应用BIM技术辅助判定工程桩入岩深度

洪恩钦 王 碗 李兴鲁 宋 强

中国建筑第八工程局有限公司总承包公司 上海 201204

传统判定桩基入岩的方法，是现场工作人员仅根据以往经验，通过观察岩样的颜色、形状、纹理等物理特征来判断桩基入岩情况，该流程存在一定程度的主观性和片面性。入岩判断时现场工作人员还会根据机器的相似性特征进行类比判断，即通过钻机的钻进速度判定入岩情况，但是考虑到即便是同一型号的钻机，由于投入使用的时长不同、作业环境的不同和操作人员的习惯各异等因素，也会导致在同一岩层条件下钻进速度的差别。因此，依据此方式判定工程桩的入岩情况，也会产生无法具体量化的差异。以上2种判定桩基入岩的方法均会产生较大误差，造成桩基承载力未达到设计要求，桩基返工导致资源浪费和工期滞后[1]。为此，必须找到一种可以更加准确地判定桩基入岩深度的方法。

目前我国正处于构建BIM数据信息集成和数字表达领域建设项目中的应用阶段，BIM技术的应用越来越广泛[2]，基于此，探索BIM技术在工程桩施工时的应用。

利用BIM技术的模型综合性、三维可视化、信息关联性、可出图性等优势，通过整合地层曲面模型、桩基模型，直观显示每根桩入持力层标高，导出CAD二维图纸和明细表，在桩基施工阶段辅助判岩，指导现场施工，为现场判岩提供了依据，极大地提高了现场判岩的效率，保证了工程桩的施工质量[3-5]。

1.1 工程概况

宁波国际会议中心项目位于宁波市东钱湖旅游度假区，项目北至奕大山，南至东坑山，东邻东钱湖沿湖堤坝（奉钱线），南北方向最长距离为1 300 m，东西方向最长距离为920 m。项目建成后将承接国际级的政务活动，重要国内、国际学术会议，高端商务会议，同时兼具文化、旅游等功能。

本项目持力岩层为中风化岩层，如图1所示，岩层起伏较大，南北两端靠山，中风化岩层埋深较浅，约15 m，中部靠近河道，岩层较深，逾80 m。在地勘阶段，因项目工期紧张，未采用一柱一勘的方法，仅依靠地勘报告无法精准地判定每根桩的入岩标高，这给判岩带来极大困难。

本工程全部采用端承桩，工程桩共3 668根，桩基工期为108 d，桩基工程量大、工期紧，若利用传统方法捞取岩样，通过颜色、材质判定是否为中风化岩层，那么需要大量专业地勘人员驻场服务，才能满足现场对判岩的需求。

1.2 重难点分析

1）本项目地质环境复杂，南北临山，东侧环湖，西侧邻近很多其他公司的施工现场。现场地勘报告显示，持力层岩面的最高处和最低处相差达65 m，因此项目不仅在占地范围上横向跨度较大，而且纵向起伏也十分明显，这无疑很大程度上增加了现场工作人员准确判岩的难度。

2）本项目详勘勘探点一共392个，勘探点之间的间距约27 m，远远大于9 m的柱间距，这会造成大部分结构柱下的桩基与勘探点距离较远，若依据临近勘探点数据去判断周边桩基入岩标高，势必会有极大的误差存在。

3）桩基采用泥浆护壁钻孔灌注桩（端承桩），设计要求桩底入中风化岩层不小于1 m，中风化岩层埋深不同从而造成每根桩的深度有差异，为确定工程桩桩底标高，应先明确中风化岩层标高，岩层标高是控制桩底标高的关键。

4）项目位于泄洪区内，有3条河流经过桩基区域，因此部分桩基施工区域处在河道内及其附近位置，施工时恰好是梅雨季和台风季，在雨水和台风的影响下，即使是陆地上的桩基施工都困难重重，更不要说是水上进行的工程桩作业了，倘若能提前确定桩底标高，然后再开始施工，将大大减少水上作业的时间，提高打桩效率。

工程桩嵌入中风化岩层的深度判定，核心在于2点：一是根据已有的地勘报告及相关工程地质资料，只能确定勘探点处的中风化岩层的深度及标高，而勘探点的位置并不是工程桩的位置，且工程桩的数量远大于勘探点的数量，因此已有的地勘报告勘探点处中风化岩层高程数据，无法满足现场工程桩判岩需要。为解决此难题，利用BIM技术基于点状的中风化岩层高程数据，两点成线、三点成面，最终生成完整的中风化岩层面。二是工程桩模型如何与中风化岩层面保持水平位置关系及高程的一致性，为此中风化岩层模型需与工程桩模型共用轴网和标高体系，从而保证岩层模型与工程桩三维模型相对位置关系及标高的一致性。

通过整合中风化岩层模型与工程桩模型，可得到每根桩与中风化岩层面的交点，结合设计要求的工程桩入岩深度（本项目要求入岩深度为1 m），从而确定每根工程桩桩底需要达到的高程，将判定工程桩嵌入岩深度的复杂问题转化为工程桩成孔深度控制的简单测量问题，辅助现场桩基施工，确保桩基施工的质量。

