基于GIM系统下桩基协同辅助设计的可行性研究

2020-11-13郑国栋

福建建筑 2020年10期

郑国栋

(福建省建筑设计研究院有限公司福建福州 350001)

0 引言

随着BIM( Building Information Modeling)技术在工程建设领域的应用越来越成熟、越来越广泛[1]，基于BIM应用条件下的工程勘察三维可视化建模技术日趋完善[2-4]，福建建筑设计研究院有限公司研发的基于BIM条件下岩土工程勘察信息模型系统(以下简称GIM系统)，致力于解决三维可视化勘察信息模型与各相关专业的协同工作问题。

随着国家经济和城镇化的高速发展，工程建设规模越来越大，土地集约化和地下空间的有效利用，基础工程造价在整个工程造价的占比越来越高，基础工程对整个工程的影响也越来越大。目前，有关基础设计分析软件(如盈建科、PKPM等)已能满足国家标准规定的各种不同工况条件下的分析计算要求和设计要求。但分析软件需要工程设计师事先将计算、设计所需的岩土工程勘察信息(地层的分布情况、岩土参数等)输入软件中。在面对复杂岩土工程条件时，结构工程师难以根据二维的工程地质剖面图和二维的岩土参数表去想象和构建建设场地的三维岩土层空间分布形态和岩土参数分布状况。因此，往往无法对基础工程做到精细化设计，且由于与岩土工程师缺乏有效的沟通，则易导致理解上的偏差，进而导致基础施工过程出现因设计变更而增加工程造价的情况[5-6]。

基于此，本文依托具体的工程实例，分析GIM系统在桩基辅助设计上的可行性。研究成果表明，利用GIM系统可以有效解决桩基设计方案的比选和设计优化，尤其对于地质条件复杂的情况，设计人员可以通过GIM系统有针对性地对基础持力层、桩型、施工设备和工艺等进行选择，对桩长、桩径、配筋等进行优化设计，实现勘察、设计、施工在桩基领域基于BIM的协同作业。

1 GIM系统

现有勘察成果的表达方式，主要采用大量繁琐的剖面图、柱状图、数据表格等二维加文字报告的形式，而这种表达方式难于与其他专业沟通，且往往存在勘察信息孤岛情况。

GIM系统主要以层级数据库为核心，以三维可视化工程勘察信息模型为平台，表达方式更为直观，可以完整地展示地质情况，并可以选择任一层地层查看，任意剖切标注，同时将多专业模型进行整合到同一平台，达到协同作业目的。

2 基于GIM系统的桩基协同流程和步骤

2.1 基于工程勘察信息模型桩基协同工作流程

利用GIM系统，按照绝对坐标系建立岩土工程勘察信息模型，将上部建筑的柱、剪力墙位置转化为绝对坐标导入模型中，通过桩基与模型中各地层界面的交切处理，计算出桩基所穿越的地层深度(厚度)，并根据岩土参数和建议的桩基持力层计算单桩承载力，根据剪力墙和柱下荷载的分布情况，估算桩基的数量。不同的桩基类型和选择不同持力层会产生不同桩基方案，通过类似工程经验和工程造价等因素对比分析，可获得最优的桩基方案。

GIM系统将桩基模型导入岩土工程勘察信息模型中，在三维模型中拟合成桩过程，分析成桩过程可能出现的异常情况，提前制定预防措施。

2.2 基于工程勘察信息模型桩基协同的流程和步骤

基于工程勘察信息模型桩基协同的流程如图1所示，主要分为以下6个步骤：

①地层三维数据和岩土参数的数据导入；

②构建工程勘察信息模型；

③导入柱位和剪力墙位置和荷载；

④模型拟合桩基方案；

⑤桩基方案的对比与优化；

⑥GIM系统模型的交付。

图1 基于工程勘察信息模型GIM桩基协同流程图

3 工程实例

3.1 工程概况

某工程位于福州高新区，拟建项目包括12栋22～32F高层住宅楼和其配套设施，整个场地设有1～2F地下室，工程实际用地面积约68 711.72m2(约103亩)。根据勘察揭示的岩土层，按其岩土工程性状划分为16层，自上而下分别为①杂填土、②粉质粘土、③中砂、④粉质粘土、⑤淤泥质土、⑥粉质粘土、⑦碎卵石、⑧粉质粘土、⑨全风化花岗岩、⑨-1全风化花岗斑岩、⑩砂土状强风化花岗岩、⑩-1砂土状强风化花岗斑岩、碎块状强风化花岗岩、-1碎块状强风化花岗斑岩、中等风化花岗岩和-1中等风化花岗斑岩。

其中，⑦碎卵石在场地内分布较广，稳定性较好，力学性能较好，可作为桩基础持力层，但因局部区域厚度较薄或缺失，故，在桩基设计时，桩端持力层选用其下强风化岩层。基础类型拟采用预应力管桩，桩径600mm。

3.2 创建工程勘察信息模型

根据拟建设场地地表模型(地形矢量图)、勘探点(图2)的地层三维数据信息，利用三维可视化建模软件创建三维地质模型(图3)。同时，将不同地层岩土物理、力学参数录入到GIM系统层级数据库(图4)，以实现协同作业时可以在模型中任意提取所需位置的岩土参数进行相关计算和分析。

