引言

当前，随着城市化进程的加快，城市用地呈现紧张化的趋势，复杂深基坑项目愈发常见。特别是城中改造建设项目，呈现出紧邻周边建筑物、场地狭小施工组织难等特点。传统的施工管理模式已经难以满足复杂条件下地下工程的高效管理要求^{[1, 2]}。

BIM技术在地下工程项目建设中的应用、研究越来越广泛^[3]。例如，张利东等^[4]使用BIM技术进行施工方案和工序模拟，解决基坑环境复杂、支护形式多等施工难题。郑炜明^[5]基于复杂地质基坑工程案例，通过创建地质模型，进行桩基工程设计桩长的参数化统计计算，实现桩基工程高效、精细化管理。饶嘉谊等^[6]对Revit软件二次研发，实现了基于BIM的三维地质模型与桩长校核应用。李飞等^[7]借助BIM技术预演施工场地布置，提前规避可能出现的施工协调问题。王斌等^[8]讨论了在市区狭小场地运用BIM技术策划和科学管理的方法。赵华英等^[9]通过基坑5D监测及地质模拟技术的应用，提高了基坑监测的工作效率。

当前研究对于地质模拟指导桩基施工的应用案例较为鲜见。本文结合案例工程，详述在复杂地质、狭小场地条件下，地下工程施工过程中的BIM技术应用方法，并分析验证其实施效果。

1.   工程概况

北湖核心区南侧地块安置房项目位于山东省济南市，如图 1所示。

图  1  项目效果图

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该工程地质条件复杂，桩基施工难度大、场地狭小，工序作业交叉多、支护边界不规则，紧邻周边建筑、施工工期紧。周边环境复杂且施工组织难度大，亟需总承包方变更管理方式、工作流程，同时依靠BIM可视化、模拟性等优势提高施工效率，将变更、返工风险降到最低，保证工程顺利实施。

2.   BIM实施架构、应用流程

为保障项目BIM技术顺利实施，组建集成BIM实施团队。通过设置协同工作会议室，提升团队沟通协作能力。

收集项目图文资料，制定地下工程BIM技术应用与实施流程，明确各阶段BIM实施输出的成果文件，如图 2所示。

图  2  BIM技术应用流程

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3.   复杂地质地下工程施工BIM应用

3.1   基于BIM的地质模拟指导桩基施工

目前在工业与民用建筑领域，岩土工程勘察报告多数以图表、文字表达为主^[10]，需要将三维地质建模技术与工程实体结合。以下依托Bentley平台^{[11, 12]}，介绍本工程基于BIM地质模拟的灌注桩桩长控制实施过程，并验证其实施效果。

3.1.1   BIM地质模拟实施技术路线

三维地质模型的创建，需要遵循“点→线→面→体”的空间发展延伸理论^{[10, 13-15]}。根据已探明的地质信息点，利用数学插值方法，预测并构建未知区域的地质信息点，从而构建地质曲面、地质体模型，实现施工阶段的地质模拟。地质模拟实施技术路线如图 3所示。

图  3  地质模拟实施技术路线

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依据实施技术路线展开相关工作，首先解决原始数据的存储与提取问题；其次，地质模型的创建需使用曲面拟合及插值算法；再次，项目2#楼筏板呈错台式分布，需综合考虑桩基础模型的准确创建及桩顶标高控制问题；最后，通过桩基模型与地质体模型的耦合，一一确定复杂地质环境下，不同位置的桩长度，在Bentley平台基础上开发插件，实现桩的快速建模。

3.1.2   BIM地质模拟实施

为指导现场灌注桩施工，依据地质勘察报告钻孔点位等原始数据，基于软件二次开发，结合经验贝叶斯克里金法(EBK)，创建地质体模型^[16]。基于插值计算法，耦合桩基与地质体模型，导出桩长数据，指导现场施工^[17]。

(1) 数据收集、存储

根据地质勘察报告，收集并整理勘察钻孔点位数据、地质剖面图、柱状图、勘探点平面图等原始数据，划分原始数据的类别、属性等信息；为解决原始数据的存储与提取问题，基于勘察软件做了数据接口的研究与再开发，形成地勘数据存储平台；将岩土名称、地质成因、土质参数等数据存入数据管理平台，为地质模拟提供数据支持。

