BIM技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)基坑工程的應(yīng)用研究
——前海交易廣場項目

鄭煒明

(上海城建信息科技有限公司，上海 200126)

1 工程背景介紹

1.1 工程概況

前海交易廣場項目位于前海自貿(mào)區(qū)桂灣片區(qū)，地處填海造地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜[3]，東鄰地鐵1號線鯉魚門車站，南側(cè)與華潤前海項目隔桂灣四路，西側(cè)為在建的地鐵5號線桂灣車站、聽海共同溝，北側(cè)為騰訊前海項目，深圳地鐵1號線鯉魚門站—前海灣站區(qū)間從項目地鐵下方穿過[4]。

前海交易廣場項目占地面積約為7.9萬m2，總建筑面積約63.8萬m2，其中地上建筑面積約43.4萬m2，地下空間建筑面積約20萬m2。項目基坑長度297m，寬245m，開挖深度9～17m，地鐵保護區(qū)長度為401m。基坑分為地鐵保護區(qū)與非地鐵保護區(qū)，下設(shè)三層地下室，地鐵保護區(qū)上方設(shè)一/二層地下室。

1.2 工程地質(zhì)條件(表1)

表1 工程地質(zhì)條件表

2 地質(zhì)巖層BIM技術(shù)應(yīng)用

2.1 地質(zhì)巖層BIM模型創(chuàng)建

前海交易廣場項目詳細(xì)勘察報告中共275個，巖層共計8層，依次為填土(石)層、淤泥質(zhì)填土層、黏土層、砂質(zhì)黏土層、全風(fēng)化花崗巖層、強風(fēng)化花崗巖層、中風(fēng)化花崗巖層、微風(fēng)化花崗巖層。對項目詳勘報告數(shù)據(jù)進行分層、分類處理后，采用BIM參數(shù)化建模軟件創(chuàng)建三維地質(zhì)巖層模型。

圖2 地質(zhì)巖層BIM應(yīng)用技術(shù)路線

前海交易廣場地質(zhì)巖層三維模型創(chuàng)建過程中采用多款三維模型創(chuàng)建軟件比對分析，包括Civil 3D、Infraworks、Revit+dynamo、Rhnio、3Ds max等。最終選取Rhino+Revit軟件組合創(chuàng)建了曲面平滑、擬合度高的三維地質(zhì)巖層模型。

傳統(tǒng)二維柱狀圖是在相鄰鉆孔點以直線連接的形式表達(dá)巖層分布情況，采用BIM技術(shù)創(chuàng)建的地質(zhì)剖面圖和柱狀圖則是根據(jù)鉆孔點高度擬合的曲線，相比傳統(tǒng)二維柱狀圖及地質(zhì)剖面圖更接近巖層分布狀態(tài)。此外，地質(zhì)巖層模型可以進行任意剖切，可對整體地質(zhì)巖層狀態(tài)進行更細(xì)微的觀察與分析[5]。通過BIM參數(shù)化的技術(shù)手段可以批量導(dǎo)出地質(zhì)剖面圖及柱狀圖紙，可提高圖紙輸出效率，降低人力成本。

圖3 前海交易廣場鉆孔平面圖

圖4 前海交易廣場地質(zhì)巖層BIM模型

圖5 地質(zhì)巖層BIM模型剖切圖

2.2 樁基工程BIM模型創(chuàng)建與信息賦予

前海交易廣場項目樁基總數(shù)達(dá)5 000余根，其中工程樁3 000余根，圍護樁近2 000根。樁基BIM模型采用Revit+Dynamo進行參數(shù)化創(chuàng)建完成。樁基工程施工前需進行相應(yīng)編號工作，施工樁號用于樁基工程施工管理、樁基施工臺賬維護、施工檢驗批資料管理、樁基工程量申報等。

樁基編號工作通過Revit+Dynamo操作完成，在樁基BIM模型中利用Dynamo程序?qū)痘鶚?gòu)件進行分類、批量賦予圖元構(gòu)件編碼信息，進而導(dǎo)出樁基編號表，作為樁基施工原始表單使用。通過參數(shù)化創(chuàng)建樁基BIM模型及構(gòu)件信息賦予，可高效快捷地完成樁基BIM模型創(chuàng)建及編碼工作，并且保證BIM模型中樁基編號與各類樁基施工資料編碼體系一致。后續(xù)BIM模型構(gòu)件作為數(shù)據(jù)載體，通過唯一的樁基編號代碼將施工過程各類電子數(shù)據(jù)實時導(dǎo)入BIM模型構(gòu)件中，最終形成BIM竣工檔案。

