運(yùn)用BIM 技術(shù)助力低山臺(tái)地住宅建筑群雨期防洪施工

文／王驁、劉元元、李揚(yáng)、孫樹斌、馬波 中建一局集團(tuán)第二建筑有限公司 北京 102600

1.背景資料

本工程為門頭溝區(qū)低山臺(tái)地住宅建筑群項(xiàng)目，位于北京市門頭溝區(qū)永定鎮(zhèn)。施工場(chǎng)地地處北京市西郊山區(qū)，屬于構(gòu)造侵蝕的低山丘陵區(qū)，海拔高程在210m～490m之間，四面環(huán)山。坐落在馬鞍山北側(cè)，區(qū)內(nèi)南北向、北東向沖溝發(fā)育，低山臺(tái)地建筑群在基坑開挖施工階段整體地勢(shì)呈西高東低、南高北低分布形勢(shì)。距離東北側(cè)永定河約6.0km。場(chǎng)區(qū)南部有泉水涌出，徑流距離短，大多滲入地下，雨季匯水多由斜坡向北東向自然沖溝徑流及下滲。

圖1 場(chǎng)區(qū)地貌照片

一般氣候條件下溝谷干涸，無(wú)地表徑流。氣候?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季晴朗清爽，冬季寒冷干燥，年平均氣溫7～10℃。據(jù)氣象局降水資料統(tǒng)計(jì)，區(qū)域年平均降水量為610.76mm，最大年降水量為1977 年的970.1mm，最小年降水量為1965 年的285.3m，詳見圖2。門頭溝岢羅坨-潭柘寺一帶多年平均最大10 分鐘降雨量為18mm，多年平均最大30 分鐘降雨量為30mm，年最大60 分鐘降雨量為40mm，360分鐘降雨量為70mm，年最大24h 降雨量為110mm。7～8 月的降水量可占到全年降水量的60%左右，詳見圖2、圖3。

圖2 門頭溝區(qū)各年降水量分布圖

圖3 門頭溝區(qū)多年累積最大降水量按月分布圖

圖4 場(chǎng)區(qū)模型圖

圖5 模型轉(zhuǎn)換及匯流分析

2.工程概況及施工難點(diǎn)

本項(xiàng)目為多臺(tái)地疊拼住宅項(xiàng)目，建設(shè)用地面積56613.2 m2，總建筑面積123677.39 m2，共19 棟單體建筑，住宅部分地下二層，地上四層，建筑高度13.5m。不同臺(tái)底標(biāo)高住宅基礎(chǔ)依靠架空層過(guò)渡、連接，基坑最大開挖深度為13m。

建設(shè)項(xiàng)目四面環(huán)山，雨季匯水面積大，建設(shè)用地周邊原地貌土方未降至設(shè)計(jì)標(biāo)高，建設(shè)單位正在進(jìn)行周邊場(chǎng)地平整，場(chǎng)區(qū)內(nèi)存在約150 萬(wàn)m3土方未移除。場(chǎng)地西側(cè)樓座位置存在高于樓座基底45m 高的土山，正在進(jìn)行降方。由于客觀原因，出土效率較低，土方場(chǎng)內(nèi)倒運(yùn)后被放置在南側(cè)紅線外層層堆疊，形成高填方臺(tái)地，與南側(cè)擬建公建基底形成最高40m 的高差。

場(chǎng)區(qū)周邊規(guī)劃有正式排洪渠作為建筑投入使用后的雨期排水的永久性構(gòu)筑物，鑒于目前施工進(jìn)度情況，此排洪渠尚未施工。

場(chǎng)區(qū)周圍紅線外為大市政施工區(qū)域，建設(shè)單位要求大市政雨污水管在雨期施工來(lái)臨前施工完成，由于大市政雨污水管緊貼場(chǎng)區(qū)紅線，因此，考慮到大市政雨污水管若在雨期施工來(lái)臨前不能完成回填施工的情況下，需要修筑土壩截水，在坑邊修筑截水臺(tái)，并根據(jù)三維掃描地形成果，將雨水引導(dǎo)疏排至修建好的排洪溝內(nèi)。臨時(shí)排洪溝附近的2#涵洞邊坡外側(cè)設(shè)置擋水圍堰，圍堰暫定高1.5m，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)高度根據(jù)水量大小臨時(shí)安排接高。底部2m，上部1m。圍堰采用沙袋防護(hù)。3#涵洞計(jì)劃在進(jìn)入雨季前完成施工，涵洞主體具備過(guò)水條件。

