中圖分類號(hào):U445.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOl:10.13282/j.cnki.WCcst.2025.04.036文章編號(hào):1673-4874(2025)04-0130-04
0 引言
隨著信息技術(shù)與工程技術(shù)的發(fā)展,解決工程難題的手段有了顯著的改變,近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的建筑信息模型(BuildingInformationModeling,BIM)技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。一些項(xiàng)目根據(jù)自身特點(diǎn),在質(zhì)量、進(jìn)度、安全等方面進(jìn)行研究和應(yīng)用,取得較好成果。
波形鋼腹板組合梁橋是一種鋼與混凝土結(jié)合的結(jié)構(gòu)1,利用波形鋼代替箱梁的腹板,充分利用了混凝土的抗壓、鋼材的抗剪屈服強(qiáng)度高的特點(diǎn),顯著減少了橋梁上構(gòu)件的自重,同時(shí)避免了傳統(tǒng)連續(xù)剛構(gòu)橋腹板容易開(kāi)裂的問(wèn)題;改善了大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的下?lián)蠁?wèn)題,適用于跨度較大的剛構(gòu)橋[2。目前對(duì)此類橋型的施工,基本采用掛籃懸澆、支架現(xiàn)澆、移動(dòng)支架逐孔澆筑、頂推等施工方法[3];對(duì)于創(chuàng)建波形鋼腹板梁橋BIM模型,劉繼等4]提出利用revit參數(shù)化建模技術(shù),能有效地解決波形鋼板預(yù)應(yīng)力凝箱梁在模型深化過(guò)程中面臨的難點(diǎn)和問(wèn)題;SOUVAN-NALA S[5] 開(kāi)展了BIM技術(shù)在變截面波形鋼腹板箱梁橋施工過(guò)程中的應(yīng)用研究;廉興康基于Revit二次開(kāi)發(fā)搭建了通用于波形鋼腹板連續(xù)梁橋懸臂施工的施工監(jiān)控BIM平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)波形鋼腹板連續(xù)梁橋施工的可視化監(jiān)控
波形鋼腹板組合梁橋由于結(jié)構(gòu)新穎且復(fù)雜,建造技術(shù)要求高,在施工過(guò)程中存在較多困難,需借助BIM技術(shù)的可視化、模擬化、集成化優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)數(shù)智建造的目標(biāo)。
1 工程概況
飛龍大橋位于廣西南寧橫州市平馬鎮(zhèn)與新福鎮(zhèn)飛龍鄉(xiāng)交界處,橫跨郁江且位于一級(jí)航道上,全橋總長(zhǎng)940m,橋面寬13 m[7] 。主橋橋跨布置為( 100+185+185+100)m 波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu),采用單箱單室箱梁布置。
飛龍大橋采用波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)形式,在施工方面存在諸多難點(diǎn),例如波形鋼腹板入模及定位精度要求嚴(yán)苛、施工工藝復(fù)雜、施工過(guò)程管理困難等。此外,飛龍橋由于橫跨郁江,需保證通航,無(wú)法搭建過(guò)江棧橋;傳統(tǒng)在江中搭建大型塔吊來(lái)吊裝波形鋼腹板的方法經(jīng)濟(jì)性差,且無(wú)法到達(dá)跨中。
因此,為實(shí)現(xiàn)飛龍大橋經(jīng)濟(jì)高效的建造目標(biāo),需借助BIM技術(shù),探索波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋數(shù)智建造方法。
2基于BIM的飛龍大橋數(shù)智建造研究應(yīng)用
為解決飛龍橋的建造難題,并實(shí)現(xiàn)快速、智能和安全的建造目標(biāo),提出基于BIM的飛龍大橋數(shù)智建造方法。創(chuàng)建大橋建設(shè)場(chǎng)地地形及主體BIM模型,為后續(xù)相關(guān)數(shù)字化應(yīng)用及智能建造提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ);開(kāi)展臨時(shí)結(jié)構(gòu)物和可視化交底的專項(xiàng)數(shù)字化應(yīng)用;集成多種新技術(shù),實(shí)施智能化和信息化系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)飛龍大橋數(shù)智建造。
該方法的技術(shù)框架如圖1所示。
圖1基于BIM的飛龍大橋數(shù)智建造技術(shù)框架圖
2.1模型創(chuàng)建與應(yīng)用
