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        BIM技術(shù)在新白沙沱長(zhǎng)江特大橋鋼梁架設(shè)中的應(yīng)用

        2019-04-26 05:25:10劉宏剛張海華甘一鳴
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2019年1期
        關(guān)鍵詞:吊機(jī)架設(shè)鋼梁

        劉宏剛,張海華,甘一鳴

        (中鐵大橋局集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430050)

        1 概述

        1.1 項(xiàng)目背景

        渝黔鐵路新白沙沱長(zhǎng)江特大橋(簡(jiǎn)稱新白沙沱大橋)北部位于重慶市大渡口區(qū)跳磴鎮(zhèn),南跨長(zhǎng)江進(jìn)入重慶市江津區(qū)珞璜鎮(zhèn)(見(jiàn)圖1),是渝黔鐵路客運(yùn)線和貨運(yùn)線引入重慶樞紐的重要過(guò)江通道,也是遠(yuǎn)期渝湘鐵路的預(yù)留過(guò)江通道。1960年竣工的渝黔鐵路既有白沙沱長(zhǎng)江大橋,由于運(yùn)力不足、原設(shè)計(jì)通航水位較低等原因,將于新白沙沱大橋建成后拆除。

        新白沙沱大橋建成通車后,重慶—貴陽(yáng)客運(yùn)列車平均運(yùn)行時(shí)間將由10 h縮短至2 h以內(nèi),成為重慶—貴陽(yáng)高效便捷的鐵路通道,并與蘭渝、貴廣鐵路實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)互通,對(duì)促進(jìn)西南、西北地區(qū)經(jīng)貿(mào)發(fā)展與人文交流具有重要意義。

        1.2 工程概況

        新白沙沱大橋全長(zhǎng)5 320.334 m,其中6線合建部分2 098.780 m。主橋孔跨布置為(81+162+432+162+81)m,設(shè)計(jì)為雙塔雙索面6線鐵路鋼桁梁斜拉橋(見(jiàn)圖2),是世界首座采用雙層橋面布置的鐵路斜拉橋(見(jiàn)圖3),其中上層為4線鐵路客運(yùn)專線,包括渝黔鐵路雙線及預(yù)留渝湘鐵路雙線,設(shè)計(jì)速度200 km/h;下層為渝黔鐵路貨運(yùn)雙線,設(shè)計(jì)速度120 km/h。大橋主梁采用N形桁架,桁寬24.5 m、高15.2 m,節(jié)間長(zhǎng)度13.5 m[1]。

        圖1 新白沙沱大橋地理位置與線路走向

        圖2 新白沙沱大橋效果圖

        圖3 新白沙沱大橋主梁雙層橋面布置方案

        作為渝黔鐵路控制性工程,新白沙沱大橋是目前世界上跨度最大、荷載最大的鐵路斜拉橋,也是中國(guó)鐵路總公司批準(zhǔn)立項(xiàng)的我國(guó)高速鐵路建設(shè)中首批采用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的特大型鐵路橋梁試點(diǎn)項(xiàng)目之一。

        2 施工方案

        2.1 施工環(huán)境

        新白沙沱大橋橋址區(qū)先后跨越重慶側(cè)構(gòu)造剝蝕丘陵地貌區(qū)、河流侵蝕地貌區(qū)、河流堆積地貌區(qū)(長(zhǎng)江階地)和貴陽(yáng)側(cè)構(gòu)造剝蝕淺丘地貌區(qū),地面高程180~270 m,相對(duì)高差約90 m,地形起伏較大,居民住宅和工廠等建筑物密集。貴陽(yáng)側(cè)主塔墩3#墩位于長(zhǎng)江中心,橋下河段通航繁忙,且處于“長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)”的緩沖區(qū),對(duì)環(huán)保要求較高。大橋多處跨越既有公路或鐵路運(yùn)輸干線,其中重慶側(cè)主塔墩2#墩邊跨鋼梁跨越3條既有線(見(jiàn)圖4)。由于在施工過(guò)程中限制條件較多、地形復(fù)雜、交通不便,現(xiàn)場(chǎng)施工組織和管理難度較大。

