鄭國棟

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著BIM( Building Information Modeling)技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越成熟、越來越廣泛[1]，基于BIM應(yīng)用條件下的工程勘察三維可視化建模技術(shù)日趨完善[2-4]，福建建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司研發(fā)的基于BIM條件下巖土工程勘察信息模型系統(tǒng)(以下簡稱GIM系統(tǒng))，致力于解決三維可視化勘察信息模型與各相關(guān)專業(yè)的協(xié)同工作問題。

隨著國家經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展，工程建設(shè)規(guī)模越來越大，土地集約化和地下空間的有效利用，基礎(chǔ)工程造價(jià)在整個(gè)工程造價(jià)的占比越來越高，基礎(chǔ)工程對整個(gè)工程的影響也越來越大。目前，有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析軟件(如盈建科、PKPM等)已能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各種不同工況條件下的分析計(jì)算要求和設(shè)計(jì)要求。但分析軟件需要工程設(shè)計(jì)師事先將計(jì)算、設(shè)計(jì)所需的巖土工程勘察信息(地層的分布情況、巖土參數(shù)等)輸入軟件中。在面對復(fù)雜巖土工程條件時(shí)，結(jié)構(gòu)工程師難以根據(jù)二維的工程地質(zhì)剖面圖和二維的巖土參數(shù)表去想象和構(gòu)建建設(shè)場地的三維巖土層空間分布形態(tài)和巖土參數(shù)分布狀況。因此，往往無法對基礎(chǔ)工程做到精細(xì)化設(shè)計(jì)，且由于與巖土工程師缺乏有效的溝通，則易導(dǎo)致理解上的偏差，進(jìn)而導(dǎo)致基礎(chǔ)施工過程出現(xiàn)因設(shè)計(jì)變更而增加工程造價(jià)的情況[5-6]。

基于此，本文依托具體的工程實(shí)例，分析GIM系統(tǒng)在樁基輔助設(shè)計(jì)上的可行性。研究成果表明，利用GIM系統(tǒng)可以有效解決樁基設(shè)計(jì)方案的比選和設(shè)計(jì)優(yōu)化，尤其對于地質(zhì)條件復(fù)雜的情況，設(shè)計(jì)人員可以通過GIM系統(tǒng)有針對性地對基礎(chǔ)持力層、樁型、施工設(shè)備和工藝等進(jìn)行選擇，對樁長、樁徑、配筋等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)勘察、設(shè)計(jì)、施工在樁基領(lǐng)域基于BIM的協(xié)同作業(yè)。

1 GIM系統(tǒng)

現(xiàn)有勘察成果的表達(dá)方式，主要采用大量繁瑣的剖面圖、柱狀圖、數(shù)據(jù)表格等二維加文字報(bào)告的形式，而這種表達(dá)方式難于與其他專業(yè)溝通，且往往存在勘察信息孤島情況。

GIM系統(tǒng)主要以層級(jí)數(shù)據(jù)庫為核心，以三維可視化工程勘察信息模型為平臺(tái)，表達(dá)方式更為直觀，可以完整地展示地質(zhì)情況，并可以選擇任一層地層查看，任意剖切標(biāo)注，同時(shí)將多專業(yè)模型進(jìn)行整合到同一平臺(tái)，達(dá)到協(xié)同作業(yè)目的。

2 基于GIM系統(tǒng)的樁基協(xié)同流程和步驟

2.1 基于工程勘察信息模型樁基協(xié)同工作流程

利用GIM系統(tǒng)，按照絕對坐標(biāo)系建立巖土工程勘察信息模型，將上部建筑的柱、剪力墻位置轉(zhuǎn)化為絕對坐標(biāo)導(dǎo)入模型中，通過樁基與模型中各地層界面的交切處理，計(jì)算出樁基所穿越的地層深度(厚度)，并根據(jù)巖土參數(shù)和建議的樁基持力層計(jì)算單樁承載力，根據(jù)剪力墻和柱下荷載的分布情況，估算樁基的數(shù)量。不同的樁基類型和選擇不同持力層會(huì)產(chǎn)生不同樁基方案，通過類似工程經(jīng)驗(yàn)和工程造價(jià)等因素對比分析，可獲得最優(yōu)的樁基方案。

