張宏博 王祥國 張文東 袁本哲 崔 健
(中建鐵路投資建設(shè)集團有限公司路橋公司, 青島 266000)
Building Information Molding(建筑信息模型)簡稱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)計與建造”,依據(jù)圖紙等相關(guān)信息,實現(xiàn)工程可視化性的設(shè)計與施工,是對項目工程設(shè)施實體與功能特性的數(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)于推進建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》,在其發(fā)展目標(biāo)中明確提出“到2020年末,以下新立項項目勘察設(shè)計、施工、運營維護中,集成應(yīng)用BIM的項目比率達到90%。”;2017年5月,《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布,中國建筑業(yè)有了可參考的BIM標(biāo)準(zhǔn);2018年后,越來越多關(guān)于BIM的推進政策陸續(xù)推出,BIM技術(shù)逐步向全國各城市推廣開來,實現(xiàn)在全國范圍內(nèi)的普及應(yīng)用。
目前,BIM技術(shù)運用于房建項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)計越來越復(fù)雜[3],異形結(jié)構(gòu)越來越多,對建造工藝要求也越來越嚴(yán)謹(jǐn),施工進度要求越來越緊。為推進路橋工程緊跟時代技術(shù)發(fā)展的步伐,近些年BIM技術(shù)也逐漸開始應(yīng)用于橋梁工程。本文依據(jù)濰萊鐵路大跨度簡支拱橋施工,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支拱橋的綜合施工。在實施過程中,逐步完成BIM族庫的建立以及過程資料的收集、整理,總結(jié)出基于BIM技術(shù)的大跨度簡支拱橋施工的BIM團隊建設(shè)、建模流程、建模關(guān)鍵控制點、優(yōu)化設(shè)計變更方案、施工管理可視化方法等技術(shù)。通過基于BIM技術(shù)的大跨度簡支拱橋施工實踐,驗證了BIM技術(shù)在拱橋施工中運用的可行性,為類似工程提供參考依據(jù)。
濰坊至萊西高速鐵路(簡稱“維萊高速鐵路”)為雙線無砟軌道鐵路,線間距5.0 m,設(shè)計時速350 km,西起規(guī)劃終點濟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。
濰萊高速鐵路在里程DK 58+128.49處,以下承式鋼管混凝土簡支拱的形式跨榮濰高速公路,與高速公路斜交149.42°。下承式簡支拱橋梁全長148 m,是濰萊高速鐵路全線的控制性工程之一。
簡支拱橋結(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。梁端采用實心矩型截面,高3.0 m,兩端實心段各長8.5 m;系梁橫截面為單箱三室截面,高3.0 m,中間段長126 m,兩端過渡段各長2.5 m。
簡支拱橋計算跨度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自密實補償收縮混凝土;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)測施工過程中和施工后期吊桿的應(yīng)力狀態(tài)。
拱橋正下方為榮濰高速公路,日常車流量較大。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)場施工,嚴(yán)重影響施工進度,增加成本投入。
(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
拱橋縱梁長度148 m,測量放樣定位難度大。
(3)拱橋剛度要求大
簡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自密實補償性收縮混凝土,拱橋自重非常大,增大了橋梁下部結(jié)構(gòu)的工程量,穩(wěn)定性問題比較突出,對地基基礎(chǔ)條件要求較高,施工難度較大。
系梁和拱腳等鋼筋節(jié)點處鋼筋密度較大,且系梁處與波紋管交織通過,極容易發(fā)生碰撞[5],施工過程中出現(xiàn)問題較多,造成嚴(yán)重的工程返工,項目成本增加較大。
目前,施工企業(yè)現(xiàn)場管理的不精細(xì),造成大量的工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計不及時、不完善、不準(zhǔn)確,現(xiàn)場管理缺少有力的數(shù)據(jù)計量支撐,造成項目資源、物流以及儲存環(huán)節(jié)的嚴(yán)重浪費。
基于BIM技術(shù)的大跨度簡支拱橋施工中,有大量的工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理繁瑣費時,因此組建了BIM實施小組。根據(jù)BIM應(yīng)用和實施等工作內(nèi)容的不同,對小組成員進行明確分工;根據(jù)專業(yè)技術(shù)特點,確定人員的工作側(cè)重方面。健全建模工作制度,確定BIM各項工作的主要負(fù)責(zé)人和實施人員,所有人員協(xié)調(diào)工作。項目實施階段BIM人員組織架構(gòu)如圖1所示。
圖1 項目實施階段BIM人員組織架構(gòu)圖
分析BIM建模輔助工程施工管理實施階段及建模流程[6],發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)在大跨度簡支拱橋施工運用中,存在模型創(chuàng)建精度不精確、項目拆分原則不規(guī)范、項目樣板不完善等常見問題。為加強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)的大跨度簡支拱橋施工建模流程和關(guān)鍵控制點[7-8]:(1)檢查模型創(chuàng)建精度是否合格;(2)檢查項目拆分原則是否合格;(3)檢查項目樣板是否合格;(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)的大跨度簡支拱橋施工管理運用關(guān)鍵控制點如圖2所示。
圖2 基于BIM技術(shù)的大跨度簡支拱橋施工建模流程關(guān)鍵控制點框圖
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,將其與施工進度結(jié)合,進行4D施工可視化模擬,使用多媒體的形式進行交底[9],讓參與工程的所有人員實質(zhì)性地認(rèn)識結(jié)構(gòu)的組成、功能以及作用。大跨度簡支拱橋基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的核心結(jié)構(gòu)模型,如圖3所示。
