BIM＋測量機器人在抗浮錨桿施工中的應用

沈 鍇 劉 鑫

中建三局第三建設工程有限責任公司 湖北 武漢 430074

隨著城市的發展，土地資源日益稀缺，地下建筑設計層數越來越多，地基抗浮設計的優劣往往成為整個基礎甚至整個項目安全性和經濟性的決定因素[1]。其中，抗浮錨桿施工是目前設計中最常用、性價比最高的措施。但是抗浮錨桿施工過程中存在諸多弊端，需要進行優化。以某醫院建筑地下室抗浮錨桿工程為例，利用BIM技術三維可視化優勢，對項目錨桿施工進行優化設計，提高錨桿施工質量，并與測量機器人聯動放樣，可縮短30%施工工期。

1 工程概況

某醫院建筑工程為現澆鋼混框架-剪力墻結構，總建筑面積20 萬m2，地上建筑面積11.4 萬m2，地下面積 8.6 萬m2，包括康復樓、病房樓、門診醫技大樓、體檢中心等7棟單體建筑及2層地下室。地下室層高最高為5.7 m，基礎形式為500 mm厚筏板＋下柱墩，柱墩697個、電梯井30個、集水井80個、抗浮錨桿共3 294根。本工程抗浮錨桿設計要求入持力層（中風化巖層）深度不小于4 m。

2 傳統抗浮錨桿施工的不足

傳統的抗浮錨桿施工過程中，經常會出現以下弊端：錨桿施工過程中點位與電梯井、集水井等邊坡沖突，柱墩內部錨桿施工困難、成形質量差；錨桿施工中未對錨桿進行分區編號[2]，施工過程混亂，存在放線定位或鉆機成孔時個別錨桿遺漏問題，形成安全隱患；局部筏板設計底標高未達到抗浮錨桿錨固段土質要求（一般為中風化巖層），導致地下錨固段長度不符合設計要求；錨桿施工中測量定位精度低，導致整體抗浮能力下降；抗浮錨桿點位體量大，外業放樣工期長。

3 BIM技術對傳統抗浮錨桿施工的改進

為解決傳統抗浮錨桿施工中遇到的問題及造成的質量缺陷，該工程在收到設計圖紙后，利用BIM技術對其進行施工模擬，將傳統的抗浮錨桿施工弊端在模擬施工中消除。利用BIM可視化對抗浮錨桿點位進行優化，以“策劃先行、BIM為輔”為主要手段，真正做到虛擬施工、查漏補缺，實現零返工、短工期、高質量。

1）電梯井、集水井邊坡及柱墩內部錨桿點位優化。本項目地下室底板電梯井、集水井數量多，基坑深度0.9～ 2.0 m，在土方開挖過程中均按照60°放坡處理。原設計錨桿點位已經對電梯井、集水井等點位進行優化，避開深基坑位置，由于設計階段未考慮實際施工過程中的放坡距離，在BIM技術三維碰撞檢查中，發現抗浮錨桿有25個點位處于坑中坑邊坡處（圖1）；工程基礎模式為筏板＋下柱墩形式（柱墩最大邊長5.5 m），通過BIM技術可視化可以直觀發現位于柱墩內的抗浮錨桿，共計30個點位，由于鉆孔機在作業時無法深入內部進行打孔施工（打孔機最遠打孔距離為2 m），導致打孔機成孔作業難。本項目施工順序為先施工墊層后施工錨桿，以上2種情況如果直接施工會導致錨桿施工困難、成形質量差，嚴重破壞墊層質量。無論是邊坡上還是柱墩內部抗浮錨桿，根據設計要求，錨固端須深入持力層（中風化巖層）4 m以上，錨桿上部錨固筏板鋼筋需加長，導致工程材料浪費（圖2）。針對發現的問題，立刻對此處錨桿點位進行優化，以不減少原錨桿設計數量為基本原則，盡可能避開與邊坡碰撞部位，將錨桿移出邊坡位置，并對邊坡周圍3排×3排錨桿進行等間距重新排布，以保證每根抗浮錨桿受力均勻。抗浮錨桿原間距3 m×3 m，經過優化后邊坡周邊錨桿間距實際為2.6 m× 2.6 m（圖3）。

圖1 錨桿與集水井邊坡碰撞

圖2 錨桿錨固鋼筋加長

圖3 局部優化前后方案展示

2）抗浮錨桿分區編號（圖4）。在抗浮錨桿建模過程中，本工程根據后澆帶劃分對地下室進行分區，分為A區～Y區，共25個區。在BIM模型創建中實行分區建模、統一命名編號，統計每個區錨桿數量，為后面導出圖紙及施工做準備，并以此為依據編制各區錨桿施工進度計劃，合理規劃施工部署，避免錨桿施工過程中因未對錨桿進行分區編號，造成施工混亂，以及放線定位或鉆機成孔過程導致個別錨桿遺漏等傳統錨桿施工問題。

