一种基于BIM数据模型的超长桩基施工方法与流程

本发明属于建筑桩基施工，特别是涉及一种基于bim数据模型的超长桩基施工方法，适用于桩长超过80米的超长钻孔灌注桩施工。

背景技术：

1、随着现代基础设施建设的快速发展，超长桩基工程对施工精度与结构安全性的要求日益提高。传统混凝土灌注高度测量技术依赖人工操作，在超长桩基施工中暴露出显著缺陷：人为误差易导致夹泥、断层等质量问题，桩长增加更使误差累积放大，严重影响成桩质量；同时，受限于仪器精度不足，难以满足超长桩基对毫米级标高监测的需求，这些问题直接威胁桩基的承载力与工程安全。

2、因此，亟需一种融合bim数字孪生与智能监测技术的超长桩基施工方法，实现从钻进到成桩的全过程数字化闭环管控。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于bim数据模型的超长桩基施工方法，通过bim数字孪生与智能浮球监测的深度融合，实现超长桩基施工全过程的数字化闭环管控，解决了现有的仪器精度不足，难以满足超长桩基对毫米级标高监测的需求问题。

2、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明为一种基于bim数据模型的超长桩基施工方法，包括如下步骤：

4、采集勘察数据构建三维地质bim体模型并按土层体素化剖分，为各体素单元赋值物理力学与可钻性参数，建立桩位与地质模型坐标系映射关系，沿桩轴线遍历生成单桩地层剖面参数链；

5、根据地层剖面参数链提取各地层特征序列，以钻进速率最大化与偏斜风险最小化为双目标分段优化钻压、转速与泥浆比重参数，生成预优化钻进参数表并导入bim进行成孔模拟验证；

6、启动钻进实时监测倾斜数据，通过深度加权算法计算整体垂直度偏差，结合地层刚度自适应pid动态调整钻压与导向翼片实施闭环纠偏，重构实际成孔几何模型；

7、读取成孔几何模型，结合成孔参数与钻进数据构建多场耦合沉渣预测模型，逆向求解目标沉渣对应的清孔时间与循环参数，执行二次清孔作业至沉渣厚度满足设计阈值；

8、根据成孔几何参数与地层渗透系数，采用空间覆盖度算法优化浮球测点数量与平面布置，建立bim灌注数字孪生场景并进行灌注过程预演；

9、按优化布点安装智能浮球标高测量系统，通过浮力梯度变化自动识别三层介质界面判定混凝土标高，实测数据实时回传驱动bim模型同步更新，pid双变量协同控制导管埋深稳定在设计区间，实现灌注的闭环控制。

10、可选地，所述实施闭环纠偏的具体流程包括：

11、在钻杆顶部与中部导向节位置各布设一组双轴倾角传感器，分别监测两个不同深度截面的x向与y向倾斜角度；

12、采用深度加权算法计算桩孔整体垂直度偏差值与偏差方向，建立深度-偏差耦合关系；

13、根据x向和y向的等效倾角分量，合成计算偏差的空间方位角，量化评估当前成孔的偏斜程度；

14、读取当前钻井深度对应的地层压缩模量，根据地层软硬程度动态调整pid控制器的比例、积分、微分三项系数；

15、根据偏差方位角确定纠偏方向，将总钻压在圆周方向进行差动分配；根据偏差值与当前地层参数动态调整钻压分配与导向翼片角度，实施闭环纠偏。

16、可选地，所述深度加权算法计算整体垂直度偏差的具体方法包括：

17、将各倾角传感器采集的x向倾角数据和y向倾角数据按照钻进深度划分为多个监测段，获取各监测段的x向倾角、y向倾角、监测段中点深度及监测段高度；

18、根据各监测段中点深度确定对应的深度权重，深度权重与监测段中点深度正相关，使深部监测段的倾角数据具有高于浅部监测段的权重；

19、分别对各监测段的x向倾角数据和y向倾角数据进行深度加权融合，获得整体x向等效倾角和整体y向等效倾角，并根据整体x向等效倾角和整体y向等效倾角确定成孔的空间偏差量及偏差方向；

20、根据空间偏差量和当前总孔深确定桩底水平偏移量及垂直度偏差率，以表征桩孔相对于设计桩轴线的整体偏斜程度。

21、可选地，根据所述地层软硬程度动态调整pid控制器的比例、积分、微分三项系数的具体流程包括：

22、获取当前钻进深度，并从三维地质bim体模型的体素参数库中读取与当前钻进深度对应的地层压缩模量；

23、将地层压缩模量与预设参考地层压缩模量进行比较，根据地层压缩模量的变化确定当前地层的软硬程度，并按照预设的刚度影响关系对pid控制器的比例系数、积分系数和微分系数进行自适应调整，当前地层压缩模量相对于参考地层压缩模量发生变化时，pid控制器的各项控制系数相应修正；