4.4.1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,運用BIM技術(shù)模擬簡支拱與榮濰高速的相對位置關(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,制作二維碼貼在現(xiàn)場。針對簡支拱橋施工組織復(fù)雜的問題,運用BIM的可視化,預(yù)先對場地各功能區(qū)進行布置,整體漫游,為場地布置提供合理方案。一方面進行三維可視化技術(shù)交底,便于現(xiàn)場隨時隨地查閱施工作業(yè)交底;另一方面進行方案模擬,為后期施工方案的編制及報審工作提供依據(jù),提高各參與方的協(xié)同性,進而提高施工效率。
4.4.2基于BIM技術(shù)的方案優(yōu)化
針對簡支拱拱架形式復(fù)雜、放樣定位難度大、拱橋剛度要求大等難題,運用BIM技術(shù)進行可視化編程建模,對模型進行預(yù)拼裝,完美解決了二次拋物線定位問題,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對模型進行預(yù)拼裝,可保證模型的精準(zhǔn)度,可提供精度達LOD500層級的竣工模型。
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)計變更優(yōu)化
運用BIM技術(shù)模擬施工過程,指導(dǎo)簡支拱橋上下部結(jié)構(gòu)施工,通過BIM模型對結(jié)構(gòu)物進行360°全方位觀察,對模型校核比對,快速獲取構(gòu)件信息,提前預(yù)估存在問題,并提出《設(shè)計深化建議書》,交由設(shè)計單位調(diào)整,可在工程施工前排除障礙,針對性地提出解決難題的方案,優(yōu)化設(shè)計方案等,為后續(xù)設(shè)計變更的工程量提供支撐,也確保了施工進度和質(zhì)量。
4.4.4基于BIM技術(shù)的施工隱患排除(碰撞問題)
簡支拱橋具有工況復(fù)雜、機構(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,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)計等方面的應(yīng)用[10],可進行各類鋼筋用量統(tǒng)計、碰撞試驗校驗、深化復(fù)雜節(jié)點等研究。在項目施工前期,按照施工圖紙對系梁鋼筋、波紋管及拱腳鋼結(jié)構(gòu)進行精細(xì)建模和碰撞檢查,及早發(fā)現(xiàn)碰撞點,并事先針對性地提出解決方案,減少不必要的經(jīng)濟損失,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展。
4.4.5基于BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)化管理
簡支拱橋工程量較多且比較復(fù)雜,數(shù)據(jù)統(tǒng)計難度大。運用BIM技術(shù)創(chuàng)建的工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,查看工程量“明細(xì)表”,可隨時快速準(zhǔn)確地查看工程消耗量等數(shù)據(jù)信息[10],了解工程運營狀況,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、機實施計劃,實現(xiàn)資源消耗控制調(diào)整,進而有效地實現(xiàn)工程成本風(fēng)險管控。如拱橋中存在大量異型構(gòu)件,分類別、分部位、分工況進行工程量統(tǒng)計,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)的危險源識別體系,根據(jù)項目搭建的BIM模型,將危險源標(biāo)注在BIM模型中,注明各危險源的防護要求、樣式,確保危險源檢查全覆蓋、不遺漏。如檢查過程中發(fā)現(xiàn)無防護、防護不到位、無警示標(biāo)語等安全隱患問題,可隨時拍照,記錄檢查情況,并將其在模型上進行標(biāo)識,及時督促相關(guān)責(zé)任人整改,整改完成后取消標(biāo)識,排除安全隱患;針對工程施工中產(chǎn)生的廢物、廢水、廢氣等環(huán)境污染物,可運用BIM技術(shù)結(jié)合實際情況分析工區(qū)附近環(huán)境,針對性地制定相應(yīng)環(huán)保措施,建立基于BIM模型的環(huán)保信息平臺,統(tǒng)一有序管理。制作各類安全環(huán)保標(biāo)識標(biāo)牌族文件,將標(biāo)識標(biāo)牌導(dǎo)入Infraworks軟件,應(yīng)用于施工場地布置,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,進行簡單明了的安全環(huán)??梢暬坏?,實現(xiàn)環(huán)保綠色施工。
(1) 本文結(jié)合下承式大跨度尼爾森體系簡支拱橋施工,基于BIM技術(shù)的精細(xì)化施工管理,組建了BIM實施小組,提出了實施階段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支拱橋設(shè)計的基礎(chǔ)上,明確了下承式大跨度尼爾森體系簡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;深入研究了簡支拱橋施工工藝,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支拱橋建模流程,并提出建模流程關(guān)鍵性控制點。提高了BIM技術(shù)于簡支拱橋建模的效率和精細(xì)度,深化了BIM技術(shù)運用的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性以及可出圖性特點,展示了基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的簡支拱橋核心構(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)件的模擬施工場景,有效減少了設(shè)計變更與返工,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,運用BIM技術(shù)模擬簡支拱與榮濰高速公路的場地位置及整體漫游,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對拱橋進行預(yù)拼裝,解決了二次拋物線定位問題,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,實現(xiàn)了軟件間信息轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)了建模、碰撞檢測、設(shè)計深化、出圖以及整體效果展示等運用,節(jié)約了項目資源,提高了工程質(zhì)量。
(3) 本項目基于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,大大節(jié)省了管柱支架、工字鋼等周轉(zhuǎn)材料;通過三維反饋設(shè)計,優(yōu)化鋼筋、鋼絞線設(shè)計,精確鋼筋翻樣,有效降低材料成本;通過綜合施工技術(shù)研究,有效降低了交通管理費用,減少了勞動力投入,提高了產(chǎn)品一次質(zhì)量合格率,為項目大大地節(jié)約成本。本項目基于BIM技術(shù)的下承式大跨度尼爾森體系簡支拱橋的成功施工,可為類似工程的施工提供參考依據(jù)。