一种密集桩群模拟沉桩施工方法

摘要

本发明公开了一种密集桩群模拟沉桩施工方法，包括步骤：S1、建立模型，为后续做碰撞检测提供真实依据；S2、整合模型，调整密集桩群、打桩船以及海床模型之间的相对位置关系；S3、密集桩群空间关系验证：通过软件对密集桩群进行空间关系验证；S4、最小桩间距分析，最终形成附带群桩相对位置、标高、尺寸信息的模型；S5、3D模型打印：通过3D打印技术打印步骤S4中所得到的模型，分别得到密集桩群、打桩船以及海床模型的3D打印模型；S6、沉桩顺序验证。本发明不仅解决了桩之间的碰撞问题，同时解决了打桩过程中船体与已沉桩的碰撞问题，可校核沉桩桩位准确度，并引入最小桩间距预警调整，能够更好的指导施工。

权利要求

1.一种密集桩群模拟沉桩施工方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立模型：结合桩位设计图、打桩船构造特征以及水下地形图分别在Revit软件中建立密集桩群、打桩船以及海床模型，同时建立密集桩群中的桩柱型号、尺寸以及位置信息，为后续做碰撞检测提供真实依据；

S2、整合模型：通过Revit软件将密集桩群、打桩船以及海床模型进行整合，并建立项目基点和测量点，调整密集桩群、打桩船以及海床模型之间的相对位置关系；

S3、密集桩群空间关系验证：通过navisworks软件对密集桩群进行空间关系验证，并提前检测群桩设计偏位情况；利用navisworks软件的碰撞检测功能进行密集桩群硬碰撞分析，当检测出有碰撞桩时，直接在Revit软件中同步修改更新，并生成调整角度、距离信息报告，结合沉桩桩位允许最大偏差值进行预警；

S4、最小桩间距分析：通过navisworks软件的测量工具中最短距离功能分析密集桩群桩体外边缘在空间位置上斜交的最小桩间距，分析施工工艺所需作业空间能否满足需求，如需调整可在Revit软件同步修改更新，并生成调整角度、距离信息报告，最终形成附带群桩相对位置、标高、尺寸信息的模型；

S5、3D模型打印：通过3D打印技术打印步骤S4中所得到的模型，分别得到密集桩群、打桩船以及海床模型的3D打印模型；

S6、沉桩顺序验证：利用3D打印模型验证沉桩顺序，包括打桩船的移动顺序以及抛锚位置验证，当出现打桩船无法移动或者没有空间进行抛锚时，重新调整已沉桩顺序，如反复调整沉桩顺序仍存在碰撞现状，则重新修订桩位设计图，直至完成沉桩顺序模拟。

2.根据权利要求1所述的密集桩群模拟沉桩施工方法，其特征在于：步骤S5中，海床模型中预留有桩位孔洞，以便桩柱插入。

3.根据权利要求1所述的密集桩群模拟沉桩施工方法，其特征在于：步骤S6中，打桩船上设置有GPS定位装置。

4.根据权利要求3所述的密集桩群模拟沉桩施工方法，其特征在于：所述打桩船包括竖向支撑杆、桩套、水平刻度盘以及垂直刻度盘，所述打桩船的船体与所述竖向支撑杆竖直滑动连接，所述竖向支撑杆上设有用于模拟吃水深度的第一刻度尺，竖向支撑杆上部设有横向支撑杆，横向支撑杆上设有用于确定船舶位置的第二刻度尺，所述桩套用于套装桩模型且转动设置在所述打桩船上，所述垂直刻度盘的转动中心与所述桩套的转动中心设置成重合，所述水平刻度盘设置在所述竖向支撑杆上。

说明书

一种密集桩群模拟沉桩施工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及沉桩施工技术领域，特别涉及一种密集桩群模拟沉桩施工方法。

背景技术

[0002] 港口工程高桩码头施工，在密集桩群施工时，经常出现碰桩无法施工，或桩群过于密集，打桩船船体或抛锚位置与已施工桩基碰撞，导致无法进入打桩位，无法完成密集桩群
的沉桩作业。因此，对于密集桩群施工，需要提前进行沉桩碰撞模拟和施工流程模拟。

[0003] 由于桩最小间距计算公式复杂，计算量大，现在密集桩群桩基碰撞主要采用模拟检测，如早期利用沙盘模拟，或利用BIM技术三维建模发现碰桩现象。

[0004] 沙盘模拟虽然能模拟沉桩施工，但是由于沙盘模拟精度低，沉桩模拟采用简易沉桩定位器模拟沉桩，受人为干扰大，精度有限，且在沉桩过程中因为桩偏位无法及时准确进
行调整；BIM技术三维建模主要为设计单位及施工单位进行桩位三维模拟避免桩基碰撞，但
对打桩船是否能够进入打桩位施工，无法提供具体指导。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种密集桩群模拟沉桩施工方法，以解决打桩过程中桩基碰撞、打桩船无法进入打桩位及沉桩过程中因
为沉桩偏位导致后续桩基碰撞的难题。