本项目基于地勘报告中包含中风化岩层等值线的CAD图纸，经处理后导入BIM软件生成三维岩层模型，同时基于建筑桩基图纸建立工程桩三维模型，在BIM软件中整合岩层模型和三维桩基模型信息，进行桩底标高标注，导出二维CAD图纸及包含桩编号、桩的工程量、桩底高程的明细表，指导现场工程桩施工。

基于BIM技术的应用，可实现以下目标：

1）通过BIM的模型综合性、可出图性，建立岩层曲面模型和工程桩模型，考虑设计要求工程桩需入岩层1 m，将岩层曲面与每根工程桩的交点降低1 m，所得到的点的高程即为工程桩桩底需要达到的最低标高，通过BIM软件可快速自动标注目标高程，并导出二维CAD图纸，施工现场可根据桩底高程和原始地坪高程之差确定成孔深度，根据成孔深度来判定工程桩入岩深度是否满足设计要求，辅助现场判岩，实现桩基工程入岩判定的精细化管理，保证桩基施工质量。

2）通过每根桩的桩底高程数据和原始地坪高程，预判工程桩成孔深度，根据成孔深度结合工期要求，选择合适的工艺，从而提高桩基施工效率，缩短桩基施工时间。

3）通过BIM模型的三维可视化性，直观展示工程桩入岩深度，可用于桩基施工阶段对施工作业人员的方案交底，采用BIM三维模型向交底人员详细介绍如何通过桩机成孔深度判断工程桩入岩深度的原理，简单、直观，可提高交底效率，减少错误的发生，避免返工。

4）通过BIM模型可快速导出不同桩型的工程桩数量，计算得到桩基工程所需要的钢筋和混凝土的工程量，为现场钢筋备料、混凝土发料提供参考，也可为后期桩基结算提供准确的工程量数据。

3.1 CAD图纸处理

处理地勘提供的CAD图纸，去掉多余图层只保留等值线图层以及定位轴线。由于等值线文件不包含高程数据，需要将地勘持力层等值线CAD图导入软件中，生成带有高程信息的CAD格式文件。

3.2 建立模型

将带有高程信息的CAD文件导入BIM软件中，生成三维岩层曲面模型，同时根据桩基图纸，建立工程桩三维模型，如图2、图3所示。

图2 岩层曲面模型

图3 工程桩模型

3.3 模型整合

将三维岩层曲面模型与工程桩模型整合，根据图纸轴线定位，确保相对位置关系准确无误，如图4所示。

图4 组合模型

3.4 标注桩底标高

基于整合模型，点击桩基与中风化岩层交界处，自动生成入岩1 m桩底标高的标注。

3.5 导出图纸、明细表

导出二维CAD图纸及包含桩编号、桩的工程量、桩底高程的明细表。

3.6 数据分析

对实际桩底标高与BIM桩底标高进行对比分析，数据精度与误差（此处以现场专业地勘人员判定的桩底标高为基准值）分析结果如下：

1）对比实际桩底标高和BIM出具的桩底标高数据，整体存在一定偏差，包含正向偏差和反向偏差，除个别桩的偏差是10%，其余偏差均在5%范围内，由此可见，实际桩底标高与BIM出具的桩底标高在误差范围内基本一致。

2）实际桩底标高偏差与人工测量结果存在小范围偏差，经分析存在以下2个原因。

① 中风化岩层面模型是根据地勘报告中勘探孔处中风化岩层高程数据，两点成线、三点成面，最终生成完整的岩层模型，因此勘探孔数据的密集程度及准确性将直接决定生成的中风化岩层面的精准度，本项目勘探点间距约27 m，最大工程桩间距为9 m，勘探点间距是工程桩间距的3倍，以大间距的勘探点处岩层高程数据来推算小间距的工程桩处中风化岩层高程，可能会因数据密集程度不够而造成偏差。

② 个别勘探点处的高程数据可能存在失真的情况。

3）针对以上数据存在的偏差，在以后的应用中可通过增加勘探点的数量、减少勘探点的间距，提高中风化岩层高程数据的密集程度。此外，对于个别可能存在失真的高程数据，通过BIM软件，结合其他高程数据对其进行适当纠正，尽可能确保勘探点处高程数据的准确性，从而获得更准确的岩层模型，这一点可作为未来的研究方向。

1）传统的判岩需要专业的地勘经验，并结合钻杆钻进速度及晃动程度等现场施工经验才能准确判岩，对专业技能要求高且耗时较长。利用BIM技术将工程桩三维模型与中风化岩层曲面模型基于同一标高和轴网整合在一起，得到工程桩与岩层曲面交点的高程数据，下降1 m，即可获取桩入岩1 m的高程，将工程桩入岩判断的复杂问题转化为工程桩桩底标高控制的测量问题，更加简单、快捷。

2）BIM三维模型可以直观地表达岩层与工程桩的位置与标高关系，方便现场方案交底。同时，对于桩基施工中可能遇到的相关问题，可通过模型查明问题原因，提出解决方案。

3）BIM软件可一键导出CAD图纸，明确每根桩达到设计要求所需的桩底高程，减少人工标注可能带来的误差，实现现场桩基施工的精准化管理，有利于现场的质量控制，保证施工质量及结构安全。

4）通过该方法不仅提高了工程桩入岩深度判定精度，且在施工前获取高精度桩深数据，对桩基施工前期准备和现场施工具有重要的指导意义。