图2 某项目工程勘察GIM系统勘探点模型

图3 某项目工程勘察GIM系统地质模型

图4 GIM系统地层数据输入模块

3.3 导入柱和剪力墙的位置和荷载

GIM系统进行桩基协同作业、辅助桩基方案设计，需要在工程勘察信息模型中创建柱和剪力墙模型，即将上部结构设计的柱和剪力墙位置、荷载分布信息通过CAD文件(图5)按照绝对坐标直接导入到GIM系统，在工程勘察信息模型中创建实体模型(图6)。

图5 某项目4#楼柱和剪力墙的位置和荷载CAD布置图

图6 某项目4#楼柱、剪力墙和承台导入GIM系统模型

3.4 基于GIM系统的桩基设计

设计人员根据导入的柱位和剪力墙位置以及设计的荷载分布情况，在三维可视化模型中选择持力层和桩基类型，GIM系统通过桩基和地层界面的交切处理，获得每根桩穿越的地层和各地层的厚度，通过数据库选择所需的岩土参数，自动计算单桩承载力，自动匹配桩的数量(图7)，在模型中展示成桩情况(图8)，实现可动态调节桩基布置方案。

图7 GIM系统单桩承载力计算

图8 在工程勘察信息模型中创建GIM系统辅助设计的桩基方案模型

相较于传统的桩基方案设计，利用GIM系统辅助桩基设计，可以实现每根桩都按照其地层分布情况、桩端持力层，确定桩长和单桩承载力，实现精细化设计桩基方案。此外，通过每根桩与地层界面的交切处理(图9)，可以预测沉桩过程可能出现的异常情况。

图9 桩基与地层界面的交切处理

3.5 方案对比与优化

大型工程常常会根据建设场地的岩土工程条件，考虑多种的基础工程方案，设计人员一般需要经过多轮、反复测算和比较，才能得到经济性较好的结果。通过GIM系统进行桩基辅助设计，设计人员可以更加快捷和直观地进行不同桩基方案比选，可以获取更为详细的工程勘察数据作为设计依据。

通过GIM系统桩基分析模块，对桩基方案进行对比和优化，主要在以下几个方面：

(1)地质情况存在复杂和隐蔽性，在桩基设计过程中，存在桩基持力层厚度不均或缺失的情况，GIM系统能快速捕捉到存在持力层缺失的桩基位置，及时对桩基方案进行调整。

图10 持力层缺失桩基计算结果

图10为高新区某项目4#楼在桩基分析模块计算结果。当承载力分析数值为空白时(F010～F012桩)，表示该桩位当前选择的持力层存在缺失情况，设计人员可针对该部分区域重新选择持力层，根据输入的单桩设计值，自动匹配桩长，如图11所示。

图11 持力层缺失桩位自动拟合结果

(2)在GIM系统中的桩基分析模块，通过计算不同的持力层、不同桩基类型的每根桩承载力，再根据上部建筑荷载计算桩的数量，分析不同工况下桩的数量和长度，从而优化桩的方案。

图12为高新区某项目的4#楼承台GIM系统桩基分析数据。根据目前市面上冲钻孔灌注桩的每米造价是预应力管桩的3倍以上，分析结果得出：该项目采用预应力管桩，并以碎卵石成为桩端持力层的桩基方案最为合理、经济。简言之，GIM系统为设计人员的桩基设计优化比选提供了可靠的数据依据。

图12 高新区某项目的4#楼某承台桩基分析数据

(3)传统桩基方案设计过程，设计人员选择具有代表性的地质剖面，计算出单桩承载力特征值乘以安全系数，作为该项目的单桩承载力设计值。然而，实际情况是，每根桩承载力都略高于设计值，在群桩的累加效果下，存在一定的浪费。而若以承台为单位，将每根桩基具体承载力值考虑在内，则可在质量、安全前提下对桩基数量进行优化，使桩基方案更加经济，避免不必要的浪费。图13为高新区某项目4#楼桩基分析数据部分资料，根据GIM系统的桩基模拟数据分析，该项目4#楼的桩基数量可优化10%～20%。

图13 某项目的4#楼桩基分析数据表(部分)

4 GIM应用过程中存在的问题

GIM系统在桩基方案设计和优化过程中,发挥了直观、量化比较分析的作用，但在实际应用过程中尚存在以下几个问题：

(1)空间的局限性。地质、地层信息具有隐蔽性特点，目前无法获取全部地层数据，三维地质模型是由钻孔揭示的地层数据进行三维推演的结果，与实践地质情况并不完全一致。GIM系统创建的三维可视化信息模型，主要是为上下游专业提供较为合理的三维展示，起到一定的指导作用，但最终还需要与施工现场相结合。

(2)信息化、数字化转型的步伐加快。各专业应用软件的无损对接应与时俱进。GIM系统在岩土工程领域中的应用尚处于探索阶段，岩土工程及结构工程常用的专业软件种类繁多，而打通各专业之间的信息壁垒、提高专业之间的协同工作效率，关键在于各专业之间的数据交换和无损传递，但目前突破各软件之间的壁垒还存在一定的困难。GIM系统研发初期秉持着数据标准化，采取IFC数据格式，以期待将来平台上各专业软件融合。