24、将目标垂直度与当前实际垂直度之间的差值确定为垂直度控制偏差，并分别根据垂直度控制偏差、垂直度控制偏差的累积变化量以及垂直度控制偏差的变化趋势，生成比例控制量、积分控制量和微分控制量；

25、将比例控制量、积分控制量和微分控制量进行叠加，得到纠偏钻压调整量，并根据纠偏钻压调整量调节钻压分配及导向翼片的工作角度。

26、可选地，逆向求解目标沉渣对应的清孔时间与循环参数，执行二次清孔作业至沉渣厚度满足设计阈值，具体流程包括：

27、终孔后，采集最后钻进阶段的平均钻速、终孔泥浆黏度、泥浆比重、桩径与孔深数据，结合孔底地层的颗粒级配与粘粒含量参数，构建多因素耦合的沉渣厚度预测模型，计算得到初始沉渣厚度预测值；

28、以设计要求的目标沉渣厚度为输入，基于沉渣沉降与悬浮动力学模型，反演计算达到目标厚度所需的泥浆循环流量、反循环吸口负压与预计清孔时间三项关键参数，生成清孔作业初始参数方案；

29、根据清孔进度与孔内泥浆含砂率变化，分阶段调整泥浆循环流量与反循环压力；清孔初期采用大流量快速排渣，接近目标厚度时逐步减小流量，避免孔底紊流扰动造成沉渣反复悬浮；

30、按照优化参数启动反循环清孔系统，通过泥浆进出口密度差传感器与超声沉渣检测仪，实时采集孔内泥浆含砂率与孔底沉渣厚度数据，同步更新bim模型中的沉渣分布状态；

31、将实时监测的沉渣厚度与设计阈值持续比对，当连续多个采样周期均满足厚度要求且泥浆含砂率低于控制值时，判定清孔达标，自动停止清孔作业并输出清孔质量报告。

32、可选地，所述建立所述bim灌注数字孪生场景并进行灌注过程预演的具体流程，包括：

33、根据桩径大小与混凝土坍落度确定浮球基准监测半径，再结合桩周地层的侧向渗透系数与灌注高度占比进行修正，得到考虑地层渗滤效应的实际有效监测半径，作为布点优化的基础参数；

34、以桩孔截面全覆盖为目标、以浮球数量与设备成本为约束，建立空间覆盖度最大化的布点优化模型；采用智能优化算法求解最优测点数量与各浮球的平面坐标位置，在保证监测覆盖度的前提下最小化测点数量；

35、在bim平台中导入桩孔几何模型、导管布置模型与优化后的浮球测点位置，构建混凝土灌注数字孪生场景；

36、基于混凝土流变特性参数与预设灌注速率，进行桩孔内混凝土扩散与上升过程的数值仿真，模拟不同灌注高度下的混凝土面形态、导管埋深变化、浮浆层厚度分布与混凝土流速场分布；

37、提取仿真输出的导管埋深时程曲线、浮浆层空间分布与混凝土面平整度指标，与设计控制要求比对；调整灌注速率或导管提升节奏，重新进行仿真验证，迭代至方案最优后输出最终灌注施工参数表。

38、可选地，所述空间覆盖度最大化布点优化求解时，输入桩径、有效监测半径，建立圆形区域内的圆覆盖优化模型；采用模拟退火算法进行求解，初始随机生成n个测点位置，计算当前覆盖度与目标函数值；当随机移动某一测点位置时，若目标函数提升则接受新解，若下降则放弃该测点位置；直至温度衰减至设定值时停止迭代，输出当前最优布点方案；分别对不同测点数量重复求解，绘制覆盖度-数量曲线，结合成本权重确定经济最优的测点数量与对应坐标，将优化结果输出为各浮球的平面坐标表，指导现场安装定位。

39、可选地，所述浮球布点优化采用空间覆盖度最大化算法，具体包括：

40、根据单个浮球的基准监测半径、当前灌注高度、桩孔总长度以及桩周地层的侧向渗透系数，确定地层渗滤效应对浮球监测范围的影响程度，并对基准监测半径进行修正，获得单个浮球的有效监测半径；