圖6 前海交易廣場樁基施工BIM模型

2.3 設(shè)計樁長工程量BIM應(yīng)用

2.3.1 設(shè)計樁長工程量BIM應(yīng)用需求分析

由于前海交易廣場項目地質(zhì)復(fù)雜，土層、巖層分布不均，持力層埋深無法準(zhǔn)確估算?？辈煸O(shè)計單位只提供具有一定范圍的設(shè)計參考樁長，無法確定具體樁基設(shè)計樁長。設(shè)計樁長的數(shù)據(jù)取決于地質(zhì)勘探報告，鉆孔數(shù)量越多，分布越緊湊，提供的設(shè)計樁長越接近實際樁長[6]。若要提高樁長估算精度，則需加大鉆孔數(shù)量或?qū)唧w樁位進行超前鉆探。

然而，樁基工程施工前需要估算項目各區(qū)域的樁基工程量及具體樁號的樁基長度，為項目樁基工程成本、進度控制及專項施工作業(yè)管理提供決策依據(jù)。施工階段傳統(tǒng)設(shè)計樁長的估算往往是根據(jù)勘察單位提供的剖面圖、數(shù)據(jù)表、報告進行綜合分析[7]。使用傳統(tǒng)的設(shè)計樁長估算方法，需結(jié)合多張二維平面圖進行分析、重構(gòu)三維場的分布特征，重構(gòu)完全取決于技術(shù)人員經(jīng)驗的多寡[8]。傳統(tǒng)的設(shè)計樁長估算工作量大而繁瑣，容易出錯，進而導(dǎo)致施工作業(yè)管理效率、質(zhì)量降低，成本增加。例如：設(shè)計樁長估算誤差過大，會導(dǎo)致工程樁鋼筋籠加工長度誤差過大，則需要對鋼筋籠進行切割或焊接。然而，對鋼筋籠的切割或焊接會導(dǎo)致鋼筋籠質(zhì)量下降，影響鋼筋加工場及施工機械設(shè)備正常的作業(yè)秩序，進而導(dǎo)致樁基工程綜合作業(yè)的進度滯后和成本增加。

通過對項目樁基BIM入巖模型的建立和對設(shè)計樁長的參數(shù)化統(tǒng)計，有助于項目管理人員對項目各區(qū)域樁基工程量分布情況進行宏觀把控，有效降低人為因素造成的誤差，提高設(shè)計樁長數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率，實現(xiàn)項目樁基工程高效、精細(xì)化管理。

2.3.2 設(shè)計樁長工程量BIM應(yīng)用

將樁基BIM模型與持力層巖層BIM模型結(jié)合，依據(jù)設(shè)計提供的工程樁入巖深度要求，參數(shù)化調(diào)整樁基長度，建立樁基入巖BIM模型，設(shè)置工程量計算規(guī)則，參數(shù)化統(tǒng)計設(shè)計樁基工程量。

圖7 前海交易廣場樁基入巖BIM模型

2.3.3 基于BIM的設(shè)計樁長工程量對比分析實例

本次設(shè)計樁長工程量對比分析試驗選取前海交易廣場項目南區(qū)已完成施工的J類、P類樁，共計707根工程樁進行研究分析(J類樁為核心筒區(qū)域大樁徑工程樁、P類樁為非核心筒區(qū)域工程樁)。通過對比前海交易廣場南區(qū)設(shè)計樁長與施工樁長工程量的數(shù)據(jù)差異，用于校核設(shè)計樁長，提供業(yè)主方成本部用于樁基施工成本經(jīng)濟效益分析，亦可驗證基于BIM技術(shù)的設(shè)計樁長估算應(yīng)用的可靠性。

圖8 前海交易廣場樁基BIM工程量統(tǒng)計表

(1)J類樁基工程量對比分析結(jié)果

選取前海交易廣場J類樁基共133根，設(shè)計樁長總量為1 610.18m，施工樁長總量為1 527.67m。差值82.51m，占設(shè)計樁長總量的5.1%。其中，設(shè)計樁長與施工樁長差值>3m的共45根，占J類樁基總數(shù)的34%。J類樁中設(shè)計樁長與施工樁長最大差值為-8.78m。