雨期施工前按照施工進(jìn)度計(jì)劃場(chǎng)區(qū)內(nèi)公建已開挖至基底標(biāo)高，東側(cè)地庫(kù)及相連接的住宅群正在進(jìn)行開槽施工，土方開挖及基坑支護(hù)同步進(jìn)行，在雨期施工來(lái)臨之前需要做好基坑外截水措施及基坑內(nèi)集水抽排措施。

持續(xù)大方量開挖階段橫跨整個(gè)雨期施工，如何做好低山臺(tái)底地區(qū)挖方階段雨期施工的防洪防汛，及時(shí)疏導(dǎo)排水工作，避免雨水沖毀及倒灌是本階段施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.解決思路

3.1 綜合考慮目前建設(shè)用地位于淺山區(qū)山坳處，周邊山體及場(chǎng)內(nèi)現(xiàn)狀土體匯水面積大，正式泄洪設(shè)施尚未完成的特點(diǎn)，雨季來(lái)臨將對(duì)建筑施工帶來(lái)極大的安全隱患，合理規(guī)劃雨期施工集水，導(dǎo)水，排水措施是保障建筑安全度汛和順利施工的保障。

3.2 掌握現(xiàn)狀場(chǎng)地地形情況是制定切實(shí)可行的泄洪方案的前提，由于場(chǎng)區(qū)面積大，周邊環(huán)境復(fù)雜，采用人工測(cè)量將耗費(fèi)大量人力，周期也很長(zhǎng)，計(jì)劃采用三維掃描技術(shù)，還原現(xiàn)狀場(chǎng)地情況，為下一步泄洪規(guī)劃提供一手資料。

3.3 運(yùn)用BIM 技術(shù)，對(duì)地形曲面進(jìn)行雨水匯流分析，模擬雨水匯流路徑，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域位置進(jìn)行截、擋水和疏水設(shè)施布設(shè)，根據(jù)地勢(shì)疏水、泄水的解決思路進(jìn)行雨施期間防洪泄洪策劃和實(shí)施，進(jìn)行精準(zhǔn)防控。

4.主要實(shí)施內(nèi)容

4.1 總體實(shí)施思路

通過(guò)BIM 技術(shù)將施工場(chǎng)地進(jìn)行虛擬建模，最大限度的還原真實(shí)場(chǎng)地地形。利用Trimble Tablet（以下簡(jiǎn)稱天寶TX8）三維掃描技術(shù)布設(shè)地形掃描設(shè)備，對(duì)山區(qū)地形進(jìn)行掃描，形成山區(qū)整體平面圖，并在所述山區(qū)整體平面圖中標(biāo)記高度；根據(jù)山區(qū)區(qū)域中的雨量監(jiān)測(cè)設(shè)備或山區(qū)區(qū)域的氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲取洪水參數(shù)；根據(jù)所述山區(qū)整體平面圖，確定泄洪區(qū)域，通過(guò)與CIVIL3D 軟件相結(jié)合，分析復(fù)雜的空間場(chǎng)地形狀判斷泄洪區(qū)域是否滿足排水要求，若能夠滿足排水要求，則不需要進(jìn)行設(shè)置；若不能滿足排水要求，則需要人工導(dǎo)流進(jìn)行泄洪。