(2) 软件二次开发

针对MicroStation参数化功能较弱的问题^{[10, 18]}，研发团队基于Csharp语言进行Bentley平台软件的二次开发，实现地质模型快速参数化创建，软件二次开发界面如图 4所示。

图  4  软件二次开发

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(3)创建土质钻芯模型

研究表明，钻孔数量越多，生成的地质模型越接近实际，模拟提取的桩长数据相应更准确^[6]。本项目在前期地质勘察过程中，场地范围内共布置了46个钻孔点，有足够的点状数据，且勘探资料丰富。团队基于MicroStation软件直接读取土质钻芯取样原始数据，生成土质钻芯模型(如图 5所示)，直观展现钻孔区域地层信息。

图  5  土质钻芯模型创建

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(4) 生成地质曲面

构建地质面模型是地质建模的核心内容之一^[10]，创建地质曲面模型过程中需要科学的空间插值算法作支撑。研究表明，经验贝叶斯克里金插值法使用频率较高，是多数地质研究成果普遍应用的方法^{[10, 13, 14, 19]}。以土质钻芯模型为基础，构建空间矩阵，结合经验贝叶斯克里金法(EBK)，完成土层边界曲面模型的创建。

(5) 创建地质体模型

结合曲面拟合算法，通过土层边界面模型快速分割地质构造体量，以此创建地质体模型，如图 6所示。

图  6  地质体模型创建

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在桩基施工过程中，现场不具备土方开挖条件，导致桩基成孔虚孔段长约9m。因此团队选取“反循环+超长扩大钢护筒”的工艺方式进行桩基工程施工。

为合理控制钢护筒埋设深度，使用分解创建的地质体模型，直观呈现场区范围内杂填土、粉土、粉质粘土等各层地质构造，模拟各土层厚度及分布范围。使用者可以通过任意视角，实时查看不同位置、不同深度土层之间的关系，进而高效指导现场灌注桩施工钢护筒的埋设深度，控制钻进成孔速度，保证桩基一次成孔。

(6) 导出理论计算桩长

由于2#楼筏板呈错台式分布、加上电梯基坑及集水坑等因素，导致桩顶绝对标高数据多(19.05m、17.50m、15.75m、14.50m等)，需分区重点控制。如全部采用手动建模，由于错台处桩顶标高较难判断，则无法保证桩基础模型的准确率。为解决此难题，团队编写插件，读取设计图纸上桩基编号、定位坐标及桩长控制参数信息，实现了桩基础模型批量生成。

结合地质模型与桩基模型，能够实现提取理论桩长数据，赋予设计参考桩长^[6]。本工程设计要求灌注桩入岩深度0.6m，以2#楼1号桩为例，设置约束条件及计算规则，提取桩顶设计标高、入岩深度以及各土层厚度等数据，核算单桩理论长度。基于插值计算法，导出灌注桩理论桩长数据(如图 7所示)，用于指导现场灌注桩施工。

图  7  计算桩长数据

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(7) 可视化交底与现场施工

施工过程中通过“桩基施工原始记录表”，实时记录护筒标高、成孔时间、入岩深度、成孔标高、浇筑完成桩顶标高等信息，通过“地质模拟计算桩长+一桩一表”确保灌注桩施工过程质量可控。

通过收集桩端持力层岩样(中风化辉长岩)，对比实际桩长与理论计算桩长，实现90%以上的理论桩长数据有效指导了现场施工，顺利解决桩基施工质量控制、成孔效率低等难题。确保了作业人员充分掌握场区内地质分布情况，与同等地质条件的项目相比施工效率提高一倍以上。

3.2   基于BIM的场地布置模拟

3.2.1   场地布置优化设计

由于现场场地狭小，场地布置的优化设计显得尤为重要。为最大化利用现场有限的场地面积，利用BIM技术分阶段创建场地模型，进行场地布置模拟优化。通过模型直观展现办公区、材料堆放及加工区、道路的布置方案，保障运输道路畅通、减少材料二次转运^{[8, 20]}。从基坑至装饰阶段，划分5个阶段虚拟推演、动态调整现场场地，指导现场实际场地部署。

