馬汝杰,趙 杰,李夕林
(山東省交通規(guī)劃設(shè)計院集團有限公司 全壽命周期BIM 技術(shù)應(yīng)用研究中心,山東 濟南 250101)
泡沫輕質(zhì)土是一種在水泥基漿料中加入泡沫后凝固而成的輕質(zhì)類新型混凝土,其原材料主要由水泥、水和泡沫組成[1-2]。泡沫輕質(zhì)土憑借其輕質(zhì)性、重度和強度可調(diào)節(jié)性、自流性、直立性、易開挖及施工便捷性等特性,逐步應(yīng)用于公路建設(shè)領(lǐng)域[2-5]。其填筑工程以降低荷重或土壓力為目的,可應(yīng)用于軟基路堤、軟基橋臺臺背、道路加寬路堤、陡峭路堤、地下結(jié)構(gòu)頂部減荷回填,軟土地基與基礎(chǔ)處理,塌方快速搶險修復(fù),寒區(qū)路堤填筑工程。
公路工程中泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)用帶來了結(jié)構(gòu)體系的變革,土壓力的降低減少了肋板臺的使用,轉(zhuǎn)而應(yīng)用新型柱式臺構(gòu)造;荷重的降低減少了路基放坡,僅需外保護壁構(gòu)造。BIM 技術(shù)發(fā)揮其可視化和信息化的特點,面對應(yīng)用泡沫輕質(zhì)土帶來的結(jié)構(gòu)體系變化,通過參數(shù)化、程序化結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)新型柱式臺和路堤填筑的三維表達和工程量計算,為BIM 技術(shù)與泡沫輕質(zhì)土的融合應(yīng)用提供新思路。
沾化至臨淄高速公路是《山東省高速公路網(wǎng)中長期規(guī)劃(2014—2030 年)調(diào)整方案》中“縱四”沾化(魯冀界)至臨沂(魯蘇界)高速公路的一部分,是連接山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)、黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)與濟南都市圈聯(lián)系的重要通道,北接埕口至沾化高速,南接臨淄至臨沂高速[6]。根據(jù)信息化建設(shè)要求,該項目在規(guī)劃、設(shè)計及施工階段全流程應(yīng)用BIM 技術(shù),輔助項目高質(zhì)量高品質(zhì)建設(shè)。本項目設(shè)計方案:對于填土高度>5 m 的橋臺臺背、明涵及兩個距離較近的結(jié)構(gòu)物(距離<3 m)的臺背采用泡沫輕質(zhì)土填筑。BIM 技術(shù)與泡沫輕質(zhì)土的融合應(yīng)用主要體現(xiàn)在新型柱式臺和填筑路堤構(gòu)造兩方面。
肋板式橋臺是一種常見的橋臺形式,在橋臺高度較大時常被使用,通過設(shè)置肋板構(gòu)造來抵消土壓力、汽車荷載及汽車制動力和汽車沖擊力產(chǎn)生的順橋向位移和拉應(yīng)力,保證橋臺結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。泡沫輕質(zhì)土產(chǎn)生的土側(cè)壓力遠小于傳統(tǒng)臺背回填的荷載效應(yīng),可采用構(gòu)造簡單施工便捷的柱式橋臺形式,在滿足工程受力性能需求的基礎(chǔ)上降低工程造價??紤]該項目地基承載力情況,創(chuàng)新性的采用柱式臺身加小型承臺加柱式樁基的新型柱式臺結(jié)構(gòu)。利用BIM 的可視化特點,通過三維空間化表達不同的橋臺構(gòu)造類型,見圖1~圖3。
圖1 肋板臺(砂土回填)
圖2 傳統(tǒng)柱式臺(土回填)