4.2 基于BIM 的TX8 與CIVIL3D 的結(jié)合應(yīng)用

首先巡查場(chǎng)區(qū)地形，設(shè)置合適的觀測(cè)點(diǎn)位。使用天寶TX8 三維掃描儀器對(duì)施工場(chǎng)區(qū)及周邊地形區(qū)域進(jìn)行激光掃描生成點(diǎn)云文件，共設(shè)置63 處掃描站點(diǎn)。將天寶TX8設(shè)備放置于視野開闊，架設(shè)儀器，通過(guò)水準(zhǔn)氣泡手動(dòng)初步調(diào)平，然后開啟儀器，儀器將自動(dòng)進(jìn)行精確調(diào)平。儀器開機(jī)后，點(diǎn)擊projects 建立本次測(cè)站系列文件名稱；然后點(diǎn)擊scan parameters 根據(jù)不同站點(diǎn)的使用要求設(shè)置不同參數(shù)，其中主要參數(shù)包括mode extended：掃描范圍（共四擋為10m1 分鐘、30m2 分鐘、30m3 分鐘、30m10 分鐘、300m20 分鐘）、color acquisition：顏色采集。本次掃描，我團(tuán)隊(duì)主要使用的掃描范圍（mode extended）為30m3 分鐘和300m20 分鐘，在對(duì)觀測(cè)位置良好，地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行掃描時(shí)，選擇300m20 分鐘的掃描模式，該模式可最大范圍采集地形，但同時(shí)會(huì)有掃描時(shí)間長(zhǎng)（20 分鐘）、掃描數(shù)據(jù)大（每站平均450M）的缺點(diǎn)，對(duì)于視野不開闊，或者需要掃描的地形較小的，我們選擇30m3 分鐘的掃描模式；為了減少掃描時(shí)間，我們將顏色采集設(shè)定為關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)參數(shù)設(shè)定完成后點(diǎn)擊scan 即可開始自動(dòng)掃描；掃描儀器頭部將在水平方向旋轉(zhuǎn)360°，同時(shí)位于頭部中心的激光鏡頭將以極高的轉(zhuǎn)速在豎直方向旋轉(zhuǎn)，發(fā)射并接收激光信號(hào)，記錄點(diǎn)云。這樣就完成了以激光鏡頭為圓心的球型范圍的點(diǎn)云掃描。結(jié)構(gòu)變化較大的關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)位置，以保證盡可能多的收集地形數(shù)據(jù)。

隨后將掃描文件導(dǎo)入Trimble Realworks 軟件中，拼合各測(cè)站點(diǎn)云模型，建立場(chǎng)區(qū)及周邊地形完整地形點(diǎn)云模型圖，接著對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行歸類處理，軟件自動(dòng)識(shí)別原始地形、建筑、植被等，并將不同種類點(diǎn)云進(jìn)行分割，然后去掉除地形以外的全部點(diǎn)云，這樣就完成了原始地形點(diǎn)云模型的建立。然后對(duì)該模型進(jìn)行等高線處理，生成等高線dwg 圖紙。

最后將該等高線圖紙導(dǎo)入Civil 3D，分別定義曲面特性為等高線，生成曲面。最后將曲面模型導(dǎo)入Infraworks，即可開始進(jìn)行匯流模擬。根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，我們能得到流域面積，再通過(guò)流量計(jì)算公式可得到日流量Q，通過(guò)匯流路徑位置和流量，就能有依據(jù)的布置如排洪溝、蓄水池的防洪措施。

4.3 雨期施工措施

根據(jù)具體施工進(jìn)度，場(chǎng)區(qū)內(nèi)排水組織可分為三部分，分別為施工場(chǎng)區(qū)內(nèi)有組織泄洪、排水；基坑內(nèi)部排水；材料堆場(chǎng)排水。