[0006] 本发明所采用的技术方案是：一种密集桩群模拟沉桩施工方法，包括如下步骤：

[0007] S1、建立模型：结合桩位设计图、打桩船构造特征以及水下地形图分别在软件中建立密集桩群、打桩船以及海床模型，同时建立密集桩群中的桩柱型号、尺寸以及位置信息，
为后续做碰撞检测提供真实依据；

[0008] S2、整合模型：通过软件将密集桩群、打桩船以及海床模型进行整合，并建立项目基点和测量点，调整密集桩群、打桩船以及海床模型之间的相对位置关系；

[0009] S3、密集桩群空间关系验证：通过软件对密集桩群进行空间关系验证，并提前检测群桩设计偏位情况；利用软件的碰撞检测功能进行密集桩群硬碰撞分析，当检测出有碰撞
桩时，直接在软件中同步修改更新，并生成调整角度、距离信息报告，结合沉桩桩位允许最
大偏差值进行预警；

[0010] S4、最小桩间距分析：通过软件的测量工具中最短距离功能分析密集桩群桩体外边缘在空间位置上斜交的最小桩间距，分析施工工艺所需作业空间能否满足需求，如需调
整可在软件同步修改更新，并生成调整角度、距离信息报告，最终形成附带群桩相对位置、
标高、尺寸信息的模型；

[0011] S5、3D模型打印：通过3D打印技术打印步骤S4中所得到的模型，分别得到密集桩群、打桩船以及海床模型的3D打印模型；

[0012] S6、沉桩顺序验证：利用3D打印模型验证沉桩顺序，包括打桩船的移动顺序以及抛锚位置验证，当出现打桩船无法移动或者没有空间进行抛锚时，重新调整已沉桩顺序，如反
复调整沉桩顺序仍存在碰撞现状，则重新修订桩位设计图，直至完成沉桩顺序模拟。

[0013] 进一步地，步骤S5中，海床模型中预留有桩位孔洞，以便桩柱插入。

[0014] 进一步地，步骤S6中，打桩船上设置有GPS定位装置。

[0015] 进一步地，所述打桩船包括竖向支撑杆、桩套、水平刻度盘以及垂直刻度盘，所述打桩船的船体与所述竖向支撑杆竖直滑动连接，所述竖向支撑杆上设有用于模拟吃水深度
的第一刻度尺，竖向支撑杆上部设有横向支撑杆，横向支撑杆上设有用于确定船舶位置的
第二刻度尺，所述桩套用于套装桩模型且转动设置在所述打桩船上，所述垂直刻度盘的转
动中心与所述桩套的转动中心设置成重合，所述水平刻度盘设置在所述竖向支撑杆上。

[0016] 有益效果：本发明中，通过建立码头群桩模型进行三维空间验证、沉桩偏位容许最大误差分析、3D打印配合实景模拟二次验证、模拟插打桩基确定船舶坐标及抛锚，更为直
观、准确的进行桩位及工序动态调整。相比沙盘模拟，大大降低了人工干扰因素，精度更高，
同时引入BIM计算最小桩间距进行预警纠偏。相比BIM技术三维建模，更为直观，不仅解决了
桩之间的碰撞问题，同时解决了打桩过程中船体与已沉桩的碰撞问题，可校核沉桩桩位准
确度，并引入最小桩间距预警调整，能够更好的指导施工。

附图说明

[0017] 下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明：

[0018] 图1为本发明实施例一种密集桩群模拟沉桩施工方法的步骤流程图；

[0019] 图2为打桩船的结构示意图。

具体实施方式

[0020] 本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的
每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

[0021] 在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简
化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和
操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0022] 在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、
第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所
指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

[0023] 本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体
含义。

[0024] 参照图1和图2，本发明提供一种密集桩群模拟沉桩施工方法，包括如下步骤：

[0025] S1、建立模型：结合桩位设计图、打桩船构造特征以及水下地形图分别在软件中建立密集桩群、打桩船以及海床模型，同时建立密集桩群中的桩柱型号、尺寸以及位置信息，
为后续做碰撞检测提供真实依据；