GIM系統(tǒng)將樁基模型導(dǎo)入巖土工程勘察信息模型中，在三維模型中擬合成樁過程，分析成樁過程可能出現(xiàn)的異常情況，提前制定預(yù)防措施。

2.2 基于工程勘察信息模型樁基協(xié)同的流程和步驟

基于工程勘察信息模型樁基協(xié)同的流程如圖1所示，主要分為以下6個(gè)步驟：

①地層三維數(shù)據(jù)和巖土參數(shù)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入；

②構(gòu)建工程勘察信息模型；

③導(dǎo)入柱位和剪力墻位置和荷載；

④模型擬合樁基方案；

⑤樁基方案的對比與優(yōu)化；

⑥GIM系統(tǒng)模型的交付。

圖1 基于工程勘察信息模型GIM樁基協(xié)同流程圖

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某工程位于福州高新區(qū)，擬建項(xiàng)目包括12棟22～32F高層住宅樓和其配套設(shè)施，整個(gè)場地設(shè)有1～2F地下室，工程實(shí)際用地面積約68 711.72m2(約103畝)。根據(jù)勘察揭示的巖土層，按其巖土工程性狀劃分為16層，自上而下分別為①雜填土、②粉質(zhì)粘土、③中砂、④粉質(zhì)粘土、⑤淤泥質(zhì)土、⑥粉質(zhì)粘土、⑦碎卵石、⑧粉質(zhì)粘土、⑨全風(fēng)化花崗巖、⑨-1全風(fēng)化花崗斑巖、⑩砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑩-1砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗斑巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、-1碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗斑巖、中等風(fēng)化花崗巖和-1中等風(fēng)化花崗斑巖。

其中，⑦碎卵石在場地內(nèi)分布較廣，穩(wěn)定性較好，力學(xué)性能較好，可作為樁基礎(chǔ)持力層，但因局部區(qū)域厚度較薄或缺失，故，在樁基設(shè)計(jì)時(shí)，樁端持力層選用其下強(qiáng)風(fēng)化巖層?；A(chǔ)類型擬采用預(yù)應(yīng)力管樁，樁徑600mm。

3.2 創(chuàng)建工程勘察信息模型

根據(jù)擬建設(shè)場地地表模型(地形矢量圖)、勘探點(diǎn)(圖2)的地層三維數(shù)據(jù)信息，利用三維可視化建模軟件創(chuàng)建三維地質(zhì)模型(圖3)。同時(shí)，將不同地層巖土物理、力學(xué)參數(shù)錄入到GIM系統(tǒng)層級(jí)數(shù)據(jù)庫(圖4)，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)時(shí)可以在模型中任意提取所需位置的巖土參數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和分析。

圖2 某項(xiàng)目工程勘察GIM系統(tǒng)勘探點(diǎn)模型

圖3 某項(xiàng)目工程勘察GIM系統(tǒng)地質(zhì)模型

圖4 GIM系統(tǒng)地層數(shù)據(jù)輸入模塊

3.3 導(dǎo)入柱和剪力墻的位置和荷載

GIM系統(tǒng)進(jìn)行樁基協(xié)同作業(yè)、輔助樁基方案設(shè)計(jì)，需要在工程勘察信息模型中創(chuàng)建柱和剪力墻模型，即將上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的柱和剪力墻位置、荷載分布信息通過CAD文件(圖5)按照絕對坐標(biāo)直接導(dǎo)入到GIM系統(tǒng)，在工程勘察信息模型中創(chuàng)建實(shí)體模型(圖6)。