在塔吊选型与材料场地布置方面，利用BIM技术模拟塔吊布置方案，如图 8所示，比选不同长度塔臂的覆盖范围。塔吊比选综合考虑利于材料(钢筋、模板、预制构件)吊装、降低对周边环境影响等因素，并尽量靠近修建的交通线路，缩短运输距离。通过模拟分析，60m塔臂布置方案虽能覆盖95%的施工场区范围，但对临近小区及主干道路产生安全隐患，综合考虑选择50m塔臂为最优布置方案。

图  8  塔吊方案比选

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3.2.2   场区交通组织策划

本项目桩基工程、支护工程与土方工程各工序间机械设备交叉作业多，运用BIM技术创建16类1：1机械(措施)模型，为场区交通组织模拟提供数据支持。

(1) 桩基施工阶段组织模拟

在桩基试验阶段，综合考虑机械回转半径及作业面需求，模拟支护桩、预应力管桩、搅拌桩等9项工序场地布置，指导现场各工序合理穿插，确保桩基试验进行的同时，其他工序有序开展。支护工程及桩基工程施工阶段，场区内同步进行支护桩、管桩、搅拌桩、灌注桩等工序作业，基于BIM场布策划辅助作业面协调管理及交通流线组织，确保材料进场路线畅通，节约施工工期6天。

(2) 基于BIM的作战地图应用

项目部成立7个作战小组(支护桩组、帷幕组、管桩组、灌注桩组、土方组、协调组和BIM组)，各小组基于BIM场布进行日常场地管理，通过每日协调会总结各工序施工进度情况，讨论并策划第二天各工序施工计划及作业范围，预演可能存在的作业面交叉点，提前做相应部署措施^[2]。每日协调会和周进度总结例会基于BIM场布组织协调，保障各工序施工顺利进行。

3.3   基于BIM的施工组织模拟

3.3.1   支护工程工艺流程模拟

支护工程共设计了8种支护剖面组合形式，组合剖面依不同的周边环境条件分段交叉设置，给施工带来较大的难度。基坑支护共分为以下8个支护单元，如表 1所示。

表  1  支护剖面明细表

支护单元	剖面	施工段	支护方案	支护长度	安全等级
一	1-1	JK、AB	放坡喷护+桩锚支护	75m	二
二	2-2	BC、DE、KL、MN	支护桩+内支撑	191m	一
三	3-3	CD、EF、HI、LM	喷护+双排桩+锚索	128m	一
四	4-4	FG	土钉墙支护	50m	二
五	5-5	GH、IJ	放坡喷护+桩锚支护	24m	二
六	6-6	NA	双排桩+锚索	30m	一
七	7-7	基坑内	土钉墙+放坡喷护	46m	三
八	8-8	基坑内	放坡喷护	56m	三

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为提升各工序技术交底效果，基于BIM技术制作并模拟支护桩、搅拌桩(止水帷幕)、灌注桩、预应力管桩、预应力锚索等10项工序模拟动画。通过各施工工艺关键管控节点分解图，直观交底各作业班组，确保现场施工质量。

3.3.2   基于BIM的施工组织策划

由于项目地下工程支护形式繁杂，导致支护工程与土方工程在平面上及空间上交叉作业多。为进一步确保地下各分项工程施工的有序推进，采用BIM技术模拟各分项工程工序间的穿插关系，对施工方案进行预演验证，BIM施工组织策划如图 9所示。

图  9  BIM施工组织策划

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图 9：①表示支护桩与止水帷幕平面交叉作业关系；②表示分区进行的土方开挖与支护工程的平面交叉作业关系；③表示支护工程冠梁、锚索、内支撑与土方分层分步开挖间的垂直交叉作业关系；④表示为保证基坑安全，所设置的各类位移、沉降、内力、变形观测点。综上，基于BIM场地布置模型能够客观反映现场施工实际情况，使场地协调更加直观且增强问题的预见性，对施工组织起到了高效的指导作用^[2]。同时基于BIM的可视化、模拟性特点，可以整合各专业分包施工方案计划，最终形成各方认可的施工策划，以此保证施工方案切实可行。

