張偉元

（中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

由于鋼箱梁具有較高的強(qiáng)度、較輕的自重，同時對鋼材消耗量有良好的控制，并且具有耐久性方面的優(yōu)勢，因此逐步發(fā)展成為城市立交橋建設(shè)中主梁形式的首選方案[1-2]。

城市跨越式工程施工不可避免會遇到各種復(fù)雜工況，其中臨近220 kV高壓線的小半徑曲線鋼箱梁吊裝施工是常見的難點(diǎn)問題。本文依托蘇州G312-G524節(jié)點(diǎn)工程ES匝道橋第九聯(lián)鋼箱梁吊裝工程，通過理論研究和對施工現(xiàn)場的實(shí)地考察，提出了使用BIM技術(shù)模擬現(xiàn)場各施工工況的方案，并對該方案進(jìn)行了詳細(xì)的探討，最終解決了施工難題，保證了施工安全。

1 工程概況

G312-G524節(jié)點(diǎn)工程項(xiàng)目位于蘇州市相城區(qū)，其中G524主線橋西側(cè)有1條220 kV高壓電力架空線（樓陸4X61線）通過，該高壓線最低點(diǎn)離地高度為41.3 m～53.1 m。220 kV高壓電線由北向南依次跨越NW匝道、SW匝道、G312老橋、ES匝道、NE匝道、WS匝道共6處。其中高壓線離ES匝道第九聯(lián)橋面高差較小，施工過程中存在安全風(fēng)險，尤其是ES第九聯(lián)鋼箱梁吊裝施工安全風(fēng)險較大，部分梁端半徑較小，最小曲線半徑為90 m，單跨跨度較大，最大跨度為55.85 m。ES匝道橋是連接G312高架與G524高架東轉(zhuǎn)南方向的匝道，其中第九聯(lián)全長127.5 m，分為8個節(jié)段，采用支架分段吊裝法施工。

2 施工前期方案選擇及應(yīng)用

2.1 方案選擇

G312-G524節(jié)點(diǎn)工程ES匝道部分鋼箱梁節(jié)段在吊裝施工過程中與高壓線空間距離較近，為確保施工安全，需對不同工況下吊裝施工進(jìn)行模擬，并對與高壓線的空間關(guān)系進(jìn)行測算明確。使用常用的CAD等平面工具無法進(jìn)行施工過程模擬，也無法直觀測算凈空。

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)際的工況模擬和凈空的精準(zhǔn)測量，本方案利用BIM技術(shù)的虛擬建造功能將現(xiàn)場與設(shè)計數(shù)據(jù)在計算機(jī)中進(jìn)行建模，并根據(jù)設(shè)備選型直接將吊裝過程進(jìn)行模擬。相較于CAD，基于BIM所設(shè)計的三維模型更能直觀地表現(xiàn)工程實(shí)際狀況，尤其針對復(fù)雜情況下的吊裝梁施工，三維模型更能有效地指導(dǎo)施工[3]。

2.2 BIM應(yīng)用具體流程

1）對設(shè)計圖紙進(jìn)行處理，提取原地形標(biāo)高、平面道路、匝道線、樁號等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）利用Revit和Dynamo生成對應(yīng)的模型，包括施工場地原地面模型、太陽路道路模型、G312既有高架模型、ES匝道第九聯(lián)鋼箱梁模型、260 t履帶吊參數(shù)化模型等。

3）利用Navisworks軟件將各類模型整合，還原一個數(shù)字化的施工模型。

4）利用每節(jié)塊鋼箱梁的吊點(diǎn)在三維模型中模擬顯現(xiàn)，將參數(shù)填入履帶吊參數(shù)化模型中，將履帶吊與鋼箱梁按吊裝要求進(jìn)行組合，再通過吊臂的工作半徑、場地標(biāo)高、現(xiàn)場限制因素等確定履帶吊的最佳吊裝站位，即可模擬出實(shí)際吊裝過程。