圖5 某項(xiàng)目4#樓柱和剪力墻的位置和荷載CAD布置圖

圖6 某項(xiàng)目4#樓柱、剪力墻和承臺(tái)導(dǎo)入GIM系統(tǒng)模型

3.4 基于GIM系統(tǒng)的樁基設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員根據(jù)導(dǎo)入的柱位和剪力墻位置以及設(shè)計(jì)的荷載分布情況，在三維可視化模型中選擇持力層和樁基類型，GIM系統(tǒng)通過樁基和地層界面的交切處理，獲得每根樁穿越的地層和各地層的厚度，通過數(shù)據(jù)庫選擇所需的巖土參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算單樁承載力，自動(dòng)匹配樁的數(shù)量(圖7)，在模型中展示成樁情況(圖8)，實(shí)現(xiàn)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)樁基布置方案。

圖7 GIM系統(tǒng)單樁承載力計(jì)算

圖8 在工程勘察信息模型中創(chuàng)建GIM系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)的樁基方案模型

相較于傳統(tǒng)的樁基方案設(shè)計(jì)，利用GIM系統(tǒng)輔助樁基設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)每根樁都按照其地層分布情況、樁端持力層，確定樁長和單樁承載力，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計(jì)樁基方案。此外，通過每根樁與地層界面的交切處理(圖9)，可以預(yù)測沉樁過程可能出現(xiàn)的異常情況。

圖9 樁基與地層界面的交切處理

3.5 方案對比與優(yōu)化

大型工程常常會(huì)根據(jù)建設(shè)場地的巖土工程條件，考慮多種的基礎(chǔ)工程方案，設(shè)計(jì)人員一般需要經(jīng)過多輪、反復(fù)測算和比較，才能得到經(jīng)濟(jì)性較好的結(jié)果。通過GIM系統(tǒng)進(jìn)行樁基輔助設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員可以更加快捷和直觀地進(jìn)行不同樁基方案比選，可以獲取更為詳細(xì)的工程勘察數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

通過GIM系統(tǒng)樁基分析模塊，對樁基方案進(jìn)行對比和優(yōu)化，主要在以下幾個(gè)方面：

(1)地質(zhì)情況存在復(fù)雜和隱蔽性，在樁基設(shè)計(jì)過程中，存在樁基持力層厚度不均或缺失的情況，GIM系統(tǒng)能快速捕捉到存在持力層缺失的樁基位置，及時(shí)對樁基方案進(jìn)行調(diào)整。

圖10 持力層缺失樁基計(jì)算結(jié)果

圖10為高新區(qū)某項(xiàng)目4#樓在樁基分析模塊計(jì)算結(jié)果。當(dāng)承載力分析數(shù)值為空白時(shí)(F010～F012樁)，表示該樁位當(dāng)前選擇的持力層存在缺失情況，設(shè)計(jì)人員可針對該部分區(qū)域重新選擇持力層，根據(jù)輸入的單樁設(shè)計(jì)值，自動(dòng)匹配樁長，如圖11所示。

圖11 持力層缺失樁位自動(dòng)擬合結(jié)果

(2)在GIM系統(tǒng)中的樁基分析模塊，通過計(jì)算不同的持力層、不同樁基類型的每根樁承載力，再根據(jù)上部建筑荷載計(jì)算樁的數(shù)量，分析不同工況下樁的數(shù)量和長度，從而優(yōu)化樁的方案。

圖12為高新區(qū)某項(xiàng)目的4#樓承臺(tái)GIM系統(tǒng)樁基分析數(shù)據(jù)。根據(jù)目前市面上沖鉆孔灌注樁的每米造價(jià)是預(yù)應(yīng)力管樁的3倍以上，分析結(jié)果得出：該項(xiàng)目采用預(yù)應(yīng)力管樁，并以碎卵石成為樁端持力層的樁基方案最為合理、經(jīng)濟(jì)。簡言之，GIM系統(tǒng)為設(shè)計(jì)人員的樁基設(shè)計(jì)優(yōu)化比選提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖12 高新區(qū)某項(xiàng)目的4#樓某承臺(tái)樁基分析數(shù)據(jù)

