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        BIM技術(shù)在新建魯南高鐵跨越營業(yè)線施工中的應(yīng)用

        2021-09-26 11:46:58
        鐵道標準設(shè)計 2021年9期
        關(guān)鍵詞:鐵路模型施工

        吳 洋

        (中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院,濟南 250022)

        1 概述

        近年來,我國鐵路建設(shè)取得了快速發(fā)展,截止2020年底,全國鐵路網(wǎng)規(guī)模超過14萬km,其中,近5年建成通車約3萬km[1]。在鐵路網(wǎng)不斷完善的同時,跨越營業(yè)線施工任務(wù)越來越重。為提高跨越鐵路營業(yè)線施工管理效率,在魯南高鐵跨越營業(yè)線特大橋施工項目中,積極探索BIM、無人機、三維掃描儀等新技術(shù)應(yīng)用,通過搭建以BIM為核心的技術(shù)應(yīng)用體系,創(chuàng)新鐵路工程管理模式,從技術(shù)、管理層面開展跨越鐵路營業(yè)線施工管理工作, 以滿足整個項目科學化、精益化建設(shè)管理需求[2-8]。

        2 項目概況

        魯南高速鐵路,簡稱“魯南高鐵”,設(shè)計行車速度為350 km/h,是國家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的重要連接通道。

        本項目為新建魯南高鐵跨越營業(yè)線的6座特大橋工程,是魯南高鐵控制性工程。其中,肖家莊特大橋、永新特大橋采用轉(zhuǎn)體法施工,另外4座橋采用架橋機架梁上跨營業(yè)線施工。

        3 項目重難點分析

        3.1 營業(yè)線基礎(chǔ)資料缺失,空間位置關(guān)系難確定

        由于既有兗石鐵路、膠新鐵路等營業(yè)線運營時間較長,存在圖紙等技術(shù)資料缺失問題,導(dǎo)致無法精確掌握新建特大橋與既有營業(yè)線的空間位置關(guān)系,很難制定詳細的跨越營業(yè)線施工方案。

        3.2 施工周期長,行車安全風險大

        項目存在跨越營業(yè)線多、鄰近營業(yè)線施工周期長、作業(yè)體量大等難點。以肖家莊特大橋為例,轉(zhuǎn)體施工需跨越瓦日鐵路上下行線、兗石鐵路上下行線4條鐵路,鄰近營業(yè)線施工約13個月,設(shè)計采用跨度78 m+144 m+78 m雙線連續(xù)梁,轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)總重約125 000 kN(圖1),對鐵路正常運行安全影響大。

        圖1 新建肖家莊特大橋轉(zhuǎn)體施工后實景

        3.3 施工風險大,安全管理要求高

        安全管控是各參建方關(guān)注的焦點,由于橋梁施工工藝、鄰近營業(yè)線地下管線復(fù)雜,施工期間不僅要保證既有鐵路的正常運行,同時要確保施工安全。以跨沈海高速特大橋為例,新建26號~29號墩依次鄰近青連鐵路左線、兗石鐵路上下行線,28號墩帽梁模板距離鐵路建筑限界最小距離約1 m(圖2),現(xiàn)場作業(yè)空間受限,存在嚴重的安全隱患。

        圖2 新建跨沈海高速特大橋28號墩與營業(yè)線空間位置關(guān)系

        3.4 要點施工時間有限,施工要求高

        由于天窗施工有嚴格時間要求,需在規(guī)定時間內(nèi)完成既定工序施工,每道工序都要確保萬無一失。例如,永新特大橋跨越兗石鐵路轉(zhuǎn)體施工,按要求需在110 min天窗點內(nèi),完成特大橋轉(zhuǎn)體64°的施工準備、轉(zhuǎn)體施工、現(xiàn)場清理等工作。

        3.5 零號塊鋼筋碰撞多,施工難度大

        本項目連續(xù)梁零號塊鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋縱橫交錯,施工操作空間小,存在鋼筋碰撞點多、預(yù)應(yīng)力管道定位困難等問題,容易產(chǎn)生混凝土不密實,甚至空洞、澆筑不密實、蜂窩麻面等質(zhì)量問題[9]。

        4 實施方案

        項目團隊在詳細研究6座特大橋的施工重難點以及鐵路主管部門發(fā)布的(濟鐵總發(fā)〔2014〕325號)《營業(yè)線施工安全管理實施細則》等文件后,制定“安全第一、預(yù)防為主”的實施方針(圖3)。依次編制《魯南高鐵跨越營業(yè)線施工BIM技術(shù)應(yīng)用實施方案》、《魯南高鐵跨越營業(yè)線施工BIM執(zhí)行計劃》等指導(dǎo)性文件作為整個BIM實施過程指南,規(guī)范BIM工作實施流程、應(yīng)用模式、交付物、數(shù)據(jù)統(tǒng)一等內(nèi)容,指導(dǎo)項目科學實施,為項目管理提供技術(shù)支撐[10]。