        2.2 施工方案

        為滿足環(huán)保要求,減少對(duì)長(zhǎng)江水體及河床的擾動(dòng)破壞和污染,主橋基礎(chǔ)鉆孔樁施工采用KTY及KPG系列大扭矩液壓動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)[2],配置泥漿分離器、泥漿運(yùn)輸船等設(shè)備對(duì)泥漿進(jìn)行循環(huán)利用和環(huán)保處理。承臺(tái)施工采用特大型雙壁鋼圍堰進(jìn)行封底止水和支撐圍護(hù),塔柱施工采用成熟的液壓爬模及混凝土垂直泵送澆筑技術(shù)。

        鋼梁架設(shè)是施工難點(diǎn),盡管采用了整體節(jié)點(diǎn)等先進(jìn)設(shè)計(jì)和加工技術(shù),全橋鋼梁吊裝次數(shù)仍多達(dá)1 428次,考慮鋼梁上岸、存放等施工過(guò)程中的轉(zhuǎn)運(yùn),鋼梁累計(jì)吊裝次數(shù)達(dá)7 140次。吊裝構(gòu)件最大平面尺寸13.5 m×11.0 m,質(zhì)量為70 t。鋼桁梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工地連接為高強(qiáng)螺栓和焊接并用,制造及安裝精度要求較高,架設(shè)難度大。經(jīng)反復(fù)研究比選,確定水路運(yùn)輸、碼頭吊機(jī)及浮吊配合運(yùn)梁臺(tái)車轉(zhuǎn)運(yùn)、專用提升站及全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)散拼安裝的方案,并修建相應(yīng)碼頭、棧橋、存梁平臺(tái)等臨時(shí)設(shè)施。

        圖4 重慶側(cè)邊跨鋼梁施工場(chǎng)地

        2.3 風(fēng)險(xiǎn)控制

        由于施工環(huán)境復(fù)雜,施工過(guò)程中存在大量安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題,既要保障長(zhǎng)江航運(yùn)和既有線運(yùn)營(yíng)安全,又要保證大橋的施工安全和工期目標(biāo),為對(duì)大橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的分析、識(shí)別、評(píng)價(jià)和有效控制,項(xiàng)目組開(kāi)展專項(xiàng)研究,提出包括項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模、氣候環(huán)境、水文地質(zhì)、地形地貌、橋位特征及施工工藝成熟度等橋梁整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo),根據(jù)專家評(píng)價(jià)結(jié)果采取相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)[3-4],如受既有線影響的施工便線的安全控制技術(shù),包括臨近既有線的爆破施工檢查與安全防護(hù)、合理擬定施工便線過(guò)渡段施工方案及臨近營(yíng)業(yè)線路結(jié)構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等[5]。

        3 BIM實(shí)施

        新白沙沱大橋地處艱險(xiǎn)山區(qū)和長(zhǎng)江天塹,環(huán)境復(fù)雜、施工場(chǎng)地受限,跨多條既有線,安全問(wèn)題突出,每次要點(diǎn)時(shí)間僅2 h、工序緊湊,,要采用BIM技術(shù)能夠?qū)γ坎焦ば蛟敿?xì)模擬,檢驗(yàn)其可行性、安全性,以便科學(xué)制定工序流程和作業(yè)組織方式,確保施工過(guò)程安全、高效。

        本期可使用資金,包括考核期內(nèi)存在于小額貸款公司的自有注冊(cè)資金、增資和融入資金,融入資金包括再貸款融資金額、發(fā)行可轉(zhuǎn)債融資金額等。

        3.1 應(yīng)用方向與應(yīng)用點(diǎn)

        為充分發(fā)揮BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì),研究團(tuán)隊(duì)將技術(shù)難度最大、施工風(fēng)險(xiǎn)最高的重慶側(cè)邊跨鋼梁架設(shè)方案研究及實(shí)施過(guò)程控制作為BIM技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn),以保證鋼梁架設(shè)的安全、質(zhì)量、效率、成本、環(huán)保等施工目標(biāo)。重慶側(cè)邊跨鋼梁架設(shè)施工具體BIM應(yīng)用點(diǎn)見(jiàn)圖5。

