4]。因此控制好施工階段的穩(wěn)定性和保證好地下作業(yè)人員的安全性是大力推廣人工挖孔樁運用的首要責任。

本項目位于昆明市經(jīng)開區(qū)洛羊物流片地區(qū)，地質(zhì)情況復雜，同時受周圍干道影響較大，所以針對本項目，人工挖孔擴底樁施工穩(wěn)定性控制具有以下5個重點、難點：

①本工程地質(zhì)情況較復雜，樁底標高差異較大，樁端持力層難以檢測，不易控制；

②工程四周受城市干道和部隊用地限制，對施工中對周圍既有設施產(chǎn)生的擾動影響有嚴格限制，因此需要進行實時監(jiān)控，綜合管理；

③對于樁基尺寸檢查、垂直度測定、樁長驗證、擴底端監(jiān)控等實測工作量大；

④井下作業(yè)環(huán)境惡劣，人工檢測危險性較大；

⑤傳統(tǒng)交底技術不夠徹底，施工中樁基易發(fā)生穩(wěn)定性問題，從而影響樁基質(zhì)量和作業(yè)人員的安全。

如何解決樁基施工穩(wěn)定性難點是解決樁基施工的首要問題，也是保證樁基使用的前提條件。

4 傳統(tǒng)穩(wěn)定性控制方法

傳統(tǒng)保證人工挖孔擴底樁穩(wěn)定性主要是在樁基設計階段和施工階段完成。在設計階段沿用樁基規(guī)范和地區(qū)要求，結合之前已有的設計經(jīng)驗進行樁基設計，通過大量樁基設計成果表明此設計方法所得設計結果偏于保守，導致成本投入過多，造成一定的資源浪費；施工階段則是根據(jù)設計及成果制定相應的施工方案，沿襲傳統(tǒng)的施工工藝和施工技術，此方法并沒有取得較好的施工效益，且施工階段存在較多的位置安全隱患，如若處理不好則容易造成安全事故，且這種方法人力花費大，需考慮大量影響因素，若稍有不慎則會對樁基穩(wěn)定性造成嚴重的影響。同時設計和施工階段的偶然誤差和設備誤差難以控制，導致樁基成孔是否穩(wěn)定不得而知。因此若想保證樁基質(zhì)量和施工安全，需對樁基進行良好的事前控制，擬用最小的成本得到較高的效益。

5 基于BIM技術的控制方法

本文基于BIM 技術提出雙向利用的穩(wěn)定性控制方法。具體控制思路如圖1所示。

5.1 模型指導施工方向

相比常用的“二維圖紙設計→技術交底→現(xiàn)場施工”傳統(tǒng)模式，BIM技術在建筑項目全生命周期管理即BIM中的運用，其包括設計階段、施工階段、驗收階段和維運階段[5]。就人工挖孔擴底樁施工階段而言，主要從施工技術交底的控制、穩(wěn)定性控制點的設置、施工工序等方面進行穩(wěn)定性控制。BIM技術利用建模軟件針對項目中人工挖孔擴底樁構建實體模型，如圖2所示（部分截圖），便于現(xiàn)場作業(yè)人員理解和掌握，方便圖紙會審和技術交底；4D虛擬施工現(xiàn)場作業(yè)人員不用結合多張二維圖紙進行構想三維實體，而是直接通過圖片或模型虛擬施工就可直觀明了地掌握樁基穩(wěn)定性控制關鍵點，這種方式大大提高了控制樁基穩(wěn)定性的有效性。

5.2 BIM技術中樁基穩(wěn)定性控制實施

模型精度直接決定后期模型應用的深度，精度越高，信息越全，意味著模型參考性越高，但同時會帶來人工及時間成本的大量投入，所以要根據(jù)應用的深部分清不同階段模型的精度。就人工挖孔擴底樁施工階段穩(wěn)定性而言，建立模型初期階段可確立如下模型精度來控制其穩(wěn)定性：

①樁端持力層：本項目人工挖孔擴底樁屬嵌巖樁，因此樁端持力層情況的好壞決定樁基豎向承載能力是否可以滿足設計要求和使用要求，因此樁端持力層為影響樁基完整性的原因之一[6]。運用BIM 技術，可根據(jù)勘察設計單位所提供的勘察數(shù)據(jù)進行觀察所在地的地下情況進行圖樣化、可視化，在未施工前預先從視覺上了解地下土層情況，以便施工中遇到突發(fā)情況可進行及時的處理，解決不必要的安全問題，土層剖面圖如圖3所示。

②樁端擴大頭：當樁長超過5m時人工挖孔擴底樁的單樁豎向承載力可忽略樁側摩阻力的貢獻，由樁端承載力來代表樁基豎向承載力，由計算公式可知，當樁端持力層承載力特征值一定時，樁端擴底面積則是影響樁基豎向承載力的唯一因素，而滿足樁基豎向承載力則是樁基設計的首要滿足要求，因此樁端擴大頭尺寸為影響樁基完整性的原因之二；樁端擴大頭的設計不僅是對樁端擴底面積的設計，還包括樁端擴底角度的設計，樁端擴底角度大小不僅影響樁端擴大頭尺寸，其角度的擴大程度還影響到樁端斜面是否穩(wěn)定，是否能夠在澆筑樁芯混凝土之前承受斜面上莊周土體的自重不會坍塌造成安全質(zhì)量事故，這些未知因素不僅關系到樁基施工是否安全，是否能夠保證樁基施工的穩(wěn)定性，還關系到地下作業(yè)人員的安全問題，因此樁端擴底角度為影響樁基完整性的原因之三，樁端擴大頭如圖4所示。