作為項(xiàng)目BIM體系的核心載體,模型創(chuàng)建的完整性與標(biāo)準(zhǔn)化水平直接決定后續(xù)應(yīng)用的深度與價(jià)值。通過(guò)遵循行業(yè)規(guī)范與項(xiàng)自需求,構(gòu)建涵蓋兒何信息、參數(shù)屬性及關(guān)聯(lián)邏輯的多維度數(shù)字模型,可有效支撐施工方法優(yōu)化、施工模擬預(yù)演、工程量算核驗(yàn)及施工管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完善,最終實(shí)現(xiàn)工程效率提升、成本管控優(yōu)化與質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)降低的綜合效益(見(jiàn)圖2)。
圖2飛龍大橋?qū)嵕暗匦蝺A斜攝影建模技術(shù)流程圖
2.1.1實(shí)景地形模型創(chuàng)建
為充分了解現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境,在工程建造前期就要開(kāi)始創(chuàng)建實(shí)景地形模型。
實(shí)景地形模型是利用無(wú)人機(jī)對(duì)大橋周邊區(qū)域進(jìn)行傾斜攝影建模:(1)根據(jù)測(cè)區(qū)布設(shè)并測(cè)量地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù);(2)根據(jù)施工影響范圍,確定傾斜攝影區(qū)域并劃分航飛任務(wù),對(duì)施工場(chǎng)地及其附近原始地貌進(jìn)行航拍8,對(duì)有場(chǎng)站位置等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行加密航攝,得到帶有地理信息的影像數(shù)據(jù);(3將影像數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入自動(dòng)建模軟件,創(chuàng)建得到飛龍大橋?qū)嵕暗匦文P汀?/p>
2.1.2大橋主體結(jié)構(gòu)編碼與模型創(chuàng)建
統(tǒng)一的信息分類編碼標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)橋梁信息化的基礎(chǔ),工程系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)(EBS)是大型工程項(xiàng)目管理的基礎(chǔ)[]。飛龍大橋以施工工藝工序?yàn)橐罁?jù),結(jié)合編碼要求,對(duì)大橋結(jié)構(gòu)物進(jìn)行系統(tǒng)劃分,具體的施工部位對(duì)應(yīng)的編碼見(jiàn)圖3。根據(jù)編碼,建立可作為獨(dú)立施工單元的具體模型。通過(guò)該模型及相關(guān)聯(lián)模型,可快速提取該工序的施工控制指標(biāo),較好地掌握單個(gè)施工單元和多個(gè)施工單元之間的關(guān)鍵工序,把控大橋建造過(guò)程中各個(gè)節(jié)點(diǎn),為下一步的大橋施工信息化提供基礎(chǔ)。
該項(xiàng)目BIM模型主要采用AutodeSk的軟件平臺(tái)進(jìn)行建模,在項(xiàng)目建設(shè)前期,根據(jù)不同需求創(chuàng)建了不同精度的模型,用于總體施工方案的討論和具體方案的分析優(yōu)化。將各分項(xiàng)模型進(jìn)行合模,最終形成系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)物模型(見(jiàn)圖4)。
圖4飛龍大橋主體結(jié)構(gòu)BIM模型圖
2.1.3GIS + BIM集成應(yīng)用
橋梁主體BIM模型與實(shí)景地形模型創(chuàng)建完成之后,進(jìn)行坐標(biāo)系定位組合,形成帶有地理數(shù)據(jù)信息的三維實(shí)景模型,成為后續(xù)施工管理信息化系統(tǒng)的數(shù)字底座。
同時(shí),該模型可較好反映大橋的現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境,便于系統(tǒng)地將潛在危險(xiǎn)源、場(chǎng)站存在缺陷等影響大橋建造的不利因素進(jìn)行標(biāo)注,進(jìn)一步對(duì)所標(biāo)注的問(wèn)題進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化。以此模型為載體,進(jìn)一步復(fù)核主要施工方案在該現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的可行性,優(yōu)化大橋施工組織設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合與智能模擬。
2.2基于BIM的臨時(shí)結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)應(yīng)用
飛龍大橋主跨為185m,為了解決傳統(tǒng)塔吊無(wú)法到達(dá)橋梁跨中施工及其租賃與在深水河中建拆費(fèi)用高問(wèn)題,利用BIM技術(shù)的可視化及系統(tǒng)化優(yōu)勢(shì),對(duì)智能吊機(jī)和掛籃進(jìn)行正向協(xié)同設(shè)計(jì)、模擬及多方案比選優(yōu)化,如圖5和圖6所示。
圖5智能吊機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化模型圖