5）通過以上模型建立和吊裝模擬，通過軟件的測量與標(biāo)識功能對履帶吊吊臂頂與高壓線距離進(jìn)行凈空測算，判斷施工方案的安全性和合理性。

2.3 三維模型構(gòu)建

1）ES匝道第九聯(lián)施工BIM模型。通過提取設(shè)計圖紙中的數(shù)據(jù)，利用BIM建立G312-G524節(jié)點(diǎn)工程ES匝道第九聯(lián)施工BIM模型，見圖1。

圖1 G312-G524節(jié)點(diǎn)工程ES匝道第九聯(lián)施工BIM模型

2）履帶吊模型。根據(jù)已確定的履帶吊設(shè)備性能參數(shù)，即吊臂長42 m，工作幅度（回轉(zhuǎn)半徑）22 m～18 m，利用Revit進(jìn)行參數(shù)化精準(zhǔn)建模，建立履帶吊模型。

3）履帶吊站位模型。為精準(zhǔn)控制本次吊裝作業(yè)，實(shí)現(xiàn)箱梁吊裝一次到位，確保施工安全、穩(wěn)定、可靠，在確定履帶吊性能參數(shù)后，利用BIM模型，通過箱梁節(jié)段的固定吊點(diǎn)和現(xiàn)場具體制約情況，反算履帶吊停車范圍并最終確定最合適停車的空間坐標(biāo)。

2.4 BIM技術(shù)應(yīng)用成果

G312-G524節(jié)點(diǎn)工程ES匝道第九聯(lián)鋼箱梁施工通過BIM技術(shù)的建模和施工模擬，得出以下成果：①220 kV高壓線三維模型，即在220 kV高壓線安全影響范圍內(nèi)所有構(gòu)筑物的三維模型及主要吊裝施工過程的動態(tài)模擬；②模擬現(xiàn)場吊裝施工過程的動畫演示；③吊裝過程中履帶吊吊臂頂點(diǎn)與高壓線之間的空間距離關(guān)系；④以4#-3梁為例，得到了吊裝施工過程中主要控制要素，包括鋼箱梁吊點(diǎn)位置、現(xiàn)場存梁位置、履帶吊作業(yè)站位位置、履帶吊吊臂抬升角度范圍及履帶吊吊臂旋轉(zhuǎn)范圍等，詳見表1。

表1 4#-3吊裝施工過程控制要素

以第九聯(lián)4#-3梁為例，通過BIM技術(shù)確定最佳吊點(diǎn)位置后，吊起4#-3梁距高壓線直線距離15.08 m后，吊車開始旋轉(zhuǎn)至梁安裝位置，吊車吊臂水平夾角從63.1°增至64°，在安裝過程中，吊車吊臂距高壓線直線距離為12.30 m。通過BIM技術(shù)可以清晰地在計算機(jī)上還原鋼箱梁橋的吊裝過程，并得到吊車吊臂頂點(diǎn)與高壓線的實(shí)時距離，提高此類工程的安全性和可靠性。

3 小半徑曲線鋼梁制造工藝及注意事項(xiàng)

3.1 制造工藝

在小半徑鋼梁曲線制造之前，需要合理分解結(jié)構(gòu)，按照規(guī)定的尺寸采購鋼板材料，以此減少材料的損耗。此外，板單元下料前應(yīng)當(dāng)使用數(shù)控切割機(jī)，在沒有大型數(shù)控銑邊機(jī)的情況下，鋼板開破口可以采用經(jīng)過改進(jìn)的半自動切割機(jī)（見圖2），其操作簡單便捷、節(jié)約成本，值得推廣。在鋼梁總拼時，如果鋼箱梁長度≤100 m可以采用長線預(yù)拼法，先制作出整個鋼箱梁的胎架，并在胎架上設(shè)置預(yù)拱度與橫向邊坡，盡力保證箱梁的總體線形。大量實(shí)踐證明，該工藝適用于不同城市快速路護(hù)筒或公路立交匝道曲面線半徑≤100 m的小半徑鋼箱梁施工，還可以適用于機(jī)場、碼頭及車站等小半徑曲線鋼箱梁的施工。