        圖3 BIM技術(shù)應(yīng)用技術(shù)路線

        5 多層次、多角度、多方位BIM技術(shù)應(yīng)用

        本項目以高標準、高起點、高質(zhì)量的要求推動BIM技術(shù)落地應(yīng)用,綜合運用多項新技術(shù)開展建設(shè)管理深度探索與實踐,提高跨越營業(yè)線施工效率[11]。

        5.1 無人機應(yīng)用

        為避免對營業(yè)線影響,采用無人機傾斜攝影方式采集營業(yè)線數(shù)據(jù),形成設(shè)計結(jié)構(gòu)與復(fù)雜施工環(huán)境整合的三維BIM實景模型(圖4),用于指導(dǎo)現(xiàn)場總平面布置、校核新建特大橋與營業(yè)線空間位置關(guān)系[12-13]。

        圖4 無人機傾斜攝影應(yīng)用

        5.2 三維掃描儀應(yīng)用

        針對營業(yè)線基礎(chǔ)資料缺失的工點,采用三維掃描儀采集營業(yè)線橋梁、電氣化立柱等關(guān)鍵節(jié)點處點云數(shù)據(jù),建立營業(yè)線點云模型。通過點云模型與總裝BIM模型對比分析,一方面,完善技術(shù)資料缺失位置的BIM模型,另一方面,校核資料完整部分的BIM模型(圖5)。

        圖5 三維掃描儀點云模型校核

        5.3 零號塊鋼筋模型應(yīng)用

        針對零號塊鋼筋碰撞問題,通過建立零號塊鋼筋BIM模型(圖6),提前發(fā)現(xiàn)多處鋼筋碰撞問題,基于BIM模型優(yōu)化支座加強鋼筋網(wǎng)位置及層數(shù)、調(diào)整橫隔板橫向鋼筋間距,避免施工現(xiàn)場返工。

        圖6 零號塊鋼筋模型

        5.4 新建特大橋與營業(yè)線BIM模型

        基于搜集的營業(yè)線資料及無人機、三維掃描儀數(shù)據(jù),按照鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的BIM標準,搭建項目新建特大橋、營業(yè)線、場布模型、施工深化模型(圖7),用于技術(shù)交底、指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

        圖7 新建肖家莊特大橋與營業(yè)線BIM模型

        5.5 碰撞檢查

        按照施工方案既定工序,基于BIM總裝模型開展碰撞檢查,發(fā)現(xiàn)多處影響安全施工的碰撞問題,其中包括新建永新特大橋轉(zhuǎn)體過程中跨中鋼盒碰撞問題(圖8)、新建跨沈海高速特大橋27號墩帽梁模板與既有兗石鐵路回流線碰撞(圖9)等。通過出具碰撞報告等技術(shù)文件,為施工方案論證提供數(shù)據(jù)支撐。

        圖8 新建永新特大橋跨中鋼盒碰撞

        圖9 新建跨沈海高速特大橋27號墩碰撞

        5.6 施工BIM模型深化及施工方案論證

        針對碰撞問題,項目團隊充分發(fā)揮BIM可視化、可提供各參與方協(xié)同工作等技術(shù)特點,開展基于BIM模型的施工方案論證,應(yīng)用虛擬建造技術(shù)“先試后建”,不斷深化施工BIM模型(圖10),為項目決策、風險分析提供依據(jù)[14-18]。以跨沈海高速特大橋帽梁施工為例,經(jīng)過反復(fù)方案論證,綜合考慮作業(yè)空間、支架搭設(shè)、模板拼裝、混凝土澆筑、模板拆卸等因素,仿真多種復(fù)雜條件下的施工工序,最終確定帽梁采用鋼模板整體吊裝、地泵澆筑混凝土、模板分段拆卸的施工方案,保證施工效率的同時,確保了現(xiàn)場安全。

        圖10 新建跨沈海高速特大橋總裝模型與28號墩施工深化模型

        5.7 施工重難點BIM虛擬仿真

        針對營業(yè)線轉(zhuǎn)體施工、中跨鋼盒吊裝、整體鋼模板吊裝及拆卸、上跨營業(yè)線架梁施工等重難點,應(yīng)用BIM技術(shù)對重難點施工過程進行虛擬仿真,將高風險工序提前預(yù)演,發(fā)現(xiàn)風險源并制定保障措施(圖11)。以跨沈海高速特大橋架梁施工為例,通過將喂梁、出梁、落梁、就位、架橋機過孔等對鐵路運營安全影響大的施工工序動態(tài)仿真,分析風險源,制定了提前檢修架橋機、檢查吊梁鋼絲繩機械性能等方案。