[0026] S2、整合模型：通过软件将密集桩群、打桩船以及海床模型进行整合，并建立项目基点和测量点，调整密集桩群、打桩船以及海床模型之间的相对位置关系；

[0027] S3、密集桩群空间关系验证：通过软件对密集桩群进行空间关系验证，并提前检测群桩设计偏位情况；利用软件的碰撞检测功能进行密集桩群硬碰撞分析，当检测出有碰撞
桩时，直接在软件中同步修改更新，并生成调整角度、距离信息报告，结合沉桩桩位允许最
大偏差值进行预警；

[0028] S4、最小桩间距分析：通过软件的测量工具中最短距离功能分析密集桩群桩体外边缘在空间位置上斜交的最小桩间距，分析施工工艺所需作业空间能否满足需求，如需调
整可在软件同步修改更新，并生成调整角度、距离信息报告，最终形成附带群桩相对位置、
标高、尺寸信息的模型；

[0029] S5、3D模型打印：通过3D打印技术打印步骤S4中所得到的模型，分别得到密集桩群、打桩船以及海床模型的3D打印模型；

[0030] S6、沉桩顺序验证：利用3D打印模型验证沉桩顺序，包括打桩船的移动顺序以及抛锚位置验证，当出现打桩船无法移动或者没有空间进行抛锚时，重新调整已沉桩顺序，如反
复调整沉桩顺序仍存在碰撞现状，则重新修订桩位设计图，直至完成沉桩顺序模拟。

[0031] 本发明的目的主要为解决打桩过程中桩基碰撞、打桩船无法进入打桩位及沉桩过程中因为沉桩偏位导致后续桩基碰撞难题。通过建立码头群桩模型进行三维空间验证、沉
桩偏位容许最大误差分析、3D打印配合实景模拟二次验证、模拟插打桩基确定船舶坐标及
抛锚，更为直观、准确的进行桩位及工序动态调整。相比沙盘模拟，大大降低了人工干扰因
素，精度更高，同时引入BIM计算最小桩间距进行预警纠偏。相比BIM技术三维建模，更为直
观，不仅解决了桩之间的碰撞问题，同时解决了打桩过程中船体100与已沉桩的碰撞问题，
可校核沉桩桩位准确度，并引入最小桩间距预警调整，能够更好的指导施工。

[0032] 进一步地，步骤S5中，海床模型中预留有桩位孔洞，以便桩柱插入。

[0033] 进一步地，步骤S6中，打桩船上设置有GPS定位装置。

[0034] 进一步地，打桩船包括竖向支撑杆110、桩套130、水平刻度盘150以及垂直刻度盘140，打桩船的船体100与竖向支撑杆110竖直滑动连接，竖向支撑杆110上设有用于模拟吃
水深度的第一刻度尺，竖向支撑杆110上部设有横向支撑杆，横向支撑杆上设有用于确定船
舶位置的第二刻度尺，桩套130用于套装桩模型且转动设置在打桩船上，垂直刻度盘140的
转动中心与桩套130的转动中心设置成重合，水平刻度盘150设置在竖向支撑杆110上。

[0035] 具体地实施例中，本发明一种基于BIM的码头密集斜钢管群桩模拟沉桩施工方法，是通过建立码头群桩BIM模型进行三维空间验证、沉桩偏位容许最大误差分析、3D打印配合
实景模拟二次验证、模拟插打桩基确定船舶坐标及抛锚，更为直观、准确的进行桩位及工序
动态调整。具体实施步骤如下：

[0036] 1、通过Revit、tekla、civil 3D多源软件结合码头桩位设计图、打桩船主要构造特征、水下地形图分别建立码头密集群桩、打桩船设备及海床模型，模型比例按设计1：1建立，
且包括群桩型号、尺寸、位置信息，为后续做软、硬碰撞碰撞检测提供真实依据。

[0037] 2、将各软件源建立的模型通过Revit进行整合，通过在Revit模型中建立项目基点和测量点的方式，调整各软件模型相对位置关系，并调整材质信息、模型几何信息与设计保
持一致。

[0038] 3、将调整后的模型导入navisworks软件，进行群桩空间关系验证，并提前检测群桩设计偏位情况；并利用navisworks软件碰撞检测功能协同Revit软件进行密集斜桩桩群
硬碰撞分析，检测出有碰撞桩便直接在Revit软件同步修改更新，并生成调整角度、距离信
息报告。结合沉桩桩位允许最大偏差值，进行预警。

[0039] 4、使用navisworks软件中测量工具中最短距离功能分析密集斜桩桩群桩体外边缘在空间位置上斜交的最小桩间距，分析施工工艺所需作业空间能否满足需求，如需调整
可在Revit软件同步修改更新，并生成调整角度、距离信息报告，最终形成附带群桩相对位
置、标高、尺寸信息的模型。

