基于BIM技术的CFG桩基施工应用研究

李东升，刘呈斌，刘厚强

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610036)

十三五期间，响应推动数字经济的国家战略，通过自主研究、联合研究、引进消化吸收等方式，工程领域的数字化设计、制造、施工、运营方面都有了较大幅度的发展。然而在现阶段土木行业工程建设中，由于体系复杂、生产环节繁多，还存在信息传递慢、生产质量低和管理混乱等问题。引入信息技术在一定程度上为解决这些难题提供了新的思路，土建行业信息化的一个重要工具就是BIM技术[1]，将数字施工技术和BIM技术相结合是现阶段解决土木工程建设问题的主要突破方向。

土木工程中地基处理是工程建设的重要内容，其质量好坏决定了整个工程质量。其中CFG桩是一种高黏结强度桩，对于砂土、粉土和淤泥质土等地基都具有较好的处理效果，同时具备较好的技术性能和经济效益。但目前CFG桩基设计、施工过程中还存在许多不足之处[2]，存在的缺点是二维设计和人工作业难以解决的。本文从CFG桩的设计、施工流程入手，引入BIM设计、智能机械控制技术，形成了一整套信息化CFG桩基BIM应用方案。该方案不仅可以应用于CFG桩，还适用于其他钻孔桩的地基处理工程，打通了桩基工程从设计到现场施工的整个环节，是对设计-施工一体化的进一步探索。

1 技术应用分析

1.1 CFG桩基工程关键因素

CFG桩复合地基成套技术自1994年被建设部列为全国重点推广项目以来，已经大量在地基处理工程中应用。经过长期的工程实践与总结表明，决定CFG桩基工程质量的关键因素主要有3点。

1.1.1 桩机就位

桩机就位包括桩机对中和垂直度控制，桩基对中要求将钻头对准标记点以确保钻孔工作在正确位置进行，并且不同布桩方式对桩位偏差要求不同，通常来说桩位偏差不得大于5 mm；机身垂直度决定了成桩是否是竖直的，以此满足CFG桩的轴向传力特征[3]以及桩土共同作用，垂直度偏差必须小于1%。

1.1.2 钻孔进深控制

钻孔时钻孔深度必须达到设计深度，使桩端抵达持力层以获得足够的单桩承载力，或者通过设置一定的桩长保证桩身具备足够的侧面摩擦阻力，从而使桩身和桩间土共同受力[4]时的地基承载力达到设计要求。

1.1.3 泵送和拔管速度控制

泵送与拔管速度直接决定了桩身的完整性和连续性，当钻杆芯还未充满混合料时拔管(即拔管过快)容易导致成桩出现截断，拔桩过慢则会出现超灌或堵管现象，都不利于最后的成桩效果。

1.2 现存问题

(1)在设计到施工环节，设计信息参数通过二维图纸进行传递，其需要现场放样人员、工程技术人员、机械操作手的理解与协作，往往容易造成设计关键参数不明确、传递信息效率低、易出错等问题。

(2)在钻孔环节，桩基定位和钻孔工作由旁站观测人员和钻机操作手合作完成，桩基位置、桩基钻孔角度、钻孔深度等关键因素的控制完全由现场人员根据经验进行，难以控制钻孔精度与整体质量一致性。

(3)在成桩环节，各操作主要由人工完成，提钻和泵送混凝土配合不协调易造成断桩、堵管等问题，操作手的经验与水平成为成桩质量高低的决定因素，其成桩质量难以保障，成桩控制过程难以追溯。

(4)在施工协调过程中，混凝土现场用料受实际钻孔深度、实际灌入量影响，用料协调难以控制、易出现混凝土供应不及时，造成堵管现象，导致成桩质量不稳定。

2 基于BIM技术的思路创新

2016年四川天府国际机场地基处理[5]工程施工中，首次运用了强夯、碎石桩、CFG桩机械施工控制系统[6]，其工程质量得到显著提高。CFG桩机械施工控制系统中(图1)，由北斗/GNSS接收机、倾斜传感器等组成了系统三维空间定位模块，实时对桩机位置和倾斜度进行测量。由电流传感器、混凝土灌入量传感器组成了施工质量监测模块，为钻孔与成桩环节提供关键参数测量。由通讯设备、中央控制系统、显示终端构成系统反馈模块，将CFG桩施工状态直观地、实时地呈现给机械操作员，从而进行准确、即时地施工质量控制。

图1 CFG桩施工机械控制系统

随着近年来BIM技术的蓬勃发展，BIM模型的几何信息与非几何附加属性作为真实施工对象的数字化载体，其参数信息不仅可用于指导施工作业，也可用于施工过程与施工质量控制记录。本文依据BIM技术的特点，结合CFG桩机械化施工优势，基于BIM模型进行信息传递，记录完整的成桩过程和成桩质量，使CFG桩施工真正做到合理布局、精确实施和全程监控，以便于对成果进行汇总、分析与过程回溯。

3 BIM实施思路

3.1 设计

3.1.1 桩基设计

设计时，依据工程实际需求确定地基加固范围，分析建筑物场地地质勘探报告和建筑上部受力情况拟定布桩方式、桩径、桩长等参数。同时根据工程经验选用适合的桩基材料强度等级(材料配比信息在强度等级确定后提供)，然后用拟定的参数进行地基承载力和沉降试算[7]。其中设计为建模提供的信息主要包括：桩基范围、桩的方位、桩长、桩径、布桩方式、桩距以及混合料配比信息。

