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        基于BIM技術(shù)的下承式大跨度尼爾森體系簡(jiǎn)支拱橋施工

        2020-07-11 00:59:56張宏博王祥國(guó)張文東袁本哲
        高速鐵路技術(shù) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:簡(jiǎn)支拱橋跨度

        張宏博 王祥國(guó) 張文東 袁本哲 崔 健

        (中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司路橋公司, 青島 266000)

        Building Information Molding(建筑信息模型)簡(jiǎn)稱BIM,是建立在三維數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)之上,集成了建筑工程項(xiàng)目各種有關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型[1]。BIM技術(shù)的核心是虛擬“設(shè)計(jì)與建造”,依據(jù)圖紙等相關(guān)信息,實(shí)現(xiàn)工程可視化性的設(shè)計(jì)與施工,是對(duì)項(xiàng)目工程設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化闡述[2],支撐起建筑行業(yè)的第二次“科技革命”。2015年,住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》,在其發(fā)展目標(biāo)中明確提出“到2020年末,以下新立項(xiàng)項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)中,集成應(yīng)用BIM的項(xiàng)目比率達(dá)到90%?!保?017年5月,《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布,中國(guó)建筑業(yè)有了可參考的BIM標(biāo)準(zhǔn);2018年后,越來(lái)越多關(guān)于BIM的推進(jìn)政策陸續(xù)推出,BIM技術(shù)逐步向全國(guó)各城市推廣開(kāi)來(lái),實(shí)現(xiàn)在全國(guó)范圍內(nèi)的普及應(yīng)用。

        目前,BIM技術(shù)運(yùn)用于房建項(xiàng)目的成功案例非常多,如貴州建工軍區(qū)總醫(yī)院、北京奧體中心、天津大禮堂、南京福特廠等。在路橋行業(yè)中,伴隨著高速鐵路和現(xiàn)代路橋工程的快速發(fā)展,橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜[3],異形結(jié)構(gòu)越來(lái)越多,對(duì)建造工藝要求也越來(lái)越嚴(yán)謹(jǐn),施工進(jìn)度要求越來(lái)越緊。為推進(jìn)路橋工程緊跟時(shí)代技術(shù)發(fā)展的步伐,近些年BIM技術(shù)也逐漸開(kāi)始應(yīng)用于橋梁工程。本文依據(jù)濰萊鐵路大跨度簡(jiǎn)支拱橋施工,結(jié)合BIM技術(shù)在施工管理中的應(yīng)用,研究高速鐵路144 m下承式尼爾森體系簡(jiǎn)支拱橋的綜合施工。在實(shí)施過(guò)程中,逐步完成BIM族庫(kù)的建立以及過(guò)程資料的收集、整理,總結(jié)出基于BIM技術(shù)的大跨度簡(jiǎn)支拱橋施工的BIM團(tuán)隊(duì)建設(shè)、建模流程、建模關(guān)鍵控制點(diǎn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)變更方案、施工管理可視化方法等技術(shù)。通過(guò)基于BIM技術(shù)的大跨度簡(jiǎn)支拱橋施工實(shí)踐,驗(yàn)證了BIM技術(shù)在拱橋施工中運(yùn)用的可行性,為類似工程提供參考依據(jù)。

        1 工程概況

        1.1 鐵路工程概況

        濰坊至萊西高速鐵路(簡(jiǎn)稱“維萊高速鐵路”)為雙線無(wú)砟軌道鐵路,線間距5.0 m,設(shè)計(jì)時(shí)速350 km,西起規(guī)劃終點(diǎn)濟(jì)青高速鐵路濰坊北站,往東接入青榮城際鐵路萊西北站,線路位于膠東半島腹地,是山東省“三縱三橫”快速鐵路網(wǎng)的重要組成部分。

        1.2 簡(jiǎn)支拱橋工程概況

        濰萊高速鐵路在里程DK 58+128.49處,以下承式鋼管混凝土簡(jiǎn)支拱的形式跨榮濰高速公路,與高速公路斜交149.42°。下承式簡(jiǎn)支拱橋梁全長(zhǎng)148 m,是濰萊高速鐵路全線的控制性工程之一。