4.3.1 場(chǎng)區(qū)內(nèi)有組織泄洪、排水

根據(jù)外線工程和場(chǎng)坪標(biāo)高進(jìn)行規(guī)劃。基坑排水主要采取集水明排的方式進(jìn)行組織。

汛期場(chǎng)區(qū)內(nèi)土方降方至場(chǎng)平標(biāo)高的施工任務(wù)需要持續(xù)進(jìn)行，應(yīng)依據(jù)場(chǎng)地原地貌地形圖，在汛期到來(lái)之前將公建西側(cè)土山移除，并將市政道路及雨水系統(tǒng)完成。公建基坑依照設(shè)計(jì)圖紙為整個(gè)建筑群現(xiàn)階段施工的最低點(diǎn)，且按照進(jìn)度計(jì)劃不能在汛期到來(lái)前完成肥槽回填。公建西側(cè)緊挨高壓線塔土山；南側(cè)為尚未清走的土山，離108 國(guó)道下永久支護(hù)約為580 米；東側(cè)為自然山體，山坡設(shè)計(jì)有格構(gòu)式支護(hù)，建筑物距離支護(hù)距離約為30 米；只有北側(cè)可順地勢(shì)自然排出雨水。擬在公建的東側(cè)沿永久排水溝路線、公建南側(cè)及南側(cè)土山（臺(tái)地）修建臨時(shí)排洪溝，排洪溝居中開挖，尺寸為1m（寬）×1m（深），排洪溝側(cè)壁、底部滿鋪不透水塑料布，再用卵石濾層鋪底，卵石粒徑和厚度以現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)實(shí)際為準(zhǔn)。并在各側(cè)排洪溝接駁處及東側(cè)排洪溝（每隔100 米）設(shè)置密目清淤網(wǎng)，用于攔截雨水中的泥沙，網(wǎng)高500mm，安排專人定時(shí)清淤，保證排洪溝的暢通。

根據(jù)基于BIM 技術(shù)的三維掃描成果平面圖，利用自然地形確定排水方向，使南側(cè)及臺(tái)地的地面匯水流入東側(cè)排洪溝，并向北排至市政排水溝渠，東側(cè)排洪溝與南側(cè)臺(tái)地排洪溝接駁處要進(jìn)行降土方處理，使臺(tái)地出匯水能夠順利排入東側(cè)排洪溝。南側(cè)臺(tái)地防洪溝根據(jù)現(xiàn)狀土方標(biāo)高進(jìn)行修建，東側(cè)防洪溝穿越臺(tái)地各級(jí)臺(tái)階，接入1#公建東側(cè)的防洪溝。所有排洪溝需在汛期到來(lái)之前全部具備防洪、防汛功能。南側(cè)臨時(shí)排洪溝的土方按要求降至安全標(biāo)高，保證排洪溝順利實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能。

4.3.2 基坑內(nèi)部排水

若基坑未到底或基底的排水溝和臨時(shí)集水坑未修好時(shí)，需要采用泥漿泵進(jìn)行雨中排水；若基坑已挖完，則采用潛水泵進(jìn)行排水，可在基坑底面四周結(jié)構(gòu)以外肥槽內(nèi)設(shè)置排水溝和臨時(shí)集水坑，排水溝凈尺寸為0.3m×0.3m，溝側(cè)壁寬0.15m，溝底厚0.1m，材質(zhì)為C15 素混凝土。臨時(shí)集水坑在坑底邊角設(shè)置4 個(gè)，井底低于坑底0.9m，下無(wú)砂井管和濾料，卵石壓底。

臨時(shí)集水坑內(nèi)的積水要隨時(shí)用泵排出，保證基坑底干燥。排水管要配備足夠長(zhǎng)，使水一次排入臨時(shí)排洪溝內(nèi)。排水時(shí)防止雨水回灌，造成二次沖刷。基底標(biāo)高較高的基坑與較低的基坑交界處設(shè)置臨時(shí)擋水圍堰，避免水灌入低處。

若土方單位未按要求降至安全施工土方標(biāo)高導(dǎo)致山洪攜帶泥石流沖入排洪溝中導(dǎo)致於堵。我方將要求土方單位配合施工單位果斷投入大量的機(jī)械，組織充足人員，投入到排洪溝清淤工作當(dāng)中，在最短時(shí)間內(nèi)疏通排洪溝，保證使用功能。

為防止地表水、地下水等大量滲入基坑，造成基坑浸水，破壞邊坡穩(wěn)定，影響施工進(jìn)行，必須采取地面截水、坑內(nèi)排水相結(jié)合的措施，在基坑上坡平臺(tái)防護(hù)欄桿下設(shè)置混凝土擋水臺(tái)。

4.3.3 材料堆場(chǎng)排水

所有材料堆放場(chǎng)地下面需墊設(shè)挑板、型鋼等墊層，或進(jìn)行地面臨時(shí)硬化。上面覆蓋塑料布，周邊設(shè)置排水溝，排水溝尺寸為0.3m×0.3m。

