建筑技术丨基于Dynamo和Civil 3D协同应用提升桩基施工效益研究

1 工程概况及存在问题

1.1 工程概况

广东省某TOD项目占地面积20万m²，5条轨道线路纵穿用地，包含9栋超高层及1座商业中心，地下室共6层，深度约30 m。项目桩基工程设计共有工程桩和围护桩2 112根，平均深度60 m，桩径类型包含1 m、1.2 m、2 m和2.2 m，混凝土为C40，采用旋挖钻机施工，泥浆护壁成孔。

1.2 桩基施工存在问题

（1）复杂地质条件下成桩效率低。本项目位于滨海湾区，地质为滨海相潮间带，桩基施工范围内包含13种不同性状地层，曾进行大规模填海造地，填筑厚度约10 m，填海造地填筑层内含杂填土和石头等多性状地质；淤泥质土普遍分布，厚度为6~14 m，呈流塑状；砂层厚度为1~5 m；桩基入岩的岩层强度约50 MPa。复杂的地质条件严重影响成桩效率。

（2）超深桩孔成孔难度大。桩基约60~70 m，整体成孔时间较久，容易引发桩孔其他质量风险。面对不同的地质性状，桩基钻孔过程中，难以及时准确地调整施工参数，易发生缩孔、塌孔等情况，桩基终孔岩层强度大、成孔效率低。

（3）桩基入岩判定难度大。桩基入岩基面起伏大，呈沟壑式，桩基设计要求全断面入微风化岩不低于0.5 m，且不低于0.4倍桩径，少部分桩基在沟壑式岩基面入岩钻孔达到8 m，因此桩基的入岩深度各不相同，准确判定入岩深度难度大。

（4）桩基施工效益流失大。基于复杂的地质及桩长的不确定性，使钢筋笼与桩孔匹配难度加大，造成钢筋笼材料浪费；混凝土施工计划上报不准确，桩基补方尾料难以预估准确，混凝土计价存在较大亏损风险，导致桩基施工效益流失极大。

2 主要研究方法

2.1 技术流程

通过Dynamo参数化快速创建桩基模型，Civil 3D创建地质模型，将模型整合后，获得不同地质层的高程数据。在桩基钻孔过程中，根据桩基钻孔施工穿越不同性状地质层，调整匹配的施工参数，保证成孔质量。同时批量判定桩基入岩深度，确定桩长，基于桩长提前预制钢筋笼，提前上报混凝土施工计划，实现混凝土准确结算。技术流程如图1所示。

图1 技术流程

2.2 Dynamo桩基建模

由于桩基入岩基面起伏不定，每根桩基都需要根据最终的入岩深度确定最终桩长，因此常规的桩基建模方法不适用于大批量的桩长修改情况。Dynamo参数化建模，在快速创建模型、批量修改参数的应用上具有显著的优势。

2.2.1 创建桩基模型

（1）通过设置标准表格.xlsx文件，并将各桩基的技术参数填写完整，参数包含x坐标、y坐标、桩顶高程、桩长度、桩直径、桩编号、桩类型及结构材质，也可根据施工需要另外再增加其他参数。

（2）创建一个包含.xlsx文件中桩基所有参数的参数化桩基族。

（3）编制Dynamo桩基建模程序，通过.xlsx文件获取桩基参数，驱动桩基族，按照各桩基参数批量创建桩基模型。

2.2.2 桩基建模注意事项

（1）桩基.xlsx文件也可使用.csv文件，但是在Dynamo程序中要将节点Data.ImprortExcel替换成Data.ImprortCSV。

（2）在程序中各长度单位要保持一致，一般易错点是m和mm的单位换算。

（3）一般桩基坐标是从CAD设计图纸中提取，本研究采用的方法是在CAD中使用多线段将各桩基中点按照桩基编号顺序连接起来，并应用List命令获取所有按桩基编号排序的桩基坐标，List命令结果中的x/y坐标与CAD显示的坐标及实际中的坐标，x/y是相反的，但是与Dynamo中的x/y坐标是一致的，因此List命令结果中的x/y坐标可以直接复制进桩基.xlsx文件的x/y对应位置，无需进行变换。

（4）原桩基x/y坐标为较大的数据，如果将原数据带入Dynamo中，距离原点较大，不利于后续模型整合，因此需要对原x/y坐标进行整体变换，使整体桩基模型位于原点附近，变换方法为基于图像的平移原理，即将[x，y]平移到[x+x₀，y+y₀]。

2.3 Civil 3D地质建模

应用Civil 3D创建地质模型，可通过多次采用“内插法”更新模型，使三角形曲面越趋平滑，最终生成一个和实际接近的地质层曲面模型，能客观地反映现场实际地质情况。

2.3.1 创建地质模型

本研究通过比较主流的地质模型创建软件，最终选择应用Civil 3D进行地质建模，其主要的优点是建模流程简洁，软件操作简单，地层曲面平滑准确。

（1）通过设置标准表格.csv文件，并将各地勘孔地层参数填写完整，每种地质层单独一个.csv文件，参数包含勘探孔号、x坐标、y坐标、地质高程。

（2）在Civil 3D中，通过导入各地质层.csv文件，生成各地质层三角网曲面。

（3）在Civil 3D中，通过各地质层三角网曲面连接，多次采用“内插法”更新模型，使三角形曲面越趋平滑，并生成完整的地质层实体，最后导出转到Revit中。

2.3.2 地质建模注意事项

（1）在.csv文件中，每个勘探孔包含整个地块内所有的地质层，地质层按照高程从上至下进行排序，有的勘探孔缺少部分地质层，需要使用上一层地质的高程，不允许缺少。

（2）钻孔柱状图中的x/y坐标与CAD显示的坐标及实际中的坐标，x/y是相反的，但是与Civil 3D中的x/y坐标是一致的，因此钻孔柱状图中的x/y坐标可以直接复制进.csv文件的x/y对应位置中，无需进行变换。

