基于BIM技術的CFG樁基施工應用研究

李東升，劉呈斌，劉厚強

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610036)

十三五期間，響應推動數字經濟的國家戰略，通過自主研究、聯合研究、引進消化吸收等方式，工程領域的數字化設計、制造、施工、運營方面都有了較大幅度的發展。然而在現階段土木行業工程建設中，由于體系復雜、生產環節繁多，還存在信息傳遞慢、生產質量低和管理混亂等問題。引入信息技術在一定程度上為解決這些難題提供了新的思路，土建行業信息化的一個重要工具就是BIM技術[1]，將數字施工技術和BIM技術相結合是現階段解決土木工程建設問題的主要突破方向。

土木工程中地基處理是工程建設的重要內容，其質量好壞決定了整個工程質量。其中CFG樁是一種高黏結強度樁，對于砂土、粉土和淤泥質土等地基都具有較好的處理效果，同時具備較好的技術性能和經濟效益。但目前CFG樁基設計、施工過程中還存在許多不足之處[2]，存在的缺點是二維設計和人工作業難以解決的。本文從CFG樁的設計、施工流程入手，引入BIM設計、智能機械控制技術，形成了一整套信息化CFG樁基BIM應用方案。該方案不僅可以應用于CFG樁，還適用于其他鉆孔樁的地基處理工程，打通了樁基工程從設計到現場施工的整個環節，是對設計-施工一體化的進一步探索。

1 技術應用分析

1.1 CFG樁基工程關鍵因素

CFG樁復合地基成套技術自1994年被建設部列為全國重點推廣項目以來，已經大量在地基處理工程中應用。經過長期的工程實踐與總結表明，決定CFG樁基工程質量的關鍵因素主要有3點。

1.1.1 樁機就位

樁機就位包括樁機對中和垂直度控制，樁基對中要求將鉆頭對準標記點以確保鉆孔工作在正確位置進行，并且不同布樁方式對樁位偏差要求不同，通常來說樁位偏差不得大于5 mm；機身垂直度決定了成樁是否是豎直的，以此滿足CFG樁的軸向傳力特征[3]以及樁土共同作用，垂直度偏差必須小于1%。

1.1.2 鉆孔進深控制

鉆孔時鉆孔深度必須達到設計深度，使樁端抵達持力層以獲得足夠的單樁承載力，或者通過設置一定的樁長保證樁身具備足夠的側面摩擦阻力，從而使樁身和樁間土共同受力[4]時的地基承載力達到設計要求。

1.1.3 泵送和拔管速度控制

泵送與拔管速度直接決定了樁身的完整性和連續性，當鉆桿芯還未充滿混合料時拔管(即拔管過快)容易導致成樁出現截斷，拔樁過慢則會出現超灌或堵管現象，都不利于最后的成樁效果。

1.2 現存問題

(1)在設計到施工環節，設計信息參數通過二維圖紙進行傳遞，其需要現場放樣人員、工程技術人員、機械操作手的理解與協作，往往容易造成設計關鍵參數不明確、傳遞信息效率低、易出錯等問題。

(2)在鉆孔環節，樁基定位和鉆孔工作由旁站觀測人員和鉆機操作手合作完成，樁基位置、樁基鉆孔角度、鉆孔深度等關鍵因素的控制完全由現場人員根據經驗進行，難以控制鉆孔精度與整體質量一致性。

(3)在成樁環節，各操作主要由人工完成，提鉆和泵送混凝土配合不協調易造成斷樁、堵管等問題，操作手的經驗與水平成為成樁質量高低的決定因素，其成樁質量難以保障，成樁控制過程難以追溯。

(4)在施工協調過程中，混凝土現場用料受實際鉆孔深度、實際灌入量影響，用料協調難以控制、易出現混凝土供應不及時，造成堵管現象，導致成樁質量不穩定。

2 基于BIM技術的思路創新

2016年四川天府國際機場地基處理[5]工程施工中，首次運用了強夯、碎石樁、CFG樁機械施工控制系統[6]，其工程質量得到顯著提高。CFG樁機械施工控制系統中(圖1)，由北斗/GNSS接收機、傾斜傳感器等組成了系統三維空間定位模塊，實時對樁機位置和傾斜度進行測量。由電流傳感器、混凝土灌入量傳感器組成了施工質量監測模塊，為鉆孔與成樁環節提供關鍵參數測量。由通訊設備、中央控制系統、顯示終端構成系統反饋模塊，將CFG樁施工狀態直觀地、實時地呈現給機械操作員，從而進行準確、即時地施工質量控制。

圖1 CFG樁施工機械控制系統

隨著近年來BIM技術的蓬勃發展，BIM模型的幾何信息與非幾何附加屬性作為真實施工對象的數字化載體，其參數信息不僅可用于指導施工作業，也可用于施工過程與施工質量控制記錄。本文依據BIM技術的特點，結合CFG樁機械化施工優勢，基于BIM模型進行信息傳遞，記錄完整的成樁過程和成樁質量，使CFG樁施工真正做到合理布局、精確實施和全程監控，以便于對成果進行匯總、分析與過程回溯。

3 BIM實施思路

3.1 設計

3.1.1 樁基設計

設計時，依據工程實際需求確定地基加固范圍，分析建筑物場地地質勘探報告和建筑上部受力情況擬定布樁方式、樁徑、樁長等參數。同時根據工程經驗選用適合的樁基材料強度等級(材料配比信息在強度等級確定后提供)，然后用擬定的參數進行地基承載力和沉降試算[7]。其中設計為建模提供的信息主要包括：樁基范圍、樁的方位、樁長、樁徑、布樁方式、樁距以及混合料配比信息。

