王碧軍， 王明慧， 陳艷芳， 杜 康， 張 橋

(1.中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400037；2.渝萬鐵路有限公司，重慶 400014；3.重慶交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，重慶 400074)

鋼圍堰施工是跨?；蚩缃髽蚴┕ぶ兄匾慕M成部分。鋼圍堰結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、體系轉(zhuǎn)換受力復(fù)雜，在進行鋼圍堰設(shè)計及施工時，通常通過CAD軟件進行圖紙繪制[1]。然而，CAD繪制的設(shè)計圖紙在工程實踐中存在一定的局限性，很難對鋼圍堰的整體結(jié)構(gòu)、鋼圍堰復(fù)雜的施工工藝進行迅速、準(zhǔn)確的辨認，不能實現(xiàn)項目施工協(xié)同工作及數(shù)據(jù)共享[2]。

建筑信息建模/管理(Building Information Modeling/Management，BIM)是一種實現(xiàn)建設(shè)項目的數(shù)字描述和管理的新型技術(shù)，其可以建立建筑全生命周期的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)項目數(shù)據(jù)的共享、更新、修改、運用等功能，進而實現(xiàn)項目的協(xié)同作業(yè)。利用BIM技術(shù)指導(dǎo)橋梁施工，可顯著提高施工效率和質(zhì)量，優(yōu)化項目管理水平。

1 工程概況

彭溪河多線特大橋位于重慶市境內(nèi)，長約742 m，共14跨，第10至12跨為(96+200+96)m連續(xù)剛構(gòu)-拱組合結(jié)構(gòu)。橋址處于低水位時，河段寬約230 m；高水位時，河段寬約340 m，處在三峽三期蓄水庫區(qū)范圍，且有Ⅲ級通航要求，通航水位最高174.46 m(85高程，以下同)、最低143.87 m。施工中采用鋼棧橋及雙壁鋼吊箱圍堰輔助完成水下基礎(chǔ)的施工，基礎(chǔ)施工處于三峽庫區(qū)蓄水范圍，水位變化周期快，高差30多m，通過對陡坡河床裸露基巖水位無規(guī)律大幅度升降與通航條件下橋梁施工技術(shù)研究，通過BIM三維仿真、三維交底技術(shù)、VR技術(shù)等應(yīng)用，確保施工質(zhì)量的安全可靠。

項目主要特點為：鋼吊箱作為承臺施工擋水結(jié)構(gòu)，設(shè)計復(fù)雜、加工難度大。鋼吊箱板材的焊接焊縫質(zhì)量等級較高，在焊接過程中的防變形措施顯得尤為重要，焊接后的變形校正工作量較大。鋼構(gòu)件加工數(shù)量較多，周期比較長，保存、運輸?shù)入y度較大。封底混凝土設(shè)計厚度3.5 m,一次性澆筑方量約1 200 m3,一次性水下封底方量大,澆筑時間長,并且在高水位期進行水下封底、澆筑工藝和現(xiàn)場組織安排均要嚴格控制。

2 基于BIM的施工技術(shù)

2.1 施工仿真模擬

彭溪河大橋工程工期緊，交叉施工優(yōu)化難，臨時結(jié)構(gòu)布置難，鋼圍堰加工、拼裝、下放施工難度較大，運用鋼圍堰BIM模型進行仿真施工(見圖1)，可以更迅速的了解施工工藝、控制要點以及施工組織情況?，F(xiàn)場管理人員可以合理有序的安排施工進度，確保鋼圍堰拼接、下放高效有序[3]。

圖1 鋼圍堰與主體結(jié)構(gòu)總圖

鋼圍堰結(jié)構(gòu)在普通的CAD平面圖紙上無法直觀呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式、連接節(jié)點等視點效果。通過模型漫游，對拉壓桿與圍堰底部龍骨的連接方式、拉壓桿與鋼護筒的連接方式進行建模，使得圍堰下放系統(tǒng)中各項工作方式、連接方式一目了然。

例如，拉壓桿與圍堰底部龍骨的連接大樣(見圖2)為圍堰結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位，此處的連接施工、體系轉(zhuǎn)換關(guān)系著整個鋼圍堰施工的成敗[4]。特別是鋼吊箱拉壓桿上端與鋼護筒按設(shè)計要求進行焊接連接，封堵鋼護筒四周洞口，施工封底混凝土，等封底混凝土達到設(shè)計強度，利用設(shè)備抽排鋼圍堰內(nèi)部水，將鋼吊箱拉壓桿下端與鋼護筒按設(shè)計要求進行焊接連接，并將鋼吊箱拉壓桿上端與鋼護筒焊接連接解除，完成體系轉(zhuǎn)換。