圖2 經(jīng)過改進(jìn)的半自動切割機(jī)示意圖

小半徑曲線鋼梁制造流程如下：①對鋼箱梁縱向和橫向進(jìn)行分段和分塊；②鋼板下料、開曲線坡口、再焊接成塊；③將鋼箱梁塊吊裝至胎架上進(jìn)行全橋預(yù)拼裝，正確調(diào)整線形和尺寸，焊接底板與腹板、頂板和橫隔板之間的焊縫應(yīng)飽滿，以上焊縫經(jīng)過無損檢測之后，將鋼箱梁送入砂房噴砂和除銹，再涂裝，然后存入梁場。小半徑曲線鋼梁制造流程如圖3所示。

圖3 小半徑曲線鋼梁制造流程圖

3.2 注意事項(xiàng)

1）張拉預(yù)制底座。張拉預(yù)制底座應(yīng)牢固、無缺陷，并綜合考慮排水情況，防止因排水不暢造成地基下沉。

2）模板。保證模板結(jié)構(gòu)合理，拆卸方便，綜合考慮模板周轉(zhuǎn)率和適應(yīng)性，小箱梁外膜應(yīng)使用高強(qiáng)度腹膜竹膠合模板，模板表面應(yīng)光滑、無變形，接縫不漏漿。內(nèi)膜使用木模，內(nèi)膜定位準(zhǔn)確無誤，不得出現(xiàn)錯位、上浮或者漲模等現(xiàn)象。

3）鋼筋。如果在施工組織設(shè)計中未能明確說明鋼筋直徑≥12 mm時，鋼筋接頭應(yīng)采用焊接方式；如果鋼筋直徑〉12 mm，應(yīng)采用綁扎方式。鋼筋加工嚴(yán)格按照設(shè)計要求執(zhí)行。

4）預(yù)應(yīng)力鋼材。施工過程中，鋼絞線截斷使用切斷機(jī)或者砂輪鋸，切忌使用電弧。

5）鋼波紋管。鋼波紋管使用成品鍍鋅鋼波紋管制作而成，波紋管厚度應(yīng)≥0.3 mm。

6）箱梁混凝土。①水泥。使用品質(zhì)優(yōu)良的525#，625#硅酸鹽水泥或者普通硅酸鹽水泥，同一座小箱梁使用同一種類型的水泥，禁止使用變質(zhì)或者復(fù)合水泥。②粗骨料。使用堅(jiān)硬的碎石、連續(xù)級配的粗骨料，采用錘擊式破碎生產(chǎn)方式，直徑≤2 cm。③細(xì)骨料。使用級配好、質(zhì)地好且干凈的河沙作為細(xì)骨料，無鹽堿、黏土及云母等有害物質(zhì)。④水。水中不得有影響水泥正常凝結(jié)的有害雜質(zhì)，水的pH值應(yīng)在4～8.5，并且不得使用酸鹽含量〉2 700 mg/L的水。⑤減水劑。應(yīng)使用經(jīng)過相關(guān)部門鑒定并具有合格證明的減水劑，減水劑中不得有氯化鈣。

7）預(yù)制箱梁、濕接縫鋼筋的拼裝與制作。預(yù)制箱梁、濕接縫鋼筋的拼裝與制作均應(yīng)在施工現(xiàn)場綁扎或者焊接，位置、間距應(yīng)嚴(yán)格按照施工組織設(shè)計要求進(jìn)行；箱梁預(yù)應(yīng)力孔道的波紋管應(yīng)具備一定的強(qiáng)度，安裝位置準(zhǔn)確無誤；鋼筋和模板之間使用墊塊，保證混凝土層的保護(hù)厚度滿足要求。

8）鋼絞線張拉。使用質(zhì)量可靠的鋼絞線，張拉千斤頂在使用之前應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)校對。清洗張拉前錨具；鋼絞線張拉嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行；鋼絞線張拉不宜超張拉，實(shí)測的伸長值與理論的伸長值之間的差值應(yīng)≤6%；待混凝土強(qiáng)度值達(dá)到設(shè)計要求的90%時，方可進(jìn)行張拉。