        在圖5所示的BIM應(yīng)用點(diǎn)中,對(duì)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型處理主要指將設(shè)計(jì)院提供的成橋狀態(tài)BIM模型按確定的施工方案進(jìn)行必要的分節(jié)、分段或構(gòu)件編組,并賦予時(shí)間及狀態(tài)屬性,使其能在后續(xù)應(yīng)用中按不同工況模擬并呈現(xiàn)施工過(guò)程及狀態(tài),屬于施工階段BIM應(yīng)用的前處理工作。

        3.2 資源配置

        3.2.1 人員配置

        BIM研究團(tuán)隊(duì)由中鐵大橋局集團(tuán)有限公司BIM小組、設(shè)計(jì)事業(yè)部及項(xiàng)目部等技術(shù)骨干人員組成,并分為策劃組、設(shè)計(jì)組、實(shí)施組,其具體分工為:

        (1)策劃組。負(fù)責(zé)BIM技術(shù)應(yīng)用的策劃、督導(dǎo)、效果評(píng)估及應(yīng)用價(jià)值研究;

        (2)設(shè)計(jì)組。采用BIM技術(shù)進(jìn)行施工方案研究、計(jì)算分析、過(guò)程模擬、成果管理等;

        (3)實(shí)施組。負(fù)責(zé)方案實(shí)施、技術(shù)協(xié)調(diào)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控及問(wèn)題反饋等。

        3.2.2 軟件配置

        為與設(shè)計(jì)模型對(duì)接,采用Dassault V5系列BIM軟件,軟件配置見(jiàn)表1。

        3.2.3 硬件配置

        Catia等軟件對(duì)運(yùn)行環(huán)境的要求較高,硬件配置見(jiàn)表2。

        圖5 重慶側(cè)邊跨鋼梁架設(shè)施工BIM應(yīng)用點(diǎn)

        表1 BIM軟件配置

        表2 BIM硬件配置

        3.3 初步方案

        重慶側(cè)邊跨鋼梁跨越3條既有鐵路線,且部分鋼梁侵入山體,陸上交通不具備進(jìn)場(chǎng)條件,為解決鋼梁運(yùn)輸難題,并保證列車運(yùn)行和鋼梁施工安全,提出在支架上拼裝鋼梁,采用同步頂推技術(shù)完成跨線段鋼梁架設(shè)的施工方案(見(jiàn)圖6),以減少跨線施工時(shí)間、降低安全風(fēng)險(xiǎn)[6]。

        貴陽(yáng)側(cè)主塔墩位于長(zhǎng)江主河槽內(nèi),鋼梁架設(shè)擬采用對(duì)稱懸臂拼裝的方案,棧橋前端設(shè)置1座固定式提升站,在主塔墩施工期間即通過(guò)水路運(yùn)輸將鋼梁運(yùn)至主塔墩3#墩旁,由專用提升站將鋼梁提升至施工平臺(tái)上的運(yùn)輸臺(tái)車,經(jīng)棧橋運(yùn)輸至預(yù)拼場(chǎng)存放,后期鋼梁架設(shè)時(shí)通過(guò)棧橋運(yùn)輸至主塔墩鋼梁提升站下方,再由架梁吊機(jī)提升至橋面進(jìn)行拼裝架設(shè)。