(3)傳統(tǒng)樁基方案設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)人員選擇具有代表性的地質(zhì)剖面，計(jì)算出單樁承載力特征值乘以安全系數(shù)，作為該項(xiàng)目的單樁承載力設(shè)計(jì)值。然而，實(shí)際情況是，每根樁承載力都略高于設(shè)計(jì)值，在群樁的累加效果下，存在一定的浪費(fèi)。而若以承臺(tái)為單位，將每根樁基具體承載力值考慮在內(nèi)，則可在質(zhì)量、安全前提下對樁基數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，使樁基方案更加經(jīng)濟(jì)，避免不必要的浪費(fèi)。圖13為高新區(qū)某項(xiàng)目4#樓樁基分析數(shù)據(jù)部分資料，根據(jù)GIM系統(tǒng)的樁基模擬數(shù)據(jù)分析，該項(xiàng)目4#樓的樁基數(shù)量可優(yōu)化10%～20%。

圖13 某項(xiàng)目的4#樓樁基分析數(shù)據(jù)表(部分)

4 GIM應(yīng)用過程中存在的問題

GIM系統(tǒng)在樁基方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中,發(fā)揮了直觀、量化比較分析的作用，但在實(shí)際應(yīng)用過程中尚存在以下幾個(gè)問題：

(1)空間的局限性。地質(zhì)、地層信息具有隱蔽性特點(diǎn)，目前無法獲取全部地層數(shù)據(jù)，三維地質(zhì)模型是由鉆孔揭示的地層數(shù)據(jù)進(jìn)行三維推演的結(jié)果，與實(shí)踐地質(zhì)情況并不完全一致。GIM系統(tǒng)創(chuàng)建的三維可視化信息模型，主要是為上下游專業(yè)提供較為合理的三維展示，起到一定的指導(dǎo)作用，但最終還需要與施工現(xiàn)場相結(jié)合。

(2)信息化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步伐加快。各專業(yè)應(yīng)用軟件的無損對接應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)。GIM系統(tǒng)在巖土工程領(lǐng)域中的應(yīng)用尚處于探索階段，巖土工程及結(jié)構(gòu)工程常用的專業(yè)軟件種類繁多，而打通各專業(yè)之間的信息壁壘、提高專業(yè)之間的協(xié)同工作效率，關(guān)鍵在于各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)交換和無損傳遞，但目前突破各軟件之間的壁壘還存在一定的困難。GIM系統(tǒng)研發(fā)初期秉持著數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，采取IFC數(shù)據(jù)格式，以期待將來平臺(tái)上各專業(yè)軟件融合。

5 結(jié)語

工程勘察作為BIM全生命期的一部分，其地質(zhì)實(shí)體模型與樁基的三維可視化展示與分析，貫穿勘察、設(shè)計(jì)、施工的全過程。

(1)本文結(jié)合具體工程實(shí)例，驗(yàn)證了通過GIM系統(tǒng)進(jìn)行樁基協(xié)同輔助設(shè)計(jì)的可行性。利用GIM系統(tǒng)可以使設(shè)計(jì)人員更直觀了解地層分布情況，進(jìn)而開展更精細(xì)化的樁基設(shè)計(jì)。在質(zhì)量、安全前提下，精細(xì)、量化的比選和方案的優(yōu)化，可以達(dá)到十分可觀的經(jīng)濟(jì)效果。

(2)利用GIM模型，可以方便不同專業(yè)之間溝通，有效提高工作效率，有利于勘察人員和設(shè)計(jì)人員避免因空間想象差異而造成溝通困難，尤其在面對復(fù)雜的地質(zhì)條件時(shí)，三維可視化模型顯得尤為重要。

(3)利用GIM系統(tǒng)，可以進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)方案的比選，從不同的方案中選擇最為經(jīng)濟(jì)、可行的方案。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員亦可根據(jù)GIM系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。