9）小箱梁拱度觀測。預(yù)制箱梁張拉完成后，委派專業(yè)人員觀測1 d，3 d，7 d，30 d，60 d，90 d的拱值，并做好記錄；如果正負(fù)差異〉20%，立即停止施工，待查明原因后采取針對性的措施，在監(jiān)理工程師同意的情況下方可施工。

10）預(yù)應(yīng)力孔道灌漿、封錨。張拉完成后及時進(jìn)行灌漿；壓降前，先清洗和濕潤孔道，如有積水，使用排風(fēng)機(jī)吹干；水泥漿由經(jīng)過準(zhǔn)確稱量的525#普通硅酸鹽水泥或者硅酸鹽水泥、水組成，抗壓強(qiáng)度≥40 MPa。水泥強(qiáng)度達(dá)到40 MPa時方可吊裝箱梁。

11）小箱梁存放。小箱梁存放場地應(yīng)平整夯實(shí)；主梁按照編號順序存放，且不宜超過2層，層與層之間墊木塊；主梁存放日期嚴(yán)格按照施工組織設(shè)計執(zhí)行。

12）箱梁吊裝準(zhǔn)備。認(rèn)真檢查箱梁預(yù)埋件位置、尺寸是否符合設(shè)計要求；鑿除處理層和混凝土表面的水泥砂漿；安裝永久性支座。

13）箱梁吊裝。主梁使用捆綁式吊裝，如果使用其他吊裝方式，應(yīng)仔細(xì)驗(yàn)算主梁受力，并將吊裝方案報經(jīng)監(jiān)理工程師。

14）箱梁現(xiàn)澆濕接縫施工。混凝土澆筑應(yīng)嚴(yán)格按照施工組織合計要求進(jìn)行，箱梁預(yù)制、澆筑和橫向濕接縫時間應(yīng)≤90 d。

15）橫膈梁施工。保證頂板和底板最外層鋼筋焊接質(zhì)量，保證焊縫長度應(yīng)滿足施工組織設(shè)計要求；如果需要調(diào)整伸縮縫預(yù)留槽尺寸，應(yīng)綜合考慮邊跨橫梁。

16）工作孔施工。工作孔受力鋼筋應(yīng)當(dāng)使用焊接方式，焊縫長度滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）。

17）調(diào)平層施工。①鑿除橋面板、混凝土表面的松弱層；②采用2%橫坡，對不符合2%橫坡平面上的混凝土進(jìn)行鑿除；③經(jīng)過鑿毛處理的混凝土，應(yīng)使用潔凈的水沖洗干凈；④其他未盡事宜嚴(yán)格按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行，如果施工組織設(shè)計文件中有特殊要求，應(yīng)遵照執(zhí)行。

4 施工中擬采用的安全措施

通過BIM技術(shù)對本次工程吊裝的實(shí)時模擬，基本解決了臨近220 kV高壓線的小半徑曲線鋼箱梁吊裝的難題，但在施工過程中仍需要采取必要的安全措施。

4.1 高壓線安全影響范圍內(nèi)施工安全防護(hù)措施

可從機(jī)械、人員和BIM技術(shù)3個層面進(jìn)行分析。

1）履帶吊大臂頂端設(shè)置高壓電力設(shè)備非接觸預(yù)警系統(tǒng)，吊機(jī)吊索纏繞厚3 mm塑料絕緣皮，吊車車體有效接地。

2）現(xiàn)場高壓下施工人員需要做好絕緣防護(hù)措施，包括絕緣手套、絕緣膠鞋、高壓絕緣墊等絕緣裝備，嚴(yán)禁施工時無防護(hù)設(shè)施；現(xiàn)場其他施工人員包括起重設(shè)備操作人員及指揮人員等必須持證上崗，無操作合格證的禁止入場，其中起重設(shè)備頂部必須采取絕緣措施，并且起重設(shè)備的工作半徑與架空線路邊線保持安全距離，最小安全距離≥6 m，吊裝作業(yè)過程中必須有專人指揮[4]。