        3.4 BIM建模與組裝

        建模是開(kāi)展BIM技術(shù)應(yīng)用的準(zhǔn)備工作之一,由于大橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜,施工臨時(shí)設(shè)施、設(shè)備較多,除對(duì)主體結(jié)構(gòu)模型按施工方案要求進(jìn)行處理外,還需要完成各種臨時(shí)設(shè)施及場(chǎng)地的建模(見(jiàn)圖7),利用軟件模擬鋼梁桿件等材料吊裝、運(yùn)輸、存放等過(guò)程的空間需求,合理布置場(chǎng)地。BIM團(tuán)隊(duì)分工完成各單體模型創(chuàng)建,再利用軟件裝配功能按照統(tǒng)一的全局坐標(biāo)系組裝為一個(gè)整體(見(jiàn)圖8)。由于模型精確反映結(jié)構(gòu)尺寸及相對(duì)位置,能全面模擬各構(gòu)件安裝過(guò)程和干涉情況,消除各種設(shè)計(jì)缺陷和人為錯(cuò)誤,提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

        圖6 重慶側(cè)邊跨鋼梁拼裝與跨線施工方案總布置圖

        圖7 施工臨時(shí)設(shè)施建模

        圖8 組裝后的大橋主體結(jié)構(gòu)、臨時(shí)設(shè)施及場(chǎng)地布置

        設(shè)計(jì)采用Catia的BOM表功能,快速統(tǒng)計(jì)模型中各構(gòu)件材料數(shù)量,提高了統(tǒng)計(jì)效率,配合出圖功能完成二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì),且可輸出為Excel表格,便于物資部門管理材料,為工程的材料采供和備料提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖9)。

        3.5 方案模擬與優(yōu)化

        鋼梁架設(shè)涉及大量起重作業(yè),作業(yè)大多在高空或水上進(jìn)行,存在較大安全風(fēng)險(xiǎn),在吊裝過(guò)程中需考慮吊機(jī)站位、吊臂長(zhǎng)度與角度、工作幅度、空間關(guān)系與安全距離等因素,使用傳統(tǒng)平面設(shè)計(jì)方法往往不夠準(zhǔn)確、全面。根據(jù)設(shè)備參數(shù)建立的施工機(jī)械模型可實(shí)現(xiàn)精確控制,通過(guò)定義模型的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式,模擬、驗(yàn)證鋼梁吊裝方案。

        圖9 材料統(tǒng)計(jì)與報(bào)表輸出

        圖10 重慶側(cè)邊跨鋼梁拼裝與跨線頂推施工原始方案模擬

        施工過(guò)程模擬主要在Delmia仿真平臺(tái)進(jìn)行,通過(guò)對(duì)鋼梁各構(gòu)件和吊裝單元賦予時(shí)間屬性、定義運(yùn)動(dòng)軌跡和顯示控制,生成連續(xù)的生長(zhǎng)動(dòng)畫,表達(dá)主體結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程。

        由于重慶側(cè)邊跨鋼梁拼裝與跨線頂推施工交替進(jìn)行,施工輔助設(shè)計(jì)較多、工序復(fù)雜,設(shè)計(jì)人員根據(jù)成橋狀態(tài)下各段鋼梁的最終位置推導(dǎo)出該段鋼梁的拼裝順序,采用BIM技術(shù)對(duì)鋼梁構(gòu)件的存放、運(yùn)輸、吊裝,吊機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡、鋼梁的頂推過(guò)程等進(jìn)行全面模擬(見(jiàn)圖10)。

        在最初的架設(shè)方案中,首先在主塔墩3#墩橫梁上拼裝架梁吊機(jī)臨時(shí)支架,然后拼裝額定起重能力為70 t的360°全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī),再利用該吊機(jī)拼裝首段鋼梁,架梁吊機(jī)走行至鋼梁上,拆除架梁吊機(jī)臨時(shí)支架,再?gòu)臈蛏先×杭茉O(shè)其他節(jié)間鋼梁。