通過模型漫游實現(xiàn)模型可視化，對施工前、施工中的放樣、連接等工作及時比對，發(fā)現(xiàn)問題及時進行改正。

2.2 碰撞檢查

鋼圍堰內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，根據(jù)設(shè)計圖紙，每層內(nèi)支撐豎向在中間節(jié)點處設(shè)置4根鋼管，安裝內(nèi)支撐前先安裝豎向鋼管，采用鉛垂線與全站儀測量方式對其垂直度進行測量(見圖3)并矯正[5]。

通過深化模型，檢測出結(jié)構(gòu)干涉，提出鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計時存在的系列問題：如鋼圍堰與棧橋距離較近，鋼圍堰標(biāo)注尺寸錯誤導(dǎo)致水位變化與鋼圍堰高度不符合實際情況，拉壓桿體系與護筒結(jié)構(gòu)空間位置沖突等。

內(nèi)支撐采用分層安裝技術(shù)，安裝完成后將鋼吊箱圍堰下放。內(nèi)支撐在場內(nèi)提前根據(jù)設(shè)計圖紙下料，現(xiàn)場拼裝固定。實際操作中考慮到封底混凝土用的隔艙板、底部環(huán)形鋼板等需穿過內(nèi)支撐狹小的空間進行下放，而且內(nèi)支撐安裝時相互干擾極大。碰撞檢查可在施工前對鋼圍堰內(nèi)支撐安裝、封底混凝土施工時的各項設(shè)備下放等工序進行檢查，有效避免了問題的發(fā)生。

2.3 構(gòu)件信息查詢

為了在極短的時間內(nèi)組織好施工，需要對各部位構(gòu)件進行編碼。運用BIM將鋼圍堰相關(guān)信息與模型進行關(guān)聯(lián)，通過手機移動端、云平臺等方式進行信息模型檢索，可對構(gòu)件的重量、部位、尺寸、連接方式、連接要求等信息實時查看，為項目快速、高效、準(zhǔn)確施工打下堅實的基礎(chǔ)。

2.4 復(fù)雜節(jié)點優(yōu)化

彭溪河大橋10#、11#鋼圍堰設(shè)4道水平支撐，內(nèi)支撐采用?820 mm×10 mm的鋼管，從下部以此向上共計4層(見圖4)。內(nèi)支撐設(shè)置有豎向支撐鋼管，其安裝分層進行；底部豎撐支撐在圍堰底板大龍骨上，采用焊接連接，為防止出現(xiàn)滲水，鋼管采用鋼板封底。內(nèi)支撐的平面設(shè)計為“Y”形，此形狀在封底及承臺施工時，存在材料、設(shè)備下放空間小、施工效率低等難點。通過對內(nèi)支撐部位虛擬施工+模型建立的方式，提出3種處理方法：①根據(jù)內(nèi)支撐的空間對鋼筋專門下料；②通過結(jié)構(gòu)計算對鋼筋布置方式進行優(yōu)化；③將平面為“Y”形的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)形式更改為井字架結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)3種解決方案的模型演示、仿真，經(jīng)現(xiàn)場施工人員的討論分析，結(jié)合方案①的可行性對方案③進行了設(shè)計優(yōu)化，施工中有效避免了空間狹小、施工組織困難等難題。

圖2 拉壓桿連接大樣 圖3 空間測量定位的三維模型 圖4 鋼圍堰內(nèi)支撐位置關(guān)系

2.5 工程量統(tǒng)計

建立鋼圍堰單位工程全專業(yè)主體工程量，并實施落地全專業(yè)各種鋼構(gòu)件等的數(shù)量統(tǒng)計，精準(zhǔn)的尺寸與圖紙進行復(fù)核對比，利用尺寸數(shù)據(jù)導(dǎo)出excel表格，通過布爾運算解決硬件卡頓及顯卡配合問題，保證項目所需的全部工程量的復(fù)核對比，為項目減少復(fù)核工作量。