圖3 新型柱式臺(泡沫輕質(zhì))
沾臨高速項目中除新型柱式橋臺外,傳統(tǒng)柱式臺的應(yīng)用也較為常見,為實現(xiàn)BIM 參數(shù)化驅(qū)動構(gòu)件的統(tǒng)一性,從設(shè)計流程中判斷是否有承臺構(gòu)造。若構(gòu)造中沒有承臺,直接調(diào)用柱式臺的樁基族,基于樁基底部高程計算每根樁基的長度,賦予構(gòu)件參數(shù)ZJH2;若構(gòu)造中有承臺,需根據(jù)臺身底標高計算臺身高度,按照設(shè)計臺身直徑賦予參數(shù)TSD;順序開展承臺設(shè)計和樁基設(shè)計,在樁基設(shè)計中充分考慮兩排樁基的直徑、樁長差異,實現(xiàn)設(shè)計方案的精確性表達。程序化流程見圖4。
圖4 項目柱式臺設(shè)計流程
泡沫輕質(zhì)土路堤填土順路線方向長度按倒梯形設(shè)計,底部距基礎(chǔ)內(nèi)邊緣3 m,坡率為1 ∶ 2,與一般路基填土間設(shè)置臺階。用復(fù)合土工膜包裹(土工膜厚0.3 mm),外側(cè)設(shè)直立式鋼筋混凝土擋墻保護壁或混凝土預(yù)制板保護壁。從BIM 構(gòu)件的角度出發(fā),按設(shè)計線將泡沫輕質(zhì)土分為左右兩側(cè),分別設(shè)定不同角度橫坡以滿足超高設(shè)計需求;沿縱向設(shè)定角度以實現(xiàn)豎曲線坡度;按設(shè)計坡率驅(qū)動倒梯形比例,完成和一般路基填土的結(jié)合;設(shè)定縱向長度參數(shù)L調(diào)整填筑樁號范圍。綜合考慮BIM 構(gòu)件的通用性和參數(shù)表達的簡約性,簡化臺階構(gòu)造細節(jié)。泡沫輕質(zhì)土BIM 構(gòu)件及參數(shù)見圖5。
圖5 泡沫輕質(zhì)土BIM 構(gòu)件
在沾臨高速某通道較近范圍內(nèi)已施工完成2 道涵洞,按原設(shè)計方案此處應(yīng)鑿除部分已施工構(gòu)造(如涵洞的翼墻和八字墻等),為減少工程變更,最大程度利用原有方案和已施工完成的涵洞,將通道臺背調(diào)整為泡沫輕質(zhì)土回填。利用無人機傾斜攝影技術(shù),真實還原現(xiàn)場施工情況,將通道BIM 模型疊加于三維場景中,為泡沫輕質(zhì)土調(diào)整方案的可視化比選和討論提供了參考依據(jù)。為估算方案調(diào)整后泡沫輕質(zhì)土用量,利用BIM 模型基本尺寸信息集成的特點計算通道兩側(cè)的回填體積,分別為6 651.215 m3和4 603.107 m3。小樁號側(cè)應(yīng)用見圖6。
圖6 BIM+傾斜攝影的泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用
(1)利用BIM 的可視化特點,通過對比肋板式橋臺、傳統(tǒng)柱式臺和新型柱式臺的不同空間構(gòu)造,實現(xiàn)了新型柱式臺的三維表達。(2)利用程序化和參數(shù)化的方法實現(xiàn)了橋臺設(shè)計方案的精細化BIM 模型創(chuàng)建。(3)針對泡沫輕質(zhì)土的路堤填筑,采用設(shè)定多角度、多參數(shù)、左右分幅的方法滿足不同縱橫坡、不同樁號的設(shè)計要求。(4)基于傾斜攝影和BIM 技術(shù)輔助輕質(zhì)泡沫輕質(zhì)土優(yōu)化設(shè)計,并計算工程量。從沾化至臨淄高速公路泡沫輕質(zhì)土的設(shè)計方案出發(fā),開展基于BIM 技術(shù)的泡沫輕質(zhì)土工程應(yīng)用研究,可視化信息化表達新型設(shè)計方案,減少了應(yīng)用新材料的顧忌和擔憂。