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。