圖3飛龍大橋主體結(jié)構(gòu)EBS編碼規(guī)則圖
圖6智能吊機(jī)與異步掛籃協(xié)同設(shè)計(jì)圖
如圖5與圖6所示,智能吊機(jī)經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化設(shè)計(jì),得到只有14t(傳統(tǒng)塔吊約55t)的智能吊機(jī),并實(shí)現(xiàn)與異步掛籃共用底座,以及極簡(jiǎn)輕量化設(shè)計(jì),可360全回轉(zhuǎn)吊裝4t建材,錨錠吊機(jī)后錨時(shí)可吊10.72t的波形鋼腹板。
基于BIM技術(shù),還對(duì)建造中涉及的波形鋼腹板水面運(yùn)輸系統(tǒng)的浮箱等其他臨時(shí)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),均取得良好成效,為后續(xù)數(shù)智建造提供智能設(shè)備基礎(chǔ)。
2.3施工可視化交底
傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)施工是由作業(yè)人員根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和施工方案在技術(shù)人員指導(dǎo)下完成。由于飛龍大橋采用了較多的原創(chuàng)臨時(shí)結(jié)構(gòu)物,施工方法也新穎,現(xiàn)場(chǎng)人員需充分了解臨時(shí)結(jié)構(gòu)物構(gòu)造,領(lǐng)會(huì)技術(shù)人員的施工意圖,方能較好地進(jìn)行施工作業(yè)。此時(shí),二維的圖紙及文字交底存在過(guò)于抽象而導(dǎo)致的理解偏差,需要更為直觀的交底方法。
利用BIM技術(shù),將前文所述的模型進(jìn)行加工,標(biāo)注尺寸及位置、安裝方式及順序、過(guò)程注意事項(xiàng)等,以施工模型或動(dòng)畫的形式展示。作為交底的補(bǔ)充,有選擇性地細(xì)化具體施工步驟及模型,在總體模型的背景下,細(xì)化交底內(nèi)容(圖7)。
圖7波形鋼腹板運(yùn)輸?shù)跹b可視化交底視頻示例圖
以具體模型或動(dòng)畫為交底載體,可使現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員能提出具體疑問(wèn),技術(shù)人員也能給出相應(yīng)的解答,此方式使施工技術(shù)更加直觀,理解效果良好。
該方法既有傳統(tǒng)施工動(dòng)畫制作的效果,也可在時(shí)間及制作人員有限的條件下,在大的模型上完成局部模型細(xì)化及細(xì)節(jié)動(dòng)畫,完成交底任務(wù)。
2.4智能運(yùn)輸?shù)跹b系統(tǒng)研發(fā)應(yīng)用
為了解決大跨徑橋梁傳統(tǒng)塔吊作業(yè)半徑無(wú)法到達(dá)橋梁跨中吊裝腹板的重大難題,以“BIM + 北斗定位 + 數(shù)字孿生 + 人工智能 + 物聯(lián)網(wǎng)\"等新技術(shù)的集成應(yīng)用思維,創(chuàng)新構(gòu)思設(shè)計(jì)集成開(kāi)發(fā)了數(shù)字孿生智能運(yùn)輸?shù)跹b系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)波形鋼腹板快速、智能、安全的水面運(yùn)輸?shù)跹b。
該系統(tǒng)以橋上構(gòu)件水面運(yùn)輸和垂直吊裝智能協(xié)同定位系統(tǒng)為智能化硬件基礎(chǔ),以飛龍大橋數(shù)字孿生智能控制系統(tǒng)為數(shù)字化智能控制平臺(tái),通過(guò)封航河面AI智能監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控外部風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)集成三者得到功能完善的數(shù)字孿生智能運(yùn)輸?shù)跹b系統(tǒng)。
2.4.1橋上構(gòu)件水面運(yùn)輸和垂直吊裝智能協(xié)同定位子系統(tǒng)
該系統(tǒng)根據(jù)特大橋上構(gòu)波形鋼吊裝施工特點(diǎn),對(duì)所設(shè)計(jì)的掛籃、吊機(jī)、運(yùn)輸船進(jìn)行整合,由北斗系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)位置定位,通過(guò)基站、船上定位接收裝置和新匠坊高性能電腦協(xié)同處理位置數(shù)據(jù),由PLC控制器對(duì)新型智能吊機(jī)和智能運(yùn)輸船進(jìn)行協(xié)同運(yùn)行,起吊位置主動(dòng)自適應(yīng)糾偏,構(gòu)建智能運(yùn)輸?shù)跹b的硬件基礎(chǔ)。
2.4.2飛龍大橋數(shù)字孿生智能控制子系統(tǒng)