3）通過BIM建模的成果及準(zhǔn)確定位的坐標(biāo)在現(xiàn)場實(shí)際放樣可確定履帶吊的最佳站位，然后通過數(shù)字化的操作屏控制抬臂角度。在各梁吊裝過程中，針對吊裝過程中直線距離較近的節(jié)段吊裝，為消除人為操作產(chǎn)生的誤差（旋轉(zhuǎn)角度過大）對高壓線的影響，可以增加剛性卡控裝置，剛性卡控裝置可以接在護(hù)欄扶手上，也可埋設(shè)在地面，以本工程5#-3梁吊裝為例，采用BIM技術(shù)可得到其模型及其坐標(biāo)，見表2，圖4。

圖4 5#-3剛性卡控裝置模型

表2 5#-3剛性卡控裝置設(shè)置坐標(biāo) m

4.2 交通安全防護(hù)措施

1）道路管制。施工前與交通管理部門取得聯(lián)系，獲得許可；準(zhǔn)備好夜間施工的照明設(shè)施、夜間警示燈等。

2）交通疏導(dǎo)。加強(qiáng)對施工車輛的管理，遵守交通規(guī)則，在施工區(qū)域兩側(cè)、設(shè)交通安全防護(hù)員，保證道路行車安全及暢通。

3）在鋼箱梁四周設(shè)置臨邊防護(hù)欄桿、安裝定形式網(wǎng)片、設(shè)置擋腳板，防止鋼箱梁后續(xù)施工時橋面上材料、工具掉落到臨近的道路上[5]。

5 施工工藝及經(jīng)濟(jì)性分析

由于鋼箱梁為分塊制作而成，在底板單元的劃分過程中充分考慮了原材料的尺寸、焊縫及車間和施工現(xiàn)場的起重能力等諸多因素。因此，每一塊鋼箱梁的訂貨尺寸都有利于控制下料后尾料的剩余量，減少和降低材料成本。

在對小半徑曲線鋼梁的頂、底板下料過程中，如果需要使用大型數(shù)控銑邊機(jī)，其采購、運(yùn)輸和安裝等成本比較高，對于總重量〈1 000 t的小半徑鋼梁來說成本攤銷難度較大。所以，還需要使用經(jīng)過改進(jìn)的半自動火焰切割機(jī)開坡口，使其可以適應(yīng)鋼板梁的曲線形狀，鋼板經(jīng)過切割、使用砂輪機(jī)打磨之后，焊縫坡口質(zhì)量完全滿足設(shè)計要求。該設(shè)備具有操作簡單、投入成本低且坡口質(zhì)量與數(shù)控銑邊機(jī)相當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)，相比之下，使用半自動火焰切割機(jī)開破口更具經(jīng)濟(jì)性、可行性。

由于鋼箱梁總拼長度略短，大約為70 m，需要使用到的胎架數(shù)量較少，可同時在3聯(lián)鋼箱梁總拼裝中周轉(zhuǎn)使用，且鋼梁會隨著平曲線使其結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高十分復(fù)雜，難以保證小半徑曲線鋼梁線形。因此，在廠房內(nèi)完成全段鋼梁整體預(yù)拼，可以充分保證小半徑曲線鋼梁的整體線形，有助于鋼梁在后續(xù)施工中的準(zhǔn)確定位。

6 結(jié)語

本文以蘇州G312-G524節(jié)點(diǎn)工程ES匝道橋第九聯(lián)鋼箱梁吊裝工程為實(shí)例，以設(shè)計圖紙等技術(shù)資料作為參考，建立復(fù)雜立交互通橋梁的BIM模型，并利用已有參數(shù)確定吊車吊裝最佳位置，最后模擬出實(shí)際吊裝過程。相較于傳統(tǒng)的CAD等工具，本文采用的BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“未造先建”。本方法提高了復(fù)雜環(huán)境下吊梁施工可靠性和安全性，同時提升了工程效益，取得了較好的應(yīng)用效果。