基于BIM和遺傳算法的樁遇溶洞處理方案優化研究

唐云輝

摘要：針對樁基施工中的溶洞處理問題，文章基于BIM和遺傳算法提出一種溶洞處理方案優化方法?？紤]地質信息和樁遇溶洞數據提取困難，決策者對決策方案影響因素考慮不足、方案比選的主觀意識較強等問題，利用BIM技術提取與影響因素相關的地質基礎數據，以方案適應度和成本為值目標，采用遺傳算法進行優化，并以廣西崇寧市某樁基施工中的溶洞處理為例進行驗證，結果表明：本方法求解速度快、對比其他方法優化效果明顯，能滿足工程實際需要，可為樁遇溶洞處理方案優化提供新的思路，一定程度上降低施工單位成本。

關鍵詞：溶洞處理；BIM；遺傳算法；數據提??；方案優化

中圖分類號：U456.3+3 A 43 142 3

0 引言

溶洞處理問題作為樁基施工中的難題，一直備受學者關注。工程一般追求以可行的技術獲取更高的經濟效果，實現這一效果需要通過確定目標、提出方案、方案決策、方案實施整套過程來體現。

目前，樁遇溶洞處理問題主要集中在方案實施階段，忽略了前期工作的重要性，如Carter等［1］在地基中布置微型樁和灌漿空隙來解決巖溶地區建筑沉降問題；Seltzer等［2］針對巖溶地基缺陷，以現澆樁、微樁代替傳統石柱樁解決方案；孫瑞甲等［3］針對超大型溶洞區樁基施工，提出雙液漿和袖閥管注漿結合的處理方案以加快施工進度；范寶林［4］針對巖溶區樁基成孔易漏漿坍塌問題，提出如片石黏土回填法等諸多處理方案。溶洞處理方案在一定程度上可以提高經濟效益，但要想獲得高效提升，需將工作重心轉向前期工作，尤其是方案決策階段。但地質信息處理時效性和精確性差、決策方案影響因素考慮不足、方案比選主觀性強等問題都在影響方案決策，BIM技術和遺傳算法幫助緩解了這些問題。BIM技術可以有效實現樁基仿真并提取地質數據，但目前較少應用在樁遇溶洞處理上。如江炳衫等［5］基于BIM技術構建三維地質模型，并對溶洞體積評估，為方案選擇提供基礎；彭媛等［6］基于BIM技術，在充分了解地質條件下，提出了新型溶洞處理和樁基注漿施工技術。遺傳算法在工程領域得到了廣泛應用，其在方案決策優選方面具有一定的優勢。如程灝等［7］針對隧道襯砌結構全壽命周期維修決策問題，基于遺傳算法實現了隧道施工的經濟性和安全性。

結合以上分析，采用BIM數據實現地質信息的有效提取和分析，在充分考慮方案決策影響因素的基礎上，基于遺傳算法實現樁遇溶洞方案決策優選，可以提升溶洞的處理效率并減少成本投入。本文以廣西崇寧市某樁基工程為例，來驗證該方法的有效性。

1 溶洞處理方案決策影響因素及方案分析

1.1 方案決策影響因素分析

基于已有的成熟研究，采用主客觀相結合的扎根理論進行溶洞處理方案影響因素識別［8］。方案決策影響因素指標可以劃分為成本因素和工況因素，其中，成本因素細分為材料價格和材料消耗量；工況因素則細分為溶洞形態、規模、高度、豎向分層、埋深、填充情況、填充物性質、巖溶類型、所處特殊環境因素。

1.2 常見溶洞處理方案

常見的溶洞處理方案有“黏土與片石拋填法”“鋼護筒跟進法”“雙液漿法”“混凝土灌注法”“高壓旋噴樁法”“水泥砂漿填充法”等。針對不同施工情況，應因地制宜采取不同的處理方案。實際施工中，考慮到方案適用性和經濟性，一般會準備三、四種方案，因為不同方案的施工工藝與設備投入情況不同，成本和管理難度也有所不同。