        2 大跨度簡(jiǎn)支拱橋設(shè)計(jì)

        簡(jiǎn)支拱橋結(jié)構(gòu)為剛性系梁剛性拱,采用尼爾森吊桿體系,先施工梁體,后施工拱肋,系梁采用滿布支架施工,鋼管拱肋在系梁上拼裝合龍。梁端采用實(shí)心矩型截面,高3.0 m,兩端實(shí)心段各長(zhǎng)8.5 m;系梁橫截面為單箱三室截面,高3.0 m,中間段長(zhǎng)126 m,兩端過(guò)渡段各長(zhǎng)2.5 m。

        簡(jiǎn)支拱橋計(jì)算跨度144 m,拱肋矢跨比為1∶5,拱肋在橫橋向內(nèi)傾8°呈提籃式,立面投影矢高(28.8×cos 8°)m,呈二次拋物線形式,拱肋面內(nèi)方程Y=[4×28.8×(144x-4x2)]/1442;拱肋截面是等截面的啞鈴型形狀,截面高4.0 m,鋼管直徑1.3 m,由20 mm的鋼板卷制而成。在圓形鋼管內(nèi)設(shè)置加勁箍,拱肋的兩鋼管之間用20 mm的厚腹板連接,并在腹板中焊接拉桿,拱肋中灌注C55自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土;拱肋中間用外徑1.5m的圓形鋼管布置1道一字撐,用外徑0.9 m的圓形鋼管布置6道斜撐(K撐),斜撐鋼管內(nèi)均不填充混凝土,拱肋采用Q345qE鋼材。32對(duì)吊桿組成拱橋尼爾森體系,在拱肋端設(shè)置吊桿張拉裝置;在吊桿內(nèi)安放磁通量傳感器,監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中和施工后期吊桿的應(yīng)力狀態(tài)。

        3 簡(jiǎn)支拱橋施工技術(shù)重難點(diǎn)

        3.1 施工環(huán)境復(fù)雜

        拱橋正下方為榮濰高速公路,日常車(chē)流量較大。受施工環(huán)境的限制,拱橋支架體系布置情況復(fù)雜,施工難度較大。傳統(tǒng)的技術(shù)交底難以直觀地指導(dǎo)工人現(xiàn)場(chǎng)施工,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度,增加成本投入。

        3.2 拱架結(jié)構(gòu)復(fù)雜

        (1)拱架形式復(fù)雜

        上部結(jié)構(gòu)拱架整體為二次拋物線形式,荷載集中程度隨著簡(jiǎn)支拱橋軸線高度的變化而變化,拱橋的曲線變化形式較復(fù)雜[4],且橋梁中部分受力構(gòu)件為異型構(gòu)件。

        (2)放樣定位難度大

        拱橋縱梁長(zhǎng)度148 m,測(cè)量放樣定位難度大。

        (3)拱橋剛度要求大

        簡(jiǎn)支拱橋以承受壓力為主,產(chǎn)生較大的水平推力;拱肋內(nèi)澆筑C55自密實(shí)補(bǔ)償性收縮混凝土,拱橋自重非常大,增大了橋梁下部結(jié)構(gòu)的工程量,穩(wěn)定性問(wèn)題比較突出,對(duì)地基基礎(chǔ)條件要求較高,施工難度較大。

        3.3 鋼筋密度大

        系梁和拱腳等鋼筋節(jié)點(diǎn)處鋼筋密度較大,且系梁處與波紋管交織通過(guò),極容易發(fā)生碰撞[5],施工過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題較多,造成嚴(yán)重的工程返工,項(xiàng)目成本增加較大。

        3.4 工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)多

        目前,施工企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理的不精細(xì),造成大量的工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不及時(shí)、不完善、不準(zhǔn)確,現(xiàn)場(chǎng)管理缺少有力的數(shù)據(jù)計(jì)量支撐,造成項(xiàng)目資源、物流以及儲(chǔ)存環(huán)節(jié)的嚴(yán)重浪費(fèi)。