        Delmia動(dòng)態(tài)模擬發(fā)現(xiàn),原設(shè)計(jì)方案中存在諸多影響鋼梁架設(shè)安全及拼裝效率的問(wèn)題,如架梁吊機(jī)在取梁與拼裝狀態(tài)吊機(jī)扒桿變幅角度變化過(guò)大、起吊過(guò)程中架梁吊機(jī)扒桿無(wú)法旋轉(zhuǎn)過(guò)主塔、無(wú)法拆除下橫梁上的臨時(shí)支架、360°全回轉(zhuǎn)優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮、轉(zhuǎn)桿件提升狀態(tài)與頂推支架之間安全距離過(guò)小等問(wèn)題。經(jīng)研究討論,決定對(duì)鋼梁架設(shè)方案修改,并對(duì)修改后方案進(jìn)行重新模擬和優(yōu)化處理,有效解決了安全隱患、提高了作業(yè)效率,并據(jù)此制定出詳細(xì)的作業(yè)流程和施工步驟,保證施工方案順利實(shí)施。優(yōu)化后的主塔墩2#墩邊跨鋼梁架設(shè)方案見(jiàn)圖11。

        按照同樣流程,對(duì)貴陽(yáng)側(cè)主塔墩3#墩鋼梁拼裝與掛索過(guò)程進(jìn)行模擬,并根據(jù)各工況的計(jì)算分析和模擬中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化處理,拼裝施工模擬見(jiàn)圖12。

        3.6 監(jiān)測(cè)監(jiān)控

        為保證施工安全,新白沙沱大橋施工采取多種技術(shù)手段,如采用全站儀、傳感器、攝像機(jī)等設(shè)備對(duì)鋼梁線形、斜拉索應(yīng)力狀態(tài)、頂推千斤頂工作狀況、人員分布情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控,并根據(jù)所處工況與設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算分析數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)比,對(duì)異常情況及時(shí)進(jìn)行處理,使鋼梁架設(shè)得以順利完成。

        以索力監(jiān)測(cè)為例,在施工的不同階段,其索力設(shè)計(jì)值也不同,需要隨工程進(jìn)展檢測(cè)出索力的實(shí)際值并與設(shè)計(jì)值對(duì)比,發(fā)現(xiàn)異常必須及時(shí)處理。本項(xiàng)目將拉索索力與桿件應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與BIM模型集成,將索力傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸至BIM應(yīng)用平臺(tái),并通過(guò)圖形平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化,為橋梁安全管理提供信息支持(見(jiàn)圖13)。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        新白沙沱大橋體量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、所處環(huán)境條件較惡劣,施工中面臨各種困難與挑戰(zhàn)。通過(guò)實(shí)施BIM技術(shù),對(duì)施工過(guò)程和方案設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行預(yù)先演練和分析,證明了施工方案的可行性,細(xì)化了作業(yè)流程和技術(shù)控制要點(diǎn),確保了施工安全。特別在跨線頂推施工過(guò)程中,必須在要點(diǎn)時(shí)間內(nèi)完成頂推工作,BIM技術(shù)在優(yōu)化施工方案、加強(qiáng)安全控制、提高作業(yè)效率等方面發(fā)揮了巨大作用。

        大橋施工過(guò)程中,大量高空和水上作業(yè)對(duì)所有參建人員都是嚴(yán)重考驗(yàn),通過(guò)可視化交底對(duì)技術(shù)和勞務(wù)人員進(jìn)行培訓(xùn),使其充分理解各工序作業(yè)內(nèi)容、技術(shù)要點(diǎn),各自的責(zé)任分工、配合方式、安全注意事項(xiàng)等,消除其在工作中的盲目性和恐懼心理,增強(qiáng)其參與意識(shí)和責(zé)任意識(shí),有效提高工作效率、降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

        圖11 重慶側(cè)邊跨鋼梁拼裝與跨線頂推施工優(yōu)化后方案模擬

        圖12 貴陽(yáng)側(cè)主塔墩3#墩鋼梁雙懸臂對(duì)稱拼裝施工模擬

        圖13 索力監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理

        盡管可視化設(shè)計(jì)與施工只是BIM技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)方面,但由于緊貼現(xiàn)場(chǎng)需求,仍然取得了較好的效果。與應(yīng)用同時(shí)實(shí)施的還有面向施工管理的4D BIM系統(tǒng)[7],其4D進(jìn)度模擬及安全、質(zhì)量、成本管理,物料跟蹤等功能也在新白沙沱大橋項(xiàng)目進(jìn)行了有益的探索。

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