3.1.2 BIM建模和信息附加

在创建模型的过程中，根据测绘所提供的线路信息创建带桩号参数的线路模型(图2)。从设计图纸获取CFG地基加固里程段，加固范围形状、加固范围到线路的垂直距离等参数，并结合线路BIM模型计算地基加固范围在三维空间中的实际位置。确定加固范围位置后，在范围内根据设计图纸中的布桩方式，布桩间距等参数，从加固范围小里程开始计算，确定每根桩的空间位置。最后根据设计图纸中的桩径和桩长说明，创建CFG桩身几何模型(图3)。同时还可以导入地形、地质模型，通过地形、地质模型和桩身模型的空间位置关系进行桩长校核。

在生成CFG桩三维几何模型后，从设计图纸中获取桩编

图3 利用设计信息创建桩基模型

号规则、桩分区信息、混合填料配比信息(图4)，通过BIM附加信息插件完成对每根桩的自动编号及信息附加。其附加信息包含：桩号、标段、工区、工点、填料等。

图4 在模型中添加设计信息

3.1.3 设计-施工信息转换

在完成CFG桩的BIM模型后，根据施工区段实际进度需要，利用CFG桩BIM模型数据导出插件，将该区域CFG桩设计数据导出为CSV文件格式数据，输出信息包含桩号、定位坐标、设计顶高和设计桩长等。导出后，将CSV文件直接交付给施工方，供CFG桩机械控制系统使用，避免了识图工作可能引起的错误。

3.2 施工

3.2.1 导入BIM设计信息

施工方获取设计文件后，通过网络或U盘方式将设计文件导入桩机控制系统中，钻机操作员可直观地在系统操作界面上查看，了解工作区域与CFG桩分布情况。

3.2.2 桩机定位

桩基施工时(图5、图6)，CFG桩机械控制系统界面上会实时显示桩机位置、垂直度及设计CFG桩位置信息。操作员依据系统显示的引导信息，控制桩机向设计桩孔位置移动，并动态调整钻头位置以保证桩位偏差和垂直度偏差满足施工要求。

图5 施工现场

图6 操作系统界面

3.2.3 钻孔控制

钻孔时，通过北斗/GNSS接收机与电流传感器实时采集数据，将钻孔速度、钻孔深度、电机电流情况实施反映在操作界面上，操作人员依据设计桩长、钻孔深度及电机电流变化情况控制钻孔达到深度要求。

3.2.4 成桩控制

灌注和拔管时，系统主要采用北斗/GNSS接收机和灌入量传感器构成控制系统，系统根据当前桩径和混合料泵送量自动计算出合适的拔管速度范围。同时系统通过计算将实际拔管速度和混合料泵送量实时反映到操作界面上，操作人员通过界面信息控制拔管作业，避免拔管过快或者过慢而导致成桩质量出现问题。

3.2.5 现场监控与过程追溯

传统施工过程主要由施工方进行把控，过程信息在钻孔完成后难以复现。利用视频监控系统和传感器设备将现场作业信息远程传输给设计单位和业主方，各个参与方通过网络平台进行协同作业(图7)。当钻孔过程中遇到前方地质状况与设计信息不符的情况，设计人员根据实时监测信息进行设计调整，业主方则通过现场监控和钻孔反馈查看施工进度和施工质量。

图7 现场监控界面

施工作业完成后，如图8所示，基于设计信息和施工作业信息形成桩基施工质量报表，记录设计和成桩结果的对比信息，直观详细地反应每一根桩的方位误差、桩长误差和成桩质量等信息。BIM模型和质量报表具有各自的特点和用途，前者相当于真实工程的数字化映射，各阶段的详细信息都汇集在一个模型上可供专业人员进行数据分析和数据共享，后者承载了后期追溯时更关心的桩基质量信息并且便于查看。

图8 施工质量报表

3.3 质量反馈

待桩基施工并检测完成之后，将过程数据和检测数据一并添加到模型文件中(图9)，得到信息完备的施工BIM模型，施工信息包含实际桩长、用时、用料、成桩时间等，丰富信息的同时也便于后续检查。

将作业信息记录下来并形成文件可以便于后续的信息回查，作业人员不仅能在施工过程中查看各种参数，也可以随时查找成桩的质量信息，例如：桩号、深度、用料量、平均电流、持力层电流、成桩用时、成桩完成时间。

图9 在模型中添加施工信息

对比传统桩基施工流程，信息技术的引用具有明显的技术优势。一方面，信息传递更加高效、便捷和准确，减少了过程中由于人为原因可能造成的信息失真。另一方面，实现了桩基作业的精简化和精细化。人员上由多方配合转变为只靠钻机操作人员就可以独立完成钻孔工作；流程上将放样工作和钻机就位合并成一道工序；施工过程中对各项参数进行更加稳定的控制和记录。数字化钻孔成桩实现了严格的过程及质量控制，为粗放作业带来了精细化控制的可能。

4 结束语

通过分析CFG桩基施工质量控制关键因素和传统作业中存在的问题，构建了基于BIM技术和数字化桩机的思路框架。在施工前，以BIM模型为载体向施工作业传递设计信息；在施工过程中，利用物联网技术对成桩过程进行动态调整和记录；在成桩完成后，将过程和成果信息反馈到模型中。实现了BIM模型在整个生命周期中的迭代更新以及过程的可追溯，为其他工程作业的BIM技术应用提供了借鉴与启发。然而，由于实际地质情况复杂多变且地基处理目的具有多样性，成桩质量能否满足多种情况的要求有待进一步跟踪和评估，控制系统和实施流程也需要进一步进行完善。