防水材料全部存入倉(cāng)庫(kù)，保證不漏、不潮，下面應(yīng)架空通風(fēng)，四周設(shè)排水溝，避免積水。

對(duì)模板堆放場(chǎng)地進(jìn)行路面硬化，避免地面下沉造成倒塌事故。

不能淋濕的材料在下雨前及時(shí)運(yùn)入室內(nèi)。

腳手架立桿底腳必須設(shè)置墊木，外腳手架坐落于肥槽回填土上的部分應(yīng)確保回填質(zhì)量，土體應(yīng)夯實(shí)并進(jìn)行硬化處理，周邊設(shè)置排水溝或硬化是做外散水，同時(shí)保證排水通暢，避免積水浸泡。

4.4 監(jiān)控與監(jiān)測(cè)

4.4.1 根據(jù)模擬雨水匯流區(qū)域，在場(chǎng)區(qū)關(guān)鍵位置布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，設(shè)置簡(jiǎn)易雨量報(bào)警器，簡(jiǎn)易水位站，雷達(dá)水流測(cè)速儀等監(jiān)測(cè)設(shè)施，對(duì)降雨量、現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵點(diǎn)水位及雨水流速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.4.2 對(duì)場(chǎng)區(qū)高陡邊坡區(qū)域安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)斜儀的測(cè)孔打在坡頂，測(cè)斜孔與測(cè)斜孔之間的布距20-50 米為宜，均勻分布在兩個(gè)被測(cè)區(qū)域內(nèi)；拉線位移計(jì)與測(cè)斜儀同斷面安裝，分別布設(shè)在坡頂和坡面，監(jiān)控變形情況，如有異常及時(shí)報(bào)警。

結(jié)語(yǔ)：

在地形復(fù)雜多變的本工程中，加之場(chǎng)平土方未能降至設(shè)計(jì)高程為最大制約因素下，雨期施工的防洪防汛任務(wù)變的異常艱巨。通過(guò)運(yùn)用基于BIM 技術(shù)的三維掃描技術(shù)Trimble Tablet 與CIVIL 3D 軟件的完美結(jié)合在本工程的應(yīng)用，將每次掃描的數(shù)據(jù)都?xì)w在當(dāng)前站點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系下，通過(guò)在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中引入反射片作為標(biāo)記物，分別提取反射片在點(diǎn)云和紋理圖像中的形心坐標(biāo)作為配準(zhǔn)基元，計(jì)算出點(diǎn)云和紋理圖像兩個(gè)坐標(biāo)系之間的變換，從而實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理圖像數(shù)據(jù)合成得到三維圖像模型，再將三維圖像模型進(jìn)行歸一化處理得到的測(cè)繪地形數(shù)據(jù)形成了場(chǎng)區(qū)平面圖，再根據(jù)場(chǎng)區(qū)整體平面圖，確定泄洪區(qū)域及水流路徑。最后依照路徑開挖排洪溝，筑土圍壩，修建擋水臺(tái)、集水坑、截洪溝等設(shè)施。

根據(jù)模擬雨水匯流區(qū)域，在場(chǎng)區(qū)關(guān)鍵位置布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，設(shè)置簡(jiǎn)易雨量報(bào)警器，簡(jiǎn)易水位站，雷達(dá)水流測(cè)速儀等監(jiān)測(cè)設(shè)施，對(duì)降雨量，現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵點(diǎn)水位及雨水流速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有針對(duì)性的進(jìn)行應(yīng)急處理措施，成功解決了在雨期施工階段疏排截流的防洪防汛任務(wù)。即便是在降水峰值時(shí)期，基坑中未存留過(guò)多的明水，場(chǎng)區(qū)內(nèi)未受到洪水的沖擊。

運(yùn)用BIM 技術(shù)助力低山臺(tái)地住宅建筑群雨期施工，在本工程中取得良好效果，為今后類似低山臺(tái)地項(xiàng)目的推廣應(yīng)用提供了可行性的參照案例及推廣思路。