（3）Civil 3D中的地质模型通过转成.Ifc文件，再导入Revit软件中，用于后续模型整合。

2.4 模型整合及桩长判定

基于桩基模型与地质模型整合，进行碰撞检查，通过设置程序获取桩基与岩基面接触点、全断面入岩起点、全断面入岩终点的3个碰撞标高参数，从而获取桩基入岩钻孔深度，批量判定桩基长度。

2.4.1 获取各地质层高程

在Revit中将地质模型与桩基模型进行整合后，将模型导入Naviswoks中进行碰撞检测，并将碰撞检测报告带ID值导出为.html文件，使用Excel软件转成.xlsx文件，对碰撞点进行分列处理，获取桩基与岩基面接触点、全断面入岩起点、全断面入岩终点以及与各其他地质层的碰撞高程。

2.4.2 获取桩基修正长度

在.xlsx文件中，基于桩基与岩基面接触点高程、桩基全断面入岩起点高程、全断面入岩终点高程，结合桩基全断面入岩设计要求，编制计算公式，最终获取桩基入岩总深度、桩基全断面入岩深度和桩基修正长度。

2.4.3 获取桩基修正模型

基于桩基修正长度，更新桩基.xlsx文件，并重新导入Dynamo中更新模型，批量修改桩基参数，获取桩基修正模型。桩基修正模型是基于桩基入岩实际深度，调整实际桩长后的模型，要求全断面入微风化岩不低于0.5 m，且不低于0.4倍桩径。

2.5 提前匹配钻孔施工参数

基于桩基模型和地质模型整合，获取桩基穿越不同地质层的高程及厚度，并基于不同的地质层，提前设置合理的钻孔施工参数，包括三大泥浆指标、旋挖机钻速和钻头压力等。同时每根桩输出“桩基+地质”三维剖面图，辅助旋挖钻机司机，及时调整机械姿态。

2.6 整桩钢筋笼预制

桩基钢筋笼制作分为标准段和调节段，常用如下两种方法。

（1）标准段钢筋笼提前制作，调节段为顶笼，待桩基成孔后，在清孔过程中制作调节段，此方法钢筋笼制作进度受制于调节段的长度，如果调节段较长，那么容易造成桩孔放置时间长，易发生塌孔的情况。此方法适用于桩基数量少，且入岩基面标高较为稳定的情况。

（2）标准段钢筋笼提前制作，调节段为底笼，提前以0.5 m或更小的模数单位批量制作钢筋笼底笼，最终结合标准段匹配桩长，此方法适用于大批量的桩基施工，但会对钢筋造成一定的浪费。

本研究基于桩长批量判定确定桩长，将钢筋笼标准段与调节段同时提前预制，规避了两种常规方法制作钢筋笼带来的风险。

3 研究结论

3.1 桩长修正效益分析

选用T1基坑桩基作为研究样本，各类型桩基共488根，1.2 m桩径414根，2.2 m桩径24根，2 m桩径50根。总计修正桩长对比设计桩长增加了344 m，平均增加0.75 m。总计全断面入岩深度440 m。总计总入岩深度833 m，平均总入岩深度1.8 m。

基于桩基修正模型及数据统计得出，位于平坦岩基面的桩基修正桩长对比设计桩长变化微小；位于沟壑区域，岩基面坡度越大，桩基修正桩长对比设计桩长变化越大。

3.2 钢筋笼预制效益分析

选用T1基坑桩径为1.2 m的414根桩基作为研究样本，通过对钢筋笼调节段的制作方法效益进行对比分析。本项目机械加工一节12 m标准钢筋笼需要50~60 min，人工加工一节12 m标准钢筋笼约5 h，1 h人工加工钢筋笼约2.5 m，第1次清孔约50 min。本项目采用整笼预制方法施工，避免了钢筋浪费和成桩效率下降。

3.3 混凝土施工效益分析

选用T1基坑桩基作为研究样本，各类型桩基共488根。设计混凝土总量46 268 m³，修正混凝土总量46 741 m³，修正后比设计混凝土量多473 m³，按照本地区桩基水下C 40混凝土600元/m³价格计算，价值28.38万元。

4 结束语

基于Dynamo和Civil 3D协同建模应用，获取桩基各地质层高程参数、入岩深度及桩基修正长度，并基于此技术参数开展各项正向收益的应用，在工期、质量、经济上都有明显的收益。基于桩长的修正，可以避免由于桩长变化带来的亏损风险，对商务测算和计价具有极大的价值。Dynamo参数化建模在桩基等大批量构建类型的创建中具有显著的优势，实现模型一键修改更新，方便快捷。

试桩工作非常重要，通过应用BIM模型获取不同地质层的泥浆三大指标、旋挖机转速和钻压的选取范围，为后续的桩基工程正式批量施工提供试验数据。基于地质分布差异化，在进行桩基施工时，要严格参照试验桩施工方法，不断修正桩基施工技术参数。