1.3 處理方案成本分析

成本主要與綜合單價及消耗量有關。不同方案的綜合單價不同，綜合單價通常由人工費、材料費、設備費、管理費、利潤等共同構成，黏土與片石拋填法、高壓旋噴樁法造價較低，其他如鋼護筒跟進法、混凝土灌注法等工程造價較為接近，相對較高。此外，不同方案的材料消耗量與溶洞的工況因素密切相關，且影響因素各異，如黏土與片石拋填法的消耗量主要與溶洞形態有關，鋼護筒跟進法主要與溶洞位置有關。

為體現各方案的可比性，以綜合單價與工藝消耗量的乘積作為最終成本。本文統一使用廣西建筑裝飾裝修工程消耗量定額和增值稅的計稅方式，采用廣聯達云計價軟件計算不同方案的最終成本。

1.4 處理方案功能性分析

方案的功能性分析即方案適應性分析，不同方案的重要性以及便捷性存在區別。如混凝土灌注法具備抵抗巖溶類型和溶洞底部具備斜巖等特殊環境的能力，因而通過重要性功能系數Ixy來區分各工況對方案的影響程度。不同方案的便捷性不同，通常是采用多個實際溶洞數據，通過n個專家打分［9］，以專家打分平均值Fxy/n的形式來判斷方案對應工況的便捷性。

不同方案的功能性不同，為使評價結果直觀，以方案重要性和便捷性加權來量化方案，方案功能加權得分為該方案在各工況下的重要性系數得分與便捷性得分與其相應權值的乘積之和。

2 基于BIM和遺傳算法的決策優化模型

BIM技術和遺傳算法有助于優化樁遇溶洞方案決策，因此構建基于BIM和遺傳算法的決策優化模型。

2.1 目標函數的確定

遺傳算法通過模擬生物進化的過程，按照一定的規則，經過選擇、交叉、變異來確定最優的生存者，其最重要的問題之一是目標函數的確定，即個體對環境的適應能力。樁遇溶洞問題的決策者希望選出既能考慮適應性又能降低施工成本的方案，其可以描述為每個溶洞選到最合適的方案時成本最低，為此構建目標函數f（x）見式（1）：

f（x）=F/C（1）

式中：F——某組合方案的功能性指數；

C——方案成本指數；

x——不同工況下對可用方案的選擇。

2.2 基于BIM的數據提取

溶洞處理方案組合優化關鍵在于對施工工況的識別，因而各溶洞施工工況數據的有效提取、提取的高頻率性和準確性成為關鍵。進行數據提取前需要準備地質三維模型、樁基三維模型、方案影響因素匯總表、方案成本表等基礎資料?；贐IM技術的數據提取出如下步驟：

（1）輸入地質和樁基模型至BIM中，并輸入基礎數據。

（2）模型編碼，并判斷樁遇溶洞情況。

（3）識別溶洞位置并按標高進行編號，同時應先處理底層溶洞。

（4）按標號過濾未與溶洞發生交集的樁基。

（5）利用Dynamo軟件識別地質和樁基信息，計算各方案綜合成本。

（6）重復步驟（4）～（5），直到所有溶洞分析完畢。

（7）輸出所有溶洞適用方案的成本、工況，進行專家評分。

（8）將上述成本信息、功能性信息傳入遺傳算法，獲取最優方案組合。

2.3 基于遺傳算法的決策優化

遺傳算法作為工程領域應用較成熟的啟發式算法，面對非線性問題，具有并行性強、收斂速度快、魯棒性強的特點。溶洞方案優選問題為經典非連續函數問題，其更看重全局搜索能力，而二進制編碼可以提升精度，且編解碼更簡單。在進行遺傳優化前，需準備相關資料并設置參數。所需數據包含各溶洞可用方案表、溶洞影響因素及對各可選方案影響權重、各工況下不同方案成本；參數設置包含種群規模、交叉概率、變異概率、迭代次數等。數據準備完畢后，將其代入算法即可得到最終溶洞處理方案，算法流程見圖1。