3.4   基坑数字化监测应用探索

项目周边建造环境比较复杂，南侧紧邻城市快速路，支护工程边界距离已有的商业综合体仅5m。《建筑基坑工程监测技术标准》(GB50497)强制性条文规定：基坑设计安全等级为一、二级的基坑，开挖深度大于或等于5m或开挖深度小于5m但现场地质情况和周围环境较复杂的基坑，应实施基坑工程监测。因此，工程施工过程中基坑围护结构和周边环境的监测显得十分重要^[9]。

目前基坑监测数据均以文字描述、数据表格表达位移、沉降等变形趋势，缺少必要的曲线、图表辅助，导致技术人员不能准确把握基坑整体变形情况及时间变形趋势。且按照规范要求，一级基坑正常监测频次最高为1~2次/d，人工监测无法满足基坑变形数据实时监控传输要求。

鉴于以上现状，为加强基坑安全管理工作，除按规范要求正常进行人工监测外，项目配置二维面阵激光位移计、自动化无线水位计等智能硬件监测设备，监测数据实时上传并联动管理平台，辅助基坑监测管理。通过平台设置监测频次，可随时查看观测井水位、基坑位移及沉降数值变化趋势，对不同等级的观测点设置不同的监测控制值、预警值，实现基坑监测数据的高效管理。例如，当观测井水位达到预警值后，在平台网页端可看到报警信息，同时可自动将警告信息推送至相关责任人，实现24h在线化监测。

4.   实施效果

4.1   经济效益

BIM技术指导项目地下工程精细化管理，提升了各分项工程施工效率，缩短施工工期9天，节约投资36万元；相较于传统交底，基于BIM技术的工序模拟，使交底效果得到显著提升，分项工程质量一次验收合格率达95%以上；BIM作战地图辅助现场作业面调度，问题沟通协调效率提升80%。

4.2   管理效益

基于BIM地质模拟的灌注桩桩长控制顺利实施，有效指导桩基工程施工及其入岩深度控制，保障复杂地质条件下桩身成桩质量；运用BIM技术优化场地布置、模拟场区交通组织，确保分项工程施工顺利组织，解决了狭小场区内多类大型机械无法高效运转的难题；各分项工程进度明显加快，在有效使用期限前完成相关工作。

4.3   BIM模拟的应用优势

(1) 提高地勘报告在施工阶段的数据使用率及应用价值。复杂地质成果可分层直观呈现，提升沟通及施工效率；

(2) 相比传统桩长估算方法，大幅提高桩长数据准确率。先模拟再施工，零成本试错，减少窝工、返工和变更；

(3) 基于既有软件的二次开发，提高模型数据的流通使用率，将是以后BIM技术发展应用的趋势。

4.4   基坑数字化监测效果分析

4.4.1   监测方法的应用优势

(1) 监测过程更加高效。全过程由智能硬件设备自动采集基坑监测数据信息，不需人为干预；

(2) 监测成果直观展现。基坑监测数据基于管理平台自动统计并生成共享图表文件，直观用于基坑安全评估。

4.4.2   监测方法的局限性

该方法也有一定的局限性，主要表现在以下两点：

(1) 监测数据精度易受环境影响。硬件设备本身可实现毫米级数据测量，但由于外力的干扰，如施工现场震动、物体坠落打击等因素影响，数据精度会存在一定影响；

(2) 尚未实现业务替代。基坑数字化监测虽有明显的优越性，但其尚未代替既有基坑监测工作方法，目前还是采取两者共同作业，形成互补优势。

5.   结论

针对具有复杂地质条件的民用建筑工程，文章探讨了BIM地质模拟在桩基工程施工过程中发挥的作用及应用实践情况。结合本工程案例，充分验证了基于BIM的地质模拟、场布及施工组织模拟在建筑地下工程施工过程中的显著优势和应用价值。此外，BIM技术结合插值算法、可视化仿真在复杂地质工程模拟中的深度应用，更深层次发挥了BIM技术可视化、模拟性等优势，为同类工程项目在施工组织管理、技术创新及业务融合等方面创新应用提供了宝贵的借鉴经验。