圖4 錨桿分區編號

3）BIM技術信息化解決錨桿地下錨固段不足。根據地勘報告，本工程PQ區筏板底標高未達到抗浮錨桿錨固土質要求，距中風化巖層仍需開挖500～800 mm深度，而設計文件未明確PQ區錨桿長度，統一設計為：錨桿長度入持力層（第四層中風化巖）不小于4 m。在BIM建模階段，根據地勘報告PQ區實際地質情況中筏板底土質巖層到中風化巖層實際深度，創建錨桿實際長度（4 500～4 800 mm）模型。利用BIM技術信息化，在Revit軟件中可以直接生成錨桿明細表，根據錨桿長度進行分類篩選，即可統計出在此區域的錨桿數量以及錨桿自身編號等具體信息。經過統計，共發現105根長度大于4 m的抗浮錨桿，導出明細表，記錄錨桿編號，避免后期施工造成錨桿錨固段長度不足。通過Revit軟件查詢功能（按ID選擇），在三維圖中可自動準確定位到柱墩內部錨桿，進行二次檢查。

錨桿設計圖經過BIM技術優化后，將優化后的方案（錨桿優化原因、錨桿位置、數量）整理匯總，提交給設計單位。設計單位對方案重新進行抗浮設計計算、標高復核等工作，方案復核確認后發出設計變更單。項目方根據設計方下達的變更指令便可施工[3]。

4 放樣機器人在抗浮錨桿施工中的應用

在抗浮錨桿施工中，由于放樣點位數量大，利用傳統的測量放樣方式需要每個點輸入坐標系，嚴重影響工作效率。項目利用BIM技術優化后的點位坐標，與測量機器人（Leica TS15）相結合，彌補了傳統測量缺陷，提高了錨桿點位精度。

將BIM優化后的錨桿模型在Revit中生成圖紙，并導出.dwg文件。在CAD中使用align命令，將導出后的錨桿平面圖相對坐標系轉換成絕對坐標系，用工具中坐標數據提取命令（DATAEXT）選擇錨桿編號數據，根據屬性篩選出錨桿點位坐標，并輸出.csv格式，另存為.dat格式。將.dat格式坐標文件直接導入放樣機器人，施工過程中選擇導入文件夾進行常規測量工作即可。直接輸入點位編號，儀器即可自動照準，避免外業測量作業中手動循環輸入點位 坐標。

Leica TS15測量精度可以達到0.1 mm級，測量精度是工程項目常用全站儀的10倍，提高了錨桿點位放樣精度，避免了因施工過程鉆孔、下筋、注漿等后續工作累積誤差大而影響最終錨桿整體受力分布情況，提升工程質量。項目抗浮錨桿體量大，數量約3 294個，1臺機器一天約施工20根抗浮錨桿，2臺鉆孔機同時施工，計劃工期約80 d，利用放樣機器人后實際工期僅為60 d，節約近20 d施工工期。

5 結語

通過本項目工程實例，利用BIM技術對抗浮錨桿施工進行優化并聯動測量機器人提高放樣效率，累計對原方案優化共160處區域。與傳統抗浮錨桿施工相比，可得出以下 結論：

1）錨桿優化布置合理，分區施工效果顯著，解決了傳統錨桿施工混亂的弊端，提高了錨桿成形質量，提前發現錨固段不足，采取措施，減少了不必要的返工時間，提升工作效率；通過錨桿位置優化，節約錨桿原材料[4]，通過工程實例證明本優化方案切實可行。

2）BIM技術可視化為本方案提供更加直觀的三維視覺，專項查詢定位功能使優化工作更準確、簡潔。同時，利用BIM技術信息化手段，能準確地在三維模型中篩選錨桿長度，解決錨固端不足的問題，便于優化設計人員檢查方案，極大地提高了工作的便捷性、準確度。通過BIM技術優化的錨桿模型可直接導出二維圖紙，并且保留建模過程中的數據屬性，包括點位相對坐標、分區、編號等，便于項目實施人員在CAD中處理、查看。

3）測量機器人可進行自動目標識別、自動跟蹤照準，施工過程中自動記錄放樣點位，測量精度可達0.1 mm級別，防止因鉆孔、下筋、注漿等后續工作累積誤差大而影響施工質量。根據錨桿編號分區、分時段有序施工，避免施工混亂。同時，通過內業坐標點位導出，避免在實施過程中輸入大量點位坐標，節約施工工期。

4）本文內容適用于基礎設計有抗浮錨桿施工的工程項目，尤其適用于基礎深、淺基坑較多，抗浮錨桿施工面積廣、體量大的項目。