③鋼筋籠：人工挖孔樁的鋼筋籠大多采用預制式鋼筋籠，或在樁孔周圍制作后直接吊入，或在廠房批量生產(chǎn)后運輸?shù)跞?。影響鋼筋籠質(zhì)量和穩(wěn)定性的因素較多，但最主要的因素有兩點：1）首先鋼筋籠是否按照設計要求進項場外制作，是否滿足質(zhì)量要求都將會對樁基完整性造成影響；2）其次，鋼筋籠的安放過程是否會對混凝土護壁產(chǎn)生碰撞引起混凝土的剝落，安裝是否符合垂直度要求也會對樁基完整性造成影響，因此鋼筋籠為影響樁基完整性的原因之三。鋼筋籠的運輸和吊入過程存在許多偶然因素和機械誤差將會對鋼筋籠的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。因此如何保證鋼筋籠制作、運輸和吊入的穩(wěn)定性和保證質(zhì)量安全則是一個急需解決的問題，因此混凝土護壁為影響樁基完整性的原因之四，鋼筋籠示意圖如圖5所示。

④樁芯混凝土：樁芯混凝土的澆筑直接影響到樁基完整性和穩(wěn)定性，從而影響樁基質(zhì)量，樁芯混凝土澆筑質(zhì)量則是保證樁基承載力的重要因素。若樁芯混凝土在澆筑過程中產(chǎn)生離析、蜂窩等缺陷將會嚴重影響樁基豎向承載力，從而影響樁基質(zhì)量，嚴重時還會造成返工[7]。尤其樁基在受力過程中，若樁芯混凝土澆筑不密實，在作用時易產(chǎn)生混凝土壓縮沉降導致上部建構筑物的沉降，嚴重時還會導致樁基受力壓碎破壞，因此樁芯混凝土的澆筑在樁基工程中起到至關重要的作用，因此混凝土護壁為影響樁基完整性的原因之四，樁芯混凝土如圖6所示。

⑤混凝土護壁：混凝土護壁的穩(wěn)定性一方面可以防止孔壁土體坍塌造成土底沉渣過厚影響樁基完整性，另一方面防止土體坍塌對井下作業(yè)人員安全造成的威脅，因此混凝土護壁為影響樁基完整性的原因之五。

基于上述五種施工中影響樁基完整性因素的考慮，運用BIM技術在設計后施工前進行實體模型的建立，運用4D技術進行虛擬施工現(xiàn)場的模擬，對施工進度計劃與施工工藝進展情況隨時進行直觀快速的了解，同時進行各方協(xié)同調(diào)整，有助于施工方、監(jiān)理方、業(yè)主對工程項目的施工情況掌握于心。可以從最大程度上解決樁基穩(wěn)定性的問題，最大程度上保證樁基穩(wěn)定性，從而保證樁基質(zhì)量和井下作業(yè)人員的安全問題。

6 基于BIM技術的穩(wěn)定性控制優(yōu)勢

BIM技術較其他軟件或檢測方法有較高的適應性和優(yōu)勢，其具有的可視化、參數(shù)性、協(xié)調(diào)性等優(yōu)點讓其在工程項目中逐漸得到推廣與運用，在人工挖孔擴底樁穩(wěn)定性控制上具有以下優(yōu)勢： ①BIM技術可以將復雜地形進行三維繪制，與原來只能通過勘察報告的平面圖或剖面圖判斷地形相比更直觀，也更形象；②運用BIM技術的實體化模型和4D模擬施工過程可直截了當?shù)亓私庹麄€施工工藝和施工過程，加強了事前穩(wěn)定性控制，易于掌握樁基穩(wěn)定性控制點的施工進程和質(zhì)量，隨時查看實際施工進度與計劃進度的差距，及時進行各方協(xié)調(diào)配合；③BIM技術具有的參數(shù)性優(yōu)點可在實際施工中對模型進行參數(shù)修改，以適應實際過程需要，根據(jù)BIM設計模型的修改及時對施工工藝、原材料需要和成本投資進行更新，減少不必要的浪費；④BIM技術加強協(xié)調(diào)穩(wěn)定性管理體系，在施工過程中，涉及到的專業(yè)、崗位眾多，BIM信息的易移植性和易修改性加強了各個專業(yè)的協(xié)同合作，不同崗位可及時反映信息、處理信息及同步信息。

7 基于BIM技術的穩(wěn)定性控制發(fā)展展望

本文主要對人工挖孔擴底樁的穩(wěn)定性控制在BIM技術中的運用進行了闡述。其應用過程已經(jīng)對人工挖孔擴底樁的穩(wěn)定性控制方法和所取得的效果有了明顯的提升。不過BIM技術在國內(nèi)的發(fā)展還只是介于初期階段，未被廣泛采用。但BIM技術是三維工程設計方法的基礎，具有劃時代意義。隨著建筑行業(yè)的逐步深化改革，信息化的不斷推進，相信在未來BIM技術可以在建筑施工穩(wěn)定性控制方面與傳統(tǒng)技術相結合，從而提高信息集成化。正因如此，BIM技術還是有很高的研究前景。

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