[0040] 5、转化整合模型，导出FBX格式文件，转入SLA光敏3D打印机软件进行模型构件打印，分别打印出海床地质、桩、打桩船实体构件，打印比例设为1：100，精度为0.025mm，其中
海床模型已预留调整后的桩位孔洞，方便沉桩工艺实体验证。

[0041] 6、用普通钢板板材焊接出一个长×宽×高与3D模型相对应的铁盒，其顶部开口；铁盒四周顶部位置及竖向位置分别粘贴带有刻度的刻度尺，刻度尺对应现场实际比例也为
1:100(根据实际情况制定)。根据坐标系转换，将铁盒上具体位置转换，与现场实际坐标相
对应，铁盒上模型的坐标点可直接转换成现场具体坐标点。

[0042] 7、制作打桩船定位器，确定沉桩时具体打桩船位置。打桩船按照1:100比例制作打桩船模型，在打桩船模型中部具体点位(对应实际打桩船可安放GPS定位装置位置)制作竖
向支撑杆110，竖向撑杆上贴有第一刻度尺，以模拟不同水深船舶吃水。具体地，船体100上
设置有螺母120，竖向支撑杆110的外周设置有外螺纹，竖向支撑杆110通过螺纹连接的方式
与船体100安装，进而实现船体100的竖向位置调节。竖向支撑杆110上部设有横向支撑杆，
具体地通过在竖向支撑杆110的顶部设置有供横向支撑杆穿过的穿孔，进而实现横向支撑
杆的固定安装。横向支撑上贴有第二刻度尺且搁置在铁盒上，进而通过第二刻度尺确定船
舶的位置。打桩船模型上设有水平刻度盘150和垂直刻度盘140，水平刻度盘150和垂直刻度
盘140分别与桩的转角、斜率应相对应，以确保模拟沉桩的准确性。将桩模型放入打桩船模
型的桩套130内并适当夹紧。进行坐标换算后按照刻度移动竖向支撑杆110上的模拟船型，
模拟船舶吃水。移动横向支撑杆，当桩进入预留桩孔附近后松开桩套130上的夹子使桩模型
滑入桩位孔洞。移动过程中检查船体100是否与已沉桩碰撞，如未碰撞，且便于抛锚，记录该
桩号及打桩船位置。拔出该船位沉桩模型，移出打桩船模型，再重新将该桩模型插入该桩
位。打桩船位置通过坐标系转换为施工坐标，利用GPS作为现场施工沉桩定位的校核数据。
如发生与已沉桩碰撞或影响船舶移位或影响抛锚，则重新调整已沉桩顺序。如反复调整顺
序仍存在碰撞现状，则沟通设计重新修订已沉桩位。

[0043] 8、沉桩作业过程中实时记录已沉桩信息，并导入navisworks软件中与已输入的设计桩位信息进行对比；在软件中设定好偏差界限，如实际沉桩信息符合设计偏位限值，则桩
体显示绿色，如超过限值显示为红色，直观反馈沉桩形态，并动态更新偏位信息，实时指导
打桩船对后沉桩施工进行微调，以保证施工质量。

[0044] 以下为本发明申请相较于现有技术的优点：

[0045] 1、利用navisworks分析密集斜桩桩群桩体斜交的最小桩间距，分析施工工艺容许作业空间能否满足需求，相比原始极其复杂的手工计算，此种方法更为迅速，可选取所需桩
体模型直接判断。

[0046] 2、制作预留桩位孔洞的实体3D打印模型，缩小比例还原施工现场，模拟验证钢管桩实际沉桩过程，预估作业过程的工序安排合理性及作业受周边环境影响，提前防范施工
风险，相比传统方式的诸多不确定性，在确定沉桩顺序及沉桩移船路径上优势明显；且相比
一般缩尺，3D打印有模型依托，模型制作更便捷，只需2天即可成型，且实体模型精度更为精
确，更有利于对工序安排、作业方式的判断。

[0047] 3、打桩船模型的设计，能精确模拟沉桩角度、斜率，并精确模拟船舶吃水。

[0048] 4、打桩船模型的精确定位，通过坐标系转换换算，利用GPS作为现场施工沉桩定位的校核数据。

[0049] 5、BIM技术的应用，录入各已沉桩参数，颜色分明的界定沉桩状态，沉桩过程中实时跟踪每根钢管桩实际桩位，及时纠偏，实时指导打桩船对后沉桩施工进行微调，以信息化
手段为后期实际钢管桩沉桩提供了更多安全保障。

[0050] 上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前
提下作出各种变化。