        4 基于BIM技術(shù)的簡(jiǎn)支拱橋施工

        4.1 組建BIM團(tuán)隊(duì)

        基于BIM技術(shù)的大跨度簡(jiǎn)支拱橋施工中,有大量的工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理繁瑣費(fèi)時(shí),因此組建了BIM實(shí)施小組。根據(jù)BIM應(yīng)用和實(shí)施等工作內(nèi)容的不同,對(duì)小組成員進(jìn)行明確分工;根據(jù)專業(yè)技術(shù)特點(diǎn),確定人員的工作側(cè)重方面。健全建模工作制度,確定BIM各項(xiàng)工作的主要負(fù)責(zé)人和實(shí)施人員,所有人員協(xié)調(diào)工作。項(xiàng)目實(shí)施階段BIM人員組織架構(gòu)如圖1所示。

        圖1 項(xiàng)目實(shí)施階段BIM人員組織架構(gòu)圖

        4.2 基于BIM技術(shù)的大跨度簡(jiǎn)支拱橋施工建模流程和關(guān)鍵控制點(diǎn)

        分析BIM建模輔助工程施工管理實(shí)施階段及建模流程[6],發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)在大跨度簡(jiǎn)支拱橋施工運(yùn)用中,存在模型創(chuàng)建精度不精確、項(xiàng)目拆分原則不規(guī)范、項(xiàng)目樣板不完善等常見(jiàn)問(wèn)題。為加強(qiáng)BIM技術(shù)建模的可視化性、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性以及可出圖性,本文提出基于BIM技術(shù)的大跨度簡(jiǎn)支拱橋施工建模流程和關(guān)鍵控制點(diǎn)[7-8]:(1)檢查模型創(chuàng)建精度是否合格;(2)檢查項(xiàng)目拆分原則是否合格;(3)檢查項(xiàng)目樣板是否合格;(4)檢查BIM 工具規(guī)劃是否合格;(5)檢查階段性成果是否合格;(6)檢查合模是否合格;(7)檢查視頻制作是否合格。 基于BIM技術(shù)的大跨度簡(jiǎn)支拱橋施工管理運(yùn)用關(guān)鍵控制點(diǎn)如圖2所示。

        圖2 基于BIM技術(shù)的大跨度簡(jiǎn)支拱橋施工建模流程關(guān)鍵控制點(diǎn)框圖

        4.3 基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的簡(jiǎn)支拱橋核心構(gòu)件模型

        應(yīng)用BIM技術(shù)創(chuàng)建三維模型,建立健全結(jié)構(gòu)詳細(xì)的屬性信息,將其與施工進(jìn)度結(jié)合,進(jìn)行4D施工可視化模擬,使用多媒體的形式進(jìn)行交底[9],讓參與工程的所有人員實(shí)質(zhì)性地認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的組成、功能以及作用。大跨度簡(jiǎn)支拱橋基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的核心結(jié)構(gòu)模型,如圖3所示。

        4.4 基于BIM技術(shù)解決簡(jiǎn)支拱橋施工重難點(diǎn)

        4.4.1基于BIM技術(shù)的施工可視化

        拱橋正下方為榮濰高速公路,施工環(huán)境較為復(fù)雜,運(yùn)用BIM技術(shù)模擬簡(jiǎn)支拱與榮濰高速的相對(duì)位置關(guān)系,并將施工流程細(xì)化,再配合二維碼技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),制作二維碼貼在現(xiàn)場(chǎng)。針對(duì)簡(jiǎn)支拱橋施工組織復(fù)雜的問(wèn)題,運(yùn)用BIM的可視化,預(yù)先對(duì)場(chǎng)地各功能區(qū)進(jìn)行布置,整體漫游,為場(chǎng)地布置提供合理方案。一方面進(jìn)行三維可視化技術(shù)交底,便于現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)隨地查閱施工作業(yè)交底;另一方面進(jìn)行方案模擬,為后期施工方案的編制及報(bào)審工作提供依據(jù),提高各參與方的協(xié)同性,進(jìn)而提高施工效率。

