基于隐蔽工程可视化信息模型的PHC管桩配桩优化研究与应用*

郑 好，张 涛，吴建新，王 硕，王 卓

(中建一局集团第五建筑有限公司，北京 100024)

0 引言

目前，国内房建领域基于BIM技术的研究和应用大多集中于主体建筑结构和设备安装工程，正向设计、可视化交底、深化设计、BIM5D、智慧工地管理等应用的方法也相对成熟。业内有关结构基础的研究应用较少，主要涉及基础与桩碰撞检测，而将BIM技术应用于地质岩土勘探更为少见。目前，有部分学者利用BIM技术研究地质情况与桩长关系，取得了一定成果。饶嘉谊等结合三维地质和桩基模型对设计参考桩长进行校核；邱文江等利用Civil 3D软件建立地质曲面，确定施工参考桩长。但有关PHC管桩配桩优化的研究成果未见报道，故开展基于BIM技术的PHC管桩配桩优化应用研究具有实际意义。

为解决传统管桩配桩方案存在的问题，以PHC管桩加固天津滨海地区某别墅住宅地基为依托，研究尝试一种新方式，基于BIM技术的三维地质模型与桩基模型相结合，进行数据提取和对比分析，调整桩长，达到优化管桩配桩方案的目的。与传统方式相比，基于BIM技术的管桩配桩优化应用，可减少人为因素错误，提高数据集成效率；配桩优化较大限度地统一了各节桩长，在桩生产、运输、堆放、施工过程中取得了明显的经济与社会效益。

基于BIM技术的PHC管桩配桩优化应用理论上有较大可行性，但实施过程面临着诸多困难：首先是BIM三维地质模型建立存在一定难度；其次，大量桩基础模型的建立工作繁重，桩位坐标信息录入及对应地质信息导出过程繁琐；再者，桩基础各节桩长优化统一，应在满足设计及规范要求的前提下通过精确数据对比分析确定。

1 工程概况

1.1 项目概况

某天津滨海新区别墅住宅项目位于天津市滨海新区塘汉路以东，塘沽森林公园以北，用地面积为308 942.9m2，建筑面积为470 972.16m2。

该工程建筑桩基设计等级为丙级，工程桩数量合计11 510根。桩基型号为PHCAB400,混凝土强度等级为C80，抗渗等级为P10，单桩竖向承载力特征值为400kN，施工工艺包括静压和锤击沉桩。单桩设计概况如图1所示。

图1 单桩设计概况

1.2 水文地质概况

天津滨海新区地势平坦，主要受波浪和潮汐作用，形成沉积软土，软土层厚，地质条件复杂，具有多层结构，属海陆交互沉积地层。地层以淤泥质土与粉质沉积黏土混杂为主，间或有海相沉积流砂层出现。其特点为土体孔隙率大、天然含水量高、压缩性高、强度低、渗透性小，工程性质差，地基承载力较低。工程区域场地类别为Ⅳ类，为抗震不利地段，区域内地下水位较高，稳定水位平均埋深为1.40～1.75m。

根据勘察报告内容，施工区域内地质主要可分为人工填土层、第Ⅰ陆相层、第Ⅰ海相层，主要为浅海相沉积，层厚1.50～16.00m，主要由淤泥质黏土、粉土、粉质黏土组成；第Ⅱ陆相层、第Ⅲ陆相层、第Ⅳ陆相层，主要为河床～河漫滩相沉积，层厚2.50～13.00m，主要由粉质黏土及粉土组成。

2 地质与桩基模型建立

2.1 地质模型

借助Civil 3D软件可快速衍生地质曲面及模型实体的特点建立三维地质模型。提取勘察报告中的钻孔数据(见表1)，通过Excel制作各地质层点文件，将点文件导入Civil 3D软件中生成各地质层曲面，最后在各曲面间进行实体填充形成直观的三维地质模型(见图2)。

表1 钻孔地质信息统计

图2 三维地质模型

传统的工程地质分析是根据勘察文件中的地质剖面图、地质数据表、勘察报告进行。若遇到地质岩土分布复杂、桩基数量庞大的工程，地质分析较困难，工作效率低。利用Civil 3D软件进行三维地质模型建立，将地质信息直观可视化，可实现工程区域岩土的任意剖切、查看和分析，使地质分析变得更高效便捷。

2.2 桩基模型

根据工程桩设计情况，在Revit软件中建立可调节单桩参数化族、桩头处理模型，模型信息涉及桩编号、填芯混凝土工程量、钢筋工程量。根据桩坐标批量导入单桩族模型，进行坐标定位和桩顶标高设置，生成群桩模型。根据蓝图建立基坑开挖模型，使其包含所有桩承台、土方开挖、边坡支护等信息。经统一的坐标系叠加模型，为后续的信息提取与配桩优化应用提供基础。

3 信息提取与配桩优化

3.1 地质信息提取

数据信息提取是配桩优化的前提，从已创建好的三维地质模型曲面上获取各桩位坐标点标高，经多次研究实践，配桩优化主要提取桩基与接桩层上表面及持力层上表面相交处标高。信息提取流程为：基于Civil 3D软件生成三维地质模型→将桩位坐标点文件导入Civil 3D软件中生成点→从地质模型中的接桩层曲面和持力层曲面获取桩位坐标点标高→导出接桩层和持力层顶标高进行分析计算。