        圖11 跨沈海高速特大橋上跨營業(yè)線架梁施工虛擬仿真

        5.8 天窗施工方案審查

        我國鐵路運輸網(wǎng)密集,列車運輸間隔小,為鐵路新建、改建、擴建所預(yù)留的天窗作業(yè)時間越來越短,天窗施工方案審查嚴格。通過將施工重難點仿真等BIM成果用于鐵路主管部門方案審查(圖12),可視化展示天窗時間內(nèi)各施工工序的銜接及安全防護,方便快速深刻地了解整個施工流程,更有針對性地提出審查意見[19]。

        圖12 新建永新特大橋天窗施工方案審查

        5.9 天窗轉(zhuǎn)體施工BIM應(yīng)用

        BIM技術(shù)應(yīng)用歸根結(jié)底需要落地于現(xiàn)場施工。通過BIM與無人機技術(shù)結(jié)合,創(chuàng)新特大橋在營業(yè)線轉(zhuǎn)體施工應(yīng)用,在永新特大橋與肖家莊特大橋天窗轉(zhuǎn)體施工中,利用無人機將現(xiàn)場航拍數(shù)據(jù)傳輸至總控室大屏。同時,應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將轉(zhuǎn)體數(shù)據(jù)同步到總控室的BIM實景模型,實現(xiàn)現(xiàn)場與BIM模型轉(zhuǎn)體數(shù)據(jù)同步,轉(zhuǎn)體過程中基于BIM實景模型實時測量梁體間安全距離,遠程調(diào)度指揮轉(zhuǎn)體進度,提高天窗點內(nèi)施工效率,確保特大橋順利轉(zhuǎn)體(圖13)。

        圖13 新建永新特大橋天窗轉(zhuǎn)體施工BIM應(yīng)用

        5.10 營業(yè)線施工工藝工法庫

        將經(jīng)過工程實踐驗證的工藝工法流程與BIM仿真成果整合后,形成營業(yè)線施工工藝工法庫,主要包括零號塊施工、轉(zhuǎn)體施工、中跨鋼盒吊裝、縱向懸臂墩施工、架梁施工等施工重難點(圖14)。

        圖14 跨越營業(yè)線施工工藝工法庫

        在未來跨越營業(yè)線施工項目中,項目實施人員可以通過掃描二維碼訪問存儲在云端的工藝工法庫,隨時隨地查看工藝工法標準以及施工流程,加強施工過程中安全防護與質(zhì)量過程控制。

        5.11 數(shù)字化交付

        BIM是大數(shù)據(jù)承載容器,包含設(shè)計數(shù)據(jù)、施工過程數(shù)據(jù)[20],項目完成后,將BIM成果按照統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準要求,對建設(shè)過程中設(shè)計資料、BIM模型、咨詢報告、交底文件、工藝工法庫等各類工程數(shù)據(jù)信息以通用格式的電子文檔移交,形成內(nèi)容全面、格式統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)完整的數(shù)字化檔案,為運維階段基礎(chǔ)設(shè)施管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[21-25]。

        6 結(jié)語

        針對鐵路主管部門、建設(shè)單位重點關(guān)注的營業(yè)線安全管理、質(zhì)量控制等問題,結(jié)合鐵路建設(shè)管理抓源頭、抓過程、抓細節(jié)方面的管理需求,項目團隊積極探索BIM與先進工程建造技術(shù)融合,在營業(yè)線數(shù)據(jù)采集、零號塊鋼筋碰撞、天窗施工仿真等應(yīng)用中起到良好效果,總結(jié)如下。

        (1)項目創(chuàng)新性應(yīng)用無人機、三維掃描儀采集鐵路營業(yè)線重點區(qū)域?qū)嵕皵?shù)據(jù),建立數(shù)字高程模型、點云模型,校核新建特大橋與營業(yè)線空間位置,解決了空間定位不準確的難點。

        (2)通過建立新建特大橋零號塊鋼筋模型,提前發(fā)現(xiàn)多處預(yù)應(yīng)力鋼筋碰撞并開展鋼筋排布優(yōu)化,有效提高零號塊鋼筋施工效率。

        (3)通過建立貫穿設(shè)計、施工階段的BIM實景模型,開展碰撞檢查、專家論證、方案優(yōu)化、可視化交底等工作,形成轉(zhuǎn)體施工、零號塊鋼筋碰撞等咨詢報告,為精細化施工提供數(shù)據(jù)支撐。

        (4)項目創(chuàng)新性應(yīng)用BIM成果向鐵路主管部門匯報天窗施工方案審查,提高了審查效率,縮短方案審批時間。

        (5)項目創(chuàng)新性將BIM、無人機、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)用于跨越營業(yè)線轉(zhuǎn)體施工中,提高了天窗施工效率。

        (6)建立了跨越營業(yè)線施工工藝工法庫,仿真施工作業(yè)風險大的工序,保障跨越營業(yè)線施工安全,為后續(xù)項目提供技術(shù)支撐。

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