        4.4.2基于BIM技術(shù)的方案優(yōu)化

        針對(duì)簡(jiǎn)支拱拱架形式復(fù)雜、放樣定位難度大、拱橋剛度要求大等難題,運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行可視化編程建模,對(duì)模型進(jìn)行預(yù)拼裝,完美解決了二次拋物線定位問(wèn)題,提高了拱肋建模精度和拱肋拼裝方案的可行性;采用Dynamo編程建模,輔助Revit對(duì)模型進(jìn)行預(yù)拼裝,可保證模型的精準(zhǔn)度,可提供精度達(dá)LOD500層級(jí)的竣工模型。

        圖3 基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的核心結(jié)構(gòu)模型圖

        4.4.3基于BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)變更優(yōu)化

        運(yùn)用BIM技術(shù)模擬施工過(guò)程,指導(dǎo)簡(jiǎn)支拱橋上下部結(jié)構(gòu)施工,通過(guò)BIM模型對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行360°全方位觀察,對(duì)模型校核比對(duì),快速獲取構(gòu)件信息,提前預(yù)估存在問(wèn)題,并提出《設(shè)計(jì)深化建議書(shū)》,交由設(shè)計(jì)單位調(diào)整,可在工程施工前排除障礙,針對(duì)性地提出解決難題的方案,優(yōu)化設(shè)計(jì)方案等,為后續(xù)設(shè)計(jì)變更的工程量提供支撐,也確保了施工進(jìn)度和質(zhì)量。

        4.4.4基于BIM技術(shù)的施工隱患排除(碰撞問(wèn)題)

        簡(jiǎn)支拱橋具有工況復(fù)雜、機(jī)構(gòu)內(nèi)部易出現(xiàn)碰撞、橋梁主要受力構(gòu)件為異型構(gòu)件等特點(diǎn),基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的鋼筋模型在三維可視化、碰撞檢查、深化設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用[10],可進(jìn)行各類鋼筋用量統(tǒng)計(jì)、碰撞試驗(yàn)校驗(yàn)、深化復(fù)雜節(jié)點(diǎn)等研究。在項(xiàng)目施工前期,按照施工圖紙對(duì)系梁鋼筋、波紋管及拱腳鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)建模和碰撞檢查,及早發(fā)現(xiàn)碰撞點(diǎn),并事先針對(duì)性地提出解決方案,減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失,可有效提高綁扎鋼筋的效率和質(zhì)量,保證施工順利高效開(kāi)展。

        4.4.5基于BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化管理

        簡(jiǎn)支拱橋工程量較多且比較復(fù)雜,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)難度大。運(yùn)用BIM技術(shù)創(chuàng)建的工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù),查看工程量“明細(xì)表”,可隨時(shí)快速準(zhǔn)確地查看工程消耗量等數(shù)據(jù)信息[10],了解工程運(yùn)營(yíng)狀況,有效地做出維度方面的調(diào)整,為工程施工制定精確的人、材、機(jī)實(shí)施計(jì)劃,實(shí)現(xiàn)資源消耗控制調(diào)整,進(jìn)而有效地實(shí)現(xiàn)工程成本風(fēng)險(xiǎn)管控。如拱橋中存在大量異型構(gòu)件,分類別、分部位、分工況進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì),可為施工及結(jié)算提供可靠數(shù)據(jù)支持。