該系統(tǒng)基于“BIM+GIS+IOT\"技術(shù)自主研發(fā),將工程建設(shè)的數(shù)字孿生空間與現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)進(jìn)行毫米級(jí)匹配與精準(zhǔn)映射,通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互,完成對(duì)腹板運(yùn)輸?shù)跹b的建造過(guò)程多設(shè)備全流程智能控制和實(shí)時(shí)三維可視化展示,并對(duì)建造過(guò)程安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行智能防控。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)感知、虛實(shí)交互、以虛控實(shí)、智能風(fēng)險(xiǎn)控制的特點(diǎn)。
2.4.3封航河面AI智能監(jiān)控系統(tǒng)
集成數(shù)字孿生 + 人工智能 + 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)封航河面闖入船只進(jìn)行迅速識(shí)別、警報(bào)、處理的智能防控。
由人工智能視覺(jué)識(shí)別技術(shù) + 預(yù)警算法,智能識(shí)別闖入船只目標(biāo)及畫面位置,并將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)字孿生系統(tǒng);在數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行空間匹配,且進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空處理分析,智能研判危險(xiǎn)等級(jí)并向現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備發(fā)送指令;現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備接收到信號(hào)指令,立即響應(yīng)處置。
智能運(yùn)輸?shù)跹b系統(tǒng)成功研發(fā)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)飛龍大橋的波形鋼腹板快速、智能、安全運(yùn)輸?shù)跹b,提升了飛龍大橋的數(shù)智建造水平。
2.5信息系統(tǒng)管理研發(fā)應(yīng)用(圖8)
基于BIM+GIS電子沙盤底層邏輯,研發(fā)了針對(duì)該大橋施工方法和施工過(guò)程管理的電子沙盤系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在改進(jìn)橋梁工程施工管理的工作方式,通過(guò)信息化技術(shù)手段系統(tǒng)地梳理施工的計(jì)劃、進(jìn)度、質(zhì)量和技術(shù)管理工作。
圖8飛龍大橋施工管理信息化系統(tǒng)示例圖
該系統(tǒng)的信息化管理設(shè)置根據(jù)管理需求特點(diǎn)進(jìn)行不同的功能劃分。在技術(shù)管理模塊,將圖紙、方案和施工交底文件根據(jù)施工過(guò)程進(jìn)行梳理,同時(shí)將建成的臨時(shí)結(jié)構(gòu)物模型、施工動(dòng)畫等BIM成果上傳,技術(shù)人員通過(guò)手機(jī)端即可隨時(shí)隨地查看;在質(zhì)量管理模塊,規(guī)定質(zhì)檢、施工、生產(chǎn)副經(jīng)理等相關(guān)人員的現(xiàn)場(chǎng)巡視要求,設(shè)定現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量安全隱患發(fā)現(xiàn)及處理流程,授予上述人員不同等級(jí)的處理權(quán)限,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量和安全隱患。
飛龍大橋部件施工管理方面,基于工程系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)(EBS),對(duì)大橋工程部件進(jìn)行EBS編碼,再根據(jù)施工工藝流程和實(shí)際施工的難易程度,在該部位上掛接該施工控制關(guān)鍵要素的控制要素和質(zhì)量控制流程對(duì)大橋進(jìn)行信息化管理。
針對(duì)飛龍大橋上構(gòu)懸澆梁施工工序多、工藝較為復(fù)雜的難題,具體分解為掛籃、模板等主要臨時(shí)結(jié)構(gòu)物和鋼筋及波形鋼腹板安裝、混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉等工序,再確定其坐標(biāo)位置、應(yīng)力、焊接效果等關(guān)鍵控制指標(biāo),最終形成對(duì)大橋系統(tǒng)性的關(guān)鍵工藝控制體系?,F(xiàn)場(chǎng)施工人員根據(jù)設(shè)定的控制流程對(duì)施工狀態(tài)進(jìn)行填報(bào),相關(guān)的技術(shù)人員如質(zhì)檢、試驗(yàn)室、技術(shù)部等部門根據(jù)填報(bào)數(shù)據(jù)判斷該工序的成效及下一步施工的可行性,提交處理意見(jiàn)和進(jìn)一步采取措施干預(yù)現(xiàn)場(chǎng)施工。