41、以桩孔截面内被一个或多个浮球有效监测范围覆盖的区域面积占桩孔截面总面积的比例作为覆盖度评价指标，并将浮球数量对应的设备成本作为约束因素，建立兼顾监测覆盖度和设备数量的布点优化目标；

42、在桩孔截面范围内随机生成预设数量的浮球初始位置，计算当前布点方案的覆盖度及设备成本评价结果；

43、按照模拟退火算法对浮球位置进行迭代调整，当调整后的布点方案能够提高综合评价结果时接受该布点方案，当综合评价结果降低时，根据当前迭代温度和评价结果变化程度，以预设概率接受布点方案；

44、逐步降低迭代温度并重复进行浮球位置调整，直至达到预设停止条件，获得对应浮球数量下的最优布点方案；

45、分别针对不同的浮球数量进行布点优化，并比较各浮球数量对应的监测覆盖度和设备成本，在满足预设覆盖度要求的条件下确定经济最优的浮球数量及其平面坐标，输出浮球布点坐标表。

46、可选地，通过所述浮力梯度变化自动识别三层介质界面判定混凝土标高，控制导管埋深稳定在设计区间的具体施工步骤，包括：

47、按照布点位置安装各套智能浮球标高测量系统，下放浮球至孔内泥浆中；进行初始零点标定与自重校准，记录各浮球在泥浆中的初始拉力值，建立各测点的测量基准；

48、灌注过程中连续采集浮球拉力数据，计算拉力随深度的变化梯度；当拉力梯度出现突变且绝对值超过设定阈值时，判定浮球到达层位界面；根据拉力突变的幅度大小，区分泥浆层、浮浆层与混凝土层三层介质，锁定混凝土顶面的精确标高；

49、测量浮球下放绳长，通过卡尔曼滤波算法对数据进行融合滤波，同时引入钢丝绳温度漂移补偿，动态修正标高测量值，输出毫米级精度的实时标高数据；

50、将各测点的实时标高数据传输至bim数字孪生平台，采用二次曲面拟合算法重构全截面混凝土面形态，同步更新状态参数，驱动bim模型与现场施工同步演进；

51、根据bim模型实时计算的导管埋深值，以目标埋深区间中值为控制目标，通过pid控制器同时调节导管提升速度与混凝土灌注速率两个变量；埋深偏大时加快提管并减慢灌注，埋深偏小时减慢提管并加快灌注，双变量协同使导管埋深稳定控制在设计区间内；

52、实时监测各测点标高一致性、拉力异常波动与埋深变化速率，设置多级预警阈值；当检测到埋深骤降或标高差异异常等断桩风险信号时，自动触发应急控制程序，暂停提管并加大灌注量，恢复导管埋深至安全范围。

53、本发明具有以下有益效果：

54、本发明通过构建从多源异构bim地质建模、钻进参数预优化、深度加权垂直度纠偏、沉渣预测清孔优化、浮球布点优化与灌注预演到数字孪生闭环灌注控制的全流程bim数字孪生施工体系，将地质勘察数据、施工参数、实时监测数据与bim模型深度融合，各工序数据互通联动，解决了传统超长桩基施工各环节独立割裂、数据不流通、完全依赖人工经验判断的粗放式管控问题，显著提高了超长桩基施工全过程的数字化、智能化管控水平与多工序协同作业效率；

55、本发明通过引入深度加权积分垂直度计算方法，以深度平方反比的权重分配规则准确反映超长桩深部偏差的放大效应，并结合地层压缩模量自适应调整pid纠偏增益，软土层增大增益快速纠偏、硬土层减小增益稳定钻进，配合钻压差动分配与导向翼片双路径协同纠偏，解决了传统垂直度算法对超长桩深度放大效应考虑不足、纠偏参数无法随地层特性自适应调整的问题，有效提高了超长桩成孔垂直度的控制精度与穿越复杂地层时的纠偏效率。

56、本发明通过建立钻速、泥浆参数、地层颗粒特性多因素耦合的沉渣厚度预测模型，并基于沉渣指数衰减动力学模型反演清孔所需的流量、压力与时间参数，配合快速排渣、过渡减速、稳渣达标的三阶段动态流量控制策略以及厚度、含砂率、稳定性三条件联合达标判定机制，解决了传统清孔依赖经验固定参数、后期大流量紊流易造成沉渣反复悬浮、单次读数易出现假达标的问题，有效提高了清孔作业效率与桩端沉渣控制的稳定性、可靠性。

57、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。