        4.4.6基于BIM技術(shù)的安全環(huán)境管理

        建立以BIM模型為基礎(chǔ)的危險(xiǎn)源識(shí)別體系,根據(jù)項(xiàng)目搭建的BIM模型,將危險(xiǎn)源標(biāo)注在BIM模型中,注明各危險(xiǎn)源的防護(hù)要求、樣式,確保危險(xiǎn)源檢查全覆蓋、不遺漏。如檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)無(wú)防護(hù)、防護(hù)不到位、無(wú)警示標(biāo)語(yǔ)等安全隱患問(wèn)題,可隨時(shí)拍照,記錄檢查情況,并將其在模型上進(jìn)行標(biāo)識(shí),及時(shí)督促相關(guān)責(zé)任人整改,整改完成后取消標(biāo)識(shí),排除安全隱患;針對(duì)工程施工中產(chǎn)生的廢物、廢水、廢氣等環(huán)境污染物,可運(yùn)用BIM技術(shù)結(jié)合實(shí)際情況分析工區(qū)附近環(huán)境,針對(duì)性地制定相應(yīng)環(huán)保措施,建立基于BIM模型的環(huán)保信息平臺(tái),統(tǒng)一有序管理。制作各類安全環(huán)保標(biāo)識(shí)標(biāo)牌族文件,將標(biāo)識(shí)標(biāo)牌導(dǎo)入Infraworks軟件,應(yīng)用于施工場(chǎng)地布置,形成制作標(biāo)準(zhǔn),生成安全標(biāo)示標(biāo)牌布設(shè)的漫游視頻,進(jìn)行簡(jiǎn)單明了的安全環(huán)??梢暬坏祝瑢?shí)現(xiàn)環(huán)保綠色施工。

        5 結(jié)語(yǔ)

        (1) 本文結(jié)合下承式大跨度尼爾森體系簡(jiǎn)支拱橋施工,基于BIM技術(shù)的精細(xì)化施工管理,組建了BIM實(shí)施小組,提出了實(shí)施階段BIM人員組織架構(gòu);在深入研究下承式大跨度尼爾森體系簡(jiǎn)支拱橋設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,明確了下承式大跨度尼爾森體系簡(jiǎn)支拱橋放樣定位難度大、鋼筋密度大、工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)多、拱架形式及施工環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn);深入研究了簡(jiǎn)支拱橋施工工藝,細(xì)化施工工序,精細(xì)化建模操作,形成了基于BIM技術(shù)的下承式大跨度尼爾森體系簡(jiǎn)支拱橋建模流程,并提出建模流程關(guān)鍵性控制點(diǎn)。提高了BIM技術(shù)于簡(jiǎn)支拱橋建模的效率和精細(xì)度,深化了BIM技術(shù)運(yùn)用的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性以及可出圖性特點(diǎn),展示了基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的簡(jiǎn)支拱橋核心構(gòu)件模型,更為直觀地給所有施工人員展示了各工序及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模擬施工場(chǎng)景,有效減少了設(shè)計(jì)變更與返工,提高了施工效率,降低工程成本。

        (2) 基于BIM技術(shù)的可視化性和模擬性,運(yùn)用BIM技術(shù)模擬簡(jiǎn)支拱與榮濰高速公路的場(chǎng)地位置及整體漫游,借此分析施工組織,事前編制合理的施工方案;基于BIM技術(shù)的優(yōu)化性,結(jié)合Dynamo編程建模,輔助Revit對(duì)拱橋進(jìn)行預(yù)拼裝,解決了二次拋物線定位問(wèn)題,提高了拱肋拼裝方案的可行性;基于BIM技術(shù)的協(xié)調(diào)性和可出圖性,選用Autodesk公司旗下產(chǎn)品作為全過(guò)程BIM應(yīng)用軟件,配合Revit使用,避免了軟件接口不統(tǒng)一難題,實(shí)現(xiàn)了軟件間信息轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)了建模、碰撞檢測(cè)、設(shè)計(jì)深化、出圖以及整體效果展示等運(yùn)用,節(jié)約了項(xiàng)目資源,提高了工程質(zhì)量。

        (3) 本項(xiàng)目基于BIM工程智慧管理在工程施工管理中應(yīng)用的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等優(yōu)勢(shì),大大節(jié)省了管柱支架、工字鋼等周轉(zhuǎn)材料;通過(guò)三維反饋設(shè)計(jì),優(yōu)化鋼筋、鋼絞線設(shè)計(jì),精確鋼筋翻樣,有效降低材料成本;通過(guò)綜合施工技術(shù)研究,有效降低了交通管理費(fèi)用,減少了勞動(dòng)力投入,提高了產(chǎn)品一次質(zhì)量合格率,為項(xiàng)目大大地節(jié)約成本。本項(xiàng)目基于BIM技術(shù)的下承式大跨度尼爾森體系簡(jiǎn)支拱橋的成功施工,可為類似工程的施工提供參考依據(jù)。

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