2.6 鋼構(gòu)件的制作及空間測量定位

鋼吊箱圍堰主要由內(nèi)壁板、外壁板、支撐角鋼、隔艙板、箱型板單元件等組成，部件之間均為焊接連接。水平環(huán)板、箱型板需緊貼內(nèi)外側(cè)板施焊，一定程度上可以控制內(nèi)、外單元件斷面尺寸，防止單元件扭曲變形，承擔(dān)側(cè)板單元件中內(nèi)胎的作用，加工精度要求極高，下料時必須控制嚴格。下料切割完成后，嚴格檢查加勁板長寬及矢高尺寸。壁板等構(gòu)件的加工精度影響著鋼圍堰整體拼裝質(zhì)量，利用Tekla Structures軟件進行三維建模，在壁板建模過程中對隔艙板、箱型板等構(gòu)件的尺寸、彎曲弧度等利用軟件功能進行驗證(見圖5)。支撐角鋼的安裝精度影響到鋼吊箱圍堰的結(jié)構(gòu)安全，通過Tekla Structures軟件對構(gòu)件進行建模，利用建模構(gòu)件形成的空間位置關(guān)系、構(gòu)件數(shù)據(jù)進行安裝大樣圖的生成[6]。

主墩鋼吊箱設(shè)計分為4層：底3節(jié)高度7.5 m，頂節(jié)高度8.4 m，形成其底板及側(cè)板、整體下放內(nèi)支撐的施工方案：一是根據(jù)拼裝后的底板，在底板上放出內(nèi)外側(cè)板的線，做好相關(guān)標(biāo)記。二是在起吊側(cè)板時，根據(jù)設(shè)置在底板上的定位塊進行側(cè)板的安裝，同時詳細檢查安裝后的位置。

底板及側(cè)板安裝精度要求較高，利用ekla Structures建立的模型進行構(gòu)件測量坐標(biāo)的放樣，對構(gòu)件的測量控制線及中心線的坐標(biāo)定位后，運用全站儀及相關(guān)測量儀器進行測量放線及調(diào)整[7]。

3 基于BIM的施工管理

3.1 項目管控

利用BIM模型進行相關(guān)數(shù)據(jù)整合并進行二次開發(fā)，生成項目施工生產(chǎn)過程的控制管理平臺，此平臺的突出特點是適應(yīng)每一個項目。由于初始定位在項目級別，所以能針對各個項目的特點，按需提供相應(yīng)的管理模塊，真正的將本項目的重點、難點進行統(tǒng)一的管理，并且全三維的瀏覽模式也能更加清晰反映問題，實現(xiàn)使用者對項目的三維全局掌控。

3.2 施工進度管理

通過BIM對時間、人力、材料、機械等各種資源并對這些資源進行合理分配的管理，其最終目標(biāo)是在合同約定的時間內(nèi)完成工程項目建設(shè)內(nèi)容。在鋼吊箱圍堰施工中，以廣聯(lián)達BIM 5D為平臺，關(guān)聯(lián)構(gòu)件清單、物資信息、單價清單，以專人對每天的施工進度進行錄入更新[8-10]，項目部全員通過手機端等方式進行相關(guān)專業(yè)的查看，及時了解現(xiàn)場施工信息。

3.3 安全管理

運用采集高清視頻圖像，鋼吊箱圍堰施工時隨時查看不同工序、時間范圍內(nèi)的施工情況。將該圖片、視頻資料與BIM模型進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)模型與現(xiàn)場施工的有效集合，并及時對采集到的施工過程進行識別、判別安全等級，確保施工安全。

4 基于BIM的3D打印

彭溪河鋼圍堰結(jié)構(gòu)復(fù)雜，前期需要方案論證、施工中需要對作業(yè)人員進行詳細的技術(shù)交底，利用3D打印出來的縮尺比例鋼圍堰模型，直觀的進行實體復(fù)制(見圖6)。

圖5 壁板細部結(jié)構(gòu)圖 圖6 鋼圍堰3D打印模型

利用BIM技術(shù)對鋼圍堰進行參數(shù)化建模后，對建成的三維模型進行逐層截面“分割”，用于指導(dǎo)打印機進行打印。打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用片狀的材料將這些截面逐層的打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來，制造出一個實體。

5 結(jié)束語

BIM技術(shù)在彭溪河大橋的應(yīng)用，可有效解決鋼圍堰構(gòu)件下料、加工高精度的難題，克服鋼圍堰內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小、施工組織的困難，驗證方案前期論證過程中的科學(xué)合理問題、降低實施成本，防止施工過程中容易遺漏的安全問題等?？傊?，通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，全方位提高了蓬溪河大橋鋼圍堰施工工程的建設(shè)管理水平，為工程建設(shè)科學(xué)化、精細化管理起到了一定的推動作用。