3.2 配桩方案优化

天津滨海新区地质以海陆交互相沉积软土为主，软土层厚，具有多层结构，地质条件复杂，地层工程力学性质较差。结合工程地质特点，因⑥2粉土、⑥4粉土、⑦2粉土岩层为轻微液化土层，所以从第Ⅰ海相层(浅海相沉积层)中选择无液化性的⑥3粉质黏土层作为接桩位置岩层；并在第Ⅳ陆相层(河床～河漫滩相沉积层)中选择天然地基承载力良好的⑨1粉质黏土作为建筑物桩基持力层。

该工程某地块设计桩型共8种，编号为ZH1～ZH8，单桩长7～12m共6种(见图3)。通过Civil 3D提取接桩层和持力层位置信息，结合已知各类型桩基桩顶标高、第1节桩长和第2节桩长进行统计分析(见表2)。计算得出，原设计配桩方案存在较大优化空间。

图3 某地块各节桩数量统计

表2 某地块桩基参数

首先进行接桩位置范围及施工参考总桩长范围确定。

根据设计要求，接桩层为无液化性⑥3粉质黏土层，持力层为天然地基承载力良好的⑨1粉质黏土层，且桩端进入持力层深度≥J。在满足以上要求的前提下，分析桩基各参数间关系。桩基参数及桩长调整如图4所示。

图4 桩基参数及桩长调整

经计算得出接桩位置范围：H⑥2≤H接=H顶-L1≤H⑥3。H接为接桩位置标高(m)；H顶为桩顶标高(m)；L1为第1节桩长(m)；H⑥2为接桩层顶标高(m)；H⑥3为接桩层底标高(m)。

经计算得出施工参考总桩长范围：H顶-H持+J≤L桩≤H顶-H⑨1。L桩为桩长(m)；H持为持力层顶标高(m)；H⑨1为持力层底标高(m)；J为桩端进入持力层深度最小值(m)。

根据接桩位置范围及施工参考桩长范围可筛选出原设计接桩层及持力层不符合要求的桩基，并进行如下优化调整。

1)接桩位置未达到设计接桩层 在不改变桩顶和桩底标高情况下，增加第2节桩长，缩短第1节桩长，使接桩位置下移，进入设计接桩层。

2)接桩位置超过设计接桩层 在不改变桩顶和桩底标高情况下，缩短第2节桩长，增加第1节桩长，使接桩位置上移，进入设计接桩层。

3)桩底位置未达到设计持力层或进入持力层未达J在不改变桩顶标高情况下，第2节桩长不变，增加第1节桩长，使桩底进入设计持力层，且保证进入深度≥J。

同理，对满足原设计要求且存在优化空间的桩基，进行配桩方案优化，根据接桩位置范围及施工参考总桩长范围进行桩基长度调整。

1)在不改变接桩位置前提下，缩短第1节桩长，第2节桩长保持不变，同时保证桩端进入持力层深度≥J。传统桩长设计往往无法精确覆盖至每根桩，其桩基进入持力层深度若有较大余量，应采取此种优化方式，精细化降低成本。

2)在不改变桩底位置前提下，缩短第1节桩长，增加第2节桩长，同时需保证接桩位置在接桩层内，满足设计要求。此方法总桩长不变，分别改变2节桩长，从而控制各长度桩型总占比，达到优化配桩的目的。

综上所述，在接桩位置、持力层满足设计要求前提下，经分析、计算、比较，筛选出可调整桩长的桩，进行配桩方案优化。配桩优化分析如表3所示。分析可知，优化方案压缩了10m桩型占比，由11.18%降为9.87%；增加了8m桩型占比，由4.17%提高至25.18%，优化桩占总数的27.05%。

表3 配桩优化分析

4 应用优势

1)资料数据轻量化，提升工作效率 通过配桩优化，使相关技术、施工过程、质量验收的同类材料增多，提升了资料整理和归档过程效率，减轻了资料专员负担。

2)材料归类更有序，提升场地利用率 同类桩数量增多，场地材料堆放区划分更方便，提高了施工现场材料堆放区利用率，使桩分类码放更加合理有序。

3)纠正初设问题，提高施工质量 筛选出接桩层及持力层不符合要求的桩进行调整优化，确保桩嵌岩深度满足设计要求，保证了桩竖向承载力。

4)施工效率提高，缩短工期 配桩优化后，在吊桩、压桩施工过程中，减少了桩长分类筛选时间，同类桩连续施工性强，提升了施工速度与效率，可缩短工期。

5)管桩生产线统一，模具数量减少 同类型桩增加，PHC管桩生产线利用率提升，生产成本降低，间接节省了总承包材料成本。

6)管桩装卸效率提升，运输成本降低 在管桩运输过程中，不同长度桩对货车装载长度要求存在差异，不同桩长同车运输会导致货车转弯半径加大，且车载空间利用率不足。配桩优化使桩长统一，有助于提升车载空间利用率、运输效率和行车安全，降低运输成本。

5 结语

海陆两相交互相沉积地层中PHC管桩基于BIM技术的配桩优化技术价值尚有很大可挖掘空间。抗震设防烈度较高地区液化场地、深厚软土场地优先选用灌注桩进行地基处理，BIM+桩基础方案优化手段有望解决此类更复杂地质情况下的各类桩基础设计与施工难题。特别是在采用正向设计的EPC工程中，设计阶段即可最大程度地解决配桩优化问题，其模型信息传递与BIM平台应用效率也远超普通施工总承包项目，对于地基与基础等涉及岩土勘探分析的前端设计，BIM技术势必成为一项不可或缺的高效工具。