圖9 J類樁工程量分析圖表

(2)P類樁基工程量對比分析結(jié)果

選取前海交易廣場P類樁基共574根，設(shè)計樁長總量為6 985.44m，施工樁長總量為6 602.41m。差值383.04m，占設(shè)計樁長總量的5.5%。其中，設(shè)計樁長與施工樁長差值>3m的共115根，占P類樁基總數(shù)的20%。P類樁中設(shè)計樁長與施工樁長最大差值為17.71m。

(3)分析結(jié)果校核

針對設(shè)計樁長與施工樁長差值較大的樁位進行反查。發(fā)現(xiàn)前海交易廣場BIM巖層模型與詳勘報告中鉆探點位標(biāo)高基本一致，排除BIM模型創(chuàng)建時造成的誤差可能。

(4)應(yīng)用結(jié)論

根據(jù)本次設(shè)計、施工樁基長度對比統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計樁長總量大于施工樁長總量。此外，無論入微風(fēng)化或中風(fēng)化巖層的P類、J類樁基，設(shè)計樁長與施工樁長工程量總數(shù)誤差均約為5%。因此，基于BIM技術(shù)的設(shè)計樁長估算應(yīng)用具有工程實際應(yīng)用意義。

造成設(shè)計樁長與施工樁長誤差原因可能為： 1)因前海交易廣場詳勘鉆孔點距離約20m，鉆孔點孔位間距較大，地下巖層起伏較大，未揭露巖層斷層破碎帶，從而造成的誤差； 2)因項目勘察原始鉆孔數(shù)據(jù)錄入錯誤或現(xiàn)場鉆孔巖樣統(tǒng)計錯誤而造成的誤差； 3)因施工打樁記錄錯誤或現(xiàn)場樁基施工造成的誤差。

圖10 P類樁工程量分析圖表

圖11 樁基數(shù)據(jù)校核表

建議： 1)建議在設(shè)計樁長與施工樁長差異較大的樁位附近進行補勘； 2)為保證項目質(zhì)量安全，在樁基檢測環(huán)節(jié)，優(yōu)先選取設(shè)計樁長與施工樁長差異較大的樁號進行檢測。

3 結(jié)語

BIM技術(shù)作為實現(xiàn)項目建設(shè)全生命周期精益化管理的核心技術(shù)[9]。本文將BIM技術(shù)深度應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)基坑工程項目中，利用勘察資料創(chuàng)建數(shù)字化三維地質(zhì)模型，還原項目土層、巖層分布情況，充分展示出地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的多種數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律[10]。基于樁基BIM模型生成可貫穿用于建設(shè)全生命周期管理的樁基編碼體系，并且在施工建設(shè)期間不斷累積工程建設(shè)信息數(shù)據(jù)，最終形成BIM竣工檔案，作為項目數(shù)字化資產(chǎn)的一部分交付業(yè)主及運營方。

充分發(fā)揮BIM技術(shù)三維可視化及參數(shù)化特性，高效、精確統(tǒng)計設(shè)計樁基長度，減少因人為因素造成的數(shù)據(jù)偏差，為項目總體管理及專項作業(yè)施工管理提供決策依據(jù)。同時，依據(jù)項目真實數(shù)據(jù)進行對比分析試驗，通過分析結(jié)果可對數(shù)據(jù)差異較大處進行原因反查，進一步保證項目建設(shè)質(zhì)量安全。

本文中三維地質(zhì)BIM模型是在施工階段所建立的，以滿足樁基工程施工管理所需。然而，如若勘察單位能在工程勘察階段便著手構(gòu)建三維地質(zhì)BIM模型，則能夠提升其勘察工作效率及勘察成果準(zhǔn)確率，更好地為業(yè)主、設(shè)計和施工單位提供科學(xué)的地基基礎(chǔ)設(shè)計和巖土設(shè)計依據(jù)[8]，最大程度提高項目參建各方對巖土工程勘察數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用，從而使得地下工程設(shè)計、施工方案更加科學(xué)，降低工程建設(shè)風(fēng)險，創(chuàng)造最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。