3.1.2 BIM建模和信息附加

在創建模型的過程中，根據測繪所提供的線路信息創建帶樁號參數的線路模型(圖2)。從設計圖紙獲取CFG地基加固里程段，加固范圍形狀、加固范圍到線路的垂直距離等參數，并結合線路BIM模型計算地基加固范圍在三維空間中的實際位置。確定加固范圍位置后，在范圍內根據設計圖紙中的布樁方式，布樁間距等參數，從加固范圍小里程開始計算，確定每根樁的空間位置。最后根據設計圖紙中的樁徑和樁長說明，創建CFG樁身幾何模型(圖3)。同時還可以導入地形、地質模型，通過地形、地質模型和樁身模型的空間位置關系進行樁長校核。

在生成CFG樁三維幾何模型后，從設計圖紙中獲取樁編

圖3 利用設計信息創建樁基模型

號規則、樁分區信息、混合填料配比信息(圖4)，通過BIM附加信息插件完成對每根樁的自動編號及信息附加。其附加信息包含：樁號、標段、工區、工點、填料等。

圖4 在模型中添加設計信息

3.1.3 設計-施工信息轉換

在完成CFG樁的BIM模型后，根據施工區段實際進度需要，利用CFG樁BIM模型數據導出插件，將該區域CFG樁設計數據導出為CSV文件格式數據，輸出信息包含樁號、定位坐標、設計頂高和設計樁長等。導出后，將CSV文件直接交付給施工方，供CFG樁機械控制系統使用，避免了識圖工作可能引起的錯誤。

3.2 施工

3.2.1 導入BIM設計信息

施工方獲取設計文件后，通過網絡或U盤方式將設計文件導入樁機控制系統中，鉆機操作員可直觀地在系統操作界面上查看，了解工作區域與CFG樁分布情況。

3.2.2 樁機定位

樁基施工時(圖5、圖6)，CFG樁機械控制系統界面上會實時顯示樁機位置、垂直度及設計CFG樁位置信息。操作員依據系統顯示的引導信息，控制樁機向設計樁孔位置移動，并動態調整鉆頭位置以保證樁位偏差和垂直度偏差滿足施工要求。

圖5 施工現場

圖6 操作系統界面

3.2.3 鉆孔控制

鉆孔時，通過北斗/GNSS接收機與電流傳感器實時采集數據，將鉆孔速度、鉆孔深度、電機電流情況實施反映在操作界面上，操作人員依據設計樁長、鉆孔深度及電機電流變化情況控制鉆孔達到深度要求。

3.2.4 成樁控制

灌注和拔管時，系統主要采用北斗/GNSS接收機和灌入量傳感器構成控制系統，系統根據當前樁徑和混合料泵送量自動計算出合適的拔管速度范圍。同時系統通過計算將實際拔管速度和混合料泵送量實時反映到操作界面上，操作人員通過界面信息控制拔管作業，避免拔管過快或者過慢而導致成樁質量出現問題。

3.2.5 現場監控與過程追溯

傳統施工過程主要由施工方進行把控，過程信息在鉆孔完成后難以復現。利用視頻監控系統和傳感器設備將現場作業信息遠程傳輸給設計單位和業主方，各個參與方通過網絡平臺進行協同作業(圖7)。當鉆孔過程中遇到前方地質狀況與設計信息不符的情況，設計人員根據實時監測信息進行設計調整，業主方則通過現場監控和鉆孔反饋查看施工進度和施工質量。

圖7 現場監控界面

施工作業完成后，如圖8所示，基于設計信息和施工作業信息形成樁基施工質量報表，記錄設計和成樁結果的對比信息，直觀詳細地反應每一根樁的方位誤差、樁長誤差和成樁質量等信息。BIM模型和質量報表具有各自的特點和用途，前者相當于真實工程的數字化映射，各階段的詳細信息都匯集在一個模型上可供專業人員進行數據分析和數據共享，后者承載了后期追溯時更關心的樁基質量信息并且便于查看。

圖8 施工質量報表

3.3 質量反饋

待樁基施工并檢測完成之后，將過程數據和檢測數據一并添加到模型文件中(圖9)，得到信息完備的施工BIM模型，施工信息包含實際樁長、用時、用料、成樁時間等，豐富信息的同時也便于后續檢查。

將作業信息記錄下來并形成文件可以便于后續的信息回查，作業人員不僅能在施工過程中查看各種參數，也可以隨時查找成樁的質量信息，例如：樁號、深度、用料量、平均電流、持力層電流、成樁用時、成樁完成時間。

圖9 在模型中添加施工信息

對比傳統樁基施工流程，信息技術的引用具有明顯的技術優勢。一方面，信息傳遞更加高效、便捷和準確，減少了過程中由于人為原因可能造成的信息失真。另一方面，實現了樁基作業的精簡化和精細化。人員上由多方配合轉變為只靠鉆機操作人員就可以獨立完成鉆孔工作；流程上將放樣工作和鉆機就位合并成一道工序；施工過程中對各項參數進行更加穩定的控制和記錄。數字化鉆孔成樁實現了嚴格的過程及質量控制，為粗放作業帶來了精細化控制的可能。

4 結束語

通過分析CFG樁基施工質量控制關鍵因素和傳統作業中存在的問題，構建了基于BIM技術和數字化樁機的思路框架。在施工前，以BIM模型為載體向施工作業傳遞設計信息；在施工過程中，利用物聯網技術對成樁過程進行動態調整和記錄；在成樁完成后，將過程和成果信息反饋到模型中。實現了BIM模型在整個生命周期中的迭代更新以及過程的可追溯，為其他工程作業的BIM技術應用提供了借鑒與啟發。然而，由于實際地質情況復雜多變且地基處理目的具有多樣性，成樁質量能否滿足多種情況的要求有待進一步跟蹤和評估，控制系統和實施流程也需要進一步進行完善。