3 案例分析

3.1 案例背景

本文研究案例為廣西崇寧市某隧道施工項目，該項目具有以下特征：

（1）地質條件相符。該項目為地質條件復雜，局部存在孤石、巖溶、溶洞等工況，巖溶地段遇洞率高達51.55%，符合研究條件。

（2）基礎模型精度高。該項目有完整的BIM應用體系和應用深度，具備高精度的地質和樁基BIM模型。

（3）充足可靠的數據。該項目施工完畢，擁有充足可靠的數據為本文研究提供支撐，可以實現本決策優選方案與傳統決策方案的結果對比。

3.2 BIM數據提取

本研究隨機抽取6個溶洞進行模擬應用，基于Dynamo軟件與模型關聯并進行參數設置。準備工作完成后進行數據提取，結果見下頁表1。

基于提取數據進行專家打分，獲取工況功能重要性系數見表2，并對黏土與片石拋填法、鋼護筒跟進法、混凝土灌注法、高壓旋噴樁法進行方案功能評分，見表3。用P1～P4依次表示上述方案。

基于BIM數據、廣聯達云計價軟件、實際工程消耗量、綜合單價等進行上述方案成本計算見表4。

3.3 方案決策優化

基于上述方案的成本表和功能評分表，使用遺傳算法進行方案決策優化前需要進行參數設置，具體參數設置為：種群規模為40、交叉概率為0.6、變異概率為0.1，迭代200代。經過遺傳算法優化，得到遺傳算法目標函數平均值和最優值變化曲線見圖2，并得到最終方案優化結果見表5。

由圖2可知，本方法約在50代左右就迭代完成并尋找到最優解，收斂速度較快、收斂性較好。對比原施工組織設計中的方案，無須人為處理，減少了繁瑣手續，簡化了決策過程，縮短了決策計算時間，且計算精度得到了大幅度提升，進一步表明了本方法的優越性。

3.4 效果分析

為進一步分析本方法的有效性及優越性，將本決策方法與施工組織設計方案、傳統決策方案進行對比，結果見表6。

由表6可以發現，對比原組織設計方案，本方法不僅大幅降低了施工成本，同時還提升了方案的價值度。與傳統的按成本決策方案相比，施工成本雖提升了2.1%，但方案適應度大幅提升了23.7%?；谝陨戏治?，本方法在盡量控制成本的同時也提升了方案的適用性，充分表明了本方法的有效性及優越性，能滿足工程實際需要。

4 結語

針對樁遇溶洞處理方案決策優化問題，本文充分考慮決策過程中的影響因素，利用BIM模型提取的精準數據，以方案適用性和成本為價值目標，基于遺傳算法進行方案決策優化，在一定程度上降低了樁遇溶洞方案決策難度、提升了決策效率，在控制施工成本的同時提升了方案的適用性，能滿足工程實際需要，為溶洞處理方案決策提供了新思路。

參考文獻

［1］Carter T G，Bruce D A，Wolosick J R，et al.A novel blend of karst grouting and micropile placement techniques for stabilizing difficult foundation conditions in weak vuggy limestone［C］.Grouting.Honolulu，HI，United states：American Society of Civil Engineers（ASCE），2017.

［2］Seltzer J P，Meyer M E，Ortiz C H，et al.Drilled shaft foundation solution at a challenging，variable karst site in tampa［C］.Geo-Congress.Minneapolis，MN，United states：American Society of Civil Engineers（ASCE），2020.

［3］孫瑞甲，郭紹強，何興玲，等.超大溶洞區域沖孔灌注樁施工工藝的改進［J］.建筑施工，2020，42（4）：520-522.

［4］范寶林.重載鐵路特大橋巖溶樁基處理施工技術研究［J］.建筑技術開發，2020，47（17）：153-154.

［5］江炳衫，凌賢德.BIM技術在巖溶區橋梁樁基施工中的應用［J］.建筑技術，2021，52（12）：1 511-1 513.

［6］彭 媛，陳國奇，韋 謀.基于BIM的巖溶復雜地質條件下樁基工程施工關鍵技術［J］.施工技術，2021，50（17）：141-143，147.

［7］程 灝，楊 帆，黃 媛.基于遺傳算法的隧道襯砌結構維修決策研究［J］.中國水運，2018，18（2）：129-131.

［8］田水承，范彬彬，楊鵬飛，等.基于扎根理論的建筑坍塌險兆事件的影響因素［J］.西安科技大學學報，2021，41（1）：23-28.

［9］楊 凱.潛在滑坡體對橋梁樁基安全影響的評價分析［J］.城市道橋與防洪，2022，2022（3）：152-155，18-19.

收稿日期：2023-09-21