該系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用,提高了飛龍大橋施工管理的數(shù)字化水平和效率,實(shí)現(xiàn)全過(guò)程追溯。與其他項(xiàng)自管理系統(tǒng)不同,該系統(tǒng)突出大橋技術(shù)管理,以把握大橋建造關(guān)鍵控制指標(biāo)為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)施工工藝流程可追溯。系統(tǒng)功能精練,避免了常見(jiàn)管理系統(tǒng)管理范圍廣、維護(hù)困難,實(shí)際應(yīng)用效果不佳的問(wèn)題,為同類橋梁的管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供思路。
3結(jié)果與討論
依托飛龍大橋建設(shè),提出基于BIM的飛龍大橋數(shù)智建造方法。該方法深度融合BIM技術(shù)與工程思維,以解決項(xiàng)目問(wèn)題為導(dǎo)向,充分發(fā)揮其可視化、信息化、集成化優(yōu)勢(shì),完成高質(zhì)量模型創(chuàng)建和可視化交底;研發(fā)了確保波形鋼吊裝安全的智能控制系統(tǒng);開(kāi)發(fā)了以關(guān)鍵工序要點(diǎn)為主要控制指標(biāo)的信息化管理系統(tǒng),提升了飛龍大橋數(shù)智建造水平,取得顯著成效。
(1)應(yīng)用指向明確。緊密關(guān)聯(lián)該項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)與實(shí)施,明確BIM在解決方案設(shè)計(jì)、交底落實(shí)及監(jiān)督反饋等環(huán)節(jié)的工作要求。深入?yún)⑴c施工工藝改進(jìn)和臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),確保設(shè)計(jì)科學(xué)合理;精確、無(wú)誤地將確定施工方法交底至現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員;針對(duì)結(jié)構(gòu)施工難點(diǎn)開(kāi)發(fā)信息化管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量的有效控制,應(yīng)用指向清晰明確。
(2)應(yīng)用效果良好。以BIM模型為載體,在具體的論證過(guò)程中不斷對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化,適用于工程項(xiàng)目上較為復(fù)雜的臨時(shí)結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì),為技術(shù)人員提供了良好的思路載體;以BIM + 的思維,將波形鋼腹板精準(zhǔn)吊裝過(guò)程進(jìn)行程序化和可視化,很好地將BIM融入現(xiàn)場(chǎng)施工,確保施工安全;開(kāi)發(fā)和應(yīng)用以技術(shù)和質(zhì)量為重點(diǎn)的管理系統(tǒng),確保新工藝的施工關(guān)鍵指標(biāo)滿足控制要求,保障大橋施工按預(yù)期推進(jìn),應(yīng)用效果顯著。
(3)智能建造水平高。梳理了新工藝施工過(guò)程,借助BIM+的集成應(yīng)用思維,將關(guān)鍵施工工序程序化、數(shù)字化,成功研發(fā)智能運(yùn)輸?shù)跹b系統(tǒng)并應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)波形鋼腹板快速且安全運(yùn)輸?shù)跹b。
4結(jié)語(yǔ)
本研究基于BIM技術(shù)提出波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋數(shù)智化建造方法,通過(guò)BIM+GIS協(xié)同建模、數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的智能吊裝系統(tǒng)研發(fā)及施工管理信息化平臺(tái)構(gòu)建,解決了跨江施工中吊裝效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高等難題。工程實(shí)踐表明,該方法通過(guò)BIM技術(shù)的協(xié)同化與智能化應(yīng)用,顯著提升了施工效率、降低了安全風(fēng)險(xiǎn),有效驗(yàn)證了BIM技術(shù)在復(fù)雜橋梁工程中的協(xié)同優(yōu)化能力與智能化潛力。
當(dāng)前成果受限于特定工況,未來(lái)需結(jié)合多場(chǎng)景深化智能算法研究,拓展BIM與物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)的融合應(yīng)用,推動(dòng)橋梁建造向全流程數(shù)智化轉(zhuǎn)型。本研究為同類工程提供了可復(fù)用的技術(shù)路徑與理論支撐,兼具工程實(shí)踐價(jià)值與學(xué)術(shù)創(chuàng)新意義。
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