BIM技術(shù)在新白沙沱長江特大橋鋼梁架設(shè)中的應(yīng)用

劉宏剛，張海華，甘一鳴

（中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050）

1 概述

1.1 項目背景

渝黔鐵路新白沙沱長江特大橋（簡稱新白沙沱大橋）北部位于重慶市大渡口區(qū)跳磴鎮(zhèn)，南跨長江進(jìn)入重慶市江津區(qū)珞璜鎮(zhèn)（見圖1），是渝黔鐵路客運(yùn)線和貨運(yùn)線引入重慶樞紐的重要過江通道，也是遠(yuǎn)期渝湘鐵路的預(yù)留過江通道。1960年竣工的渝黔鐵路既有白沙沱長江大橋，由于運(yùn)力不足、原設(shè)計通航水位較低等原因，將于新白沙沱大橋建成后拆除。

新白沙沱大橋建成通車后，重慶—貴陽客運(yùn)列車平均運(yùn)行時間將由10 h縮短至2 h以內(nèi)，成為重慶—貴陽高效便捷的鐵路通道，并與蘭渝、貴廣鐵路實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)互通，對促進(jìn)西南、西北地區(qū)經(jīng)貿(mào)發(fā)展與人文交流具有重要意義。

1.2 工程概況

新白沙沱大橋全長5 320.334 m，其中6線合建部分2 098.780 m。主橋孔跨布置為（81+162+432+162+81）m，設(shè)計為雙塔雙索面6線鐵路鋼桁梁斜拉橋（見圖2），是世界首座采用雙層橋面布置的鐵路斜拉橋（見圖3），其中上層為4線鐵路客運(yùn)專線，包括渝黔鐵路雙線及預(yù)留渝湘鐵路雙線，設(shè)計速度200 km/h；下層為渝黔鐵路貨運(yùn)雙線，設(shè)計速度120 km/h。大橋主梁采用N形桁架，桁寬24.5 m、高15.2 m，節(jié)間長度13.5 m[1]。

圖1 新白沙沱大橋地理位置與線路走向

圖2 新白沙沱大橋效果圖

圖3 新白沙沱大橋主梁雙層橋面布置方案

作為渝黔鐵路控制性工程，新白沙沱大橋是目前世界上跨度最大、荷載最大的鐵路斜拉橋，也是中國鐵路總公司批準(zhǔn)立項的我國高速鐵路建設(shè)中首批采用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計和施工的特大型鐵路橋梁試點項目之一。

2 施工方案

2.1 施工環(huán)境

新白沙沱大橋橋址區(qū)先后跨越重慶側(cè)構(gòu)造剝蝕丘陵地貌區(qū)、河流侵蝕地貌區(qū)、河流堆積地貌區(qū)（長江階地）和貴陽側(cè)構(gòu)造剝蝕淺丘地貌區(qū)，地面高程180～270 m，相對高差約90 m，地形起伏較大，居民住宅和工廠等建筑物密集。貴陽側(cè)主塔墩3#墩位于長江中心，橋下河段通航繁忙，且處于“長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護(hù)區(qū)”的緩沖區(qū)，對環(huán)保要求較高。大橋多處跨越既有公路或鐵路運(yùn)輸干線，其中重慶側(cè)主塔墩2#墩邊跨鋼梁跨越3條既有線（見圖4）。由于在施工過程中限制條件較多、地形復(fù)雜、交通不便，現(xiàn)場施工組織和管理難度較大。

2.2 施工方案

為滿足環(huán)保要求，減少對長江水體及河床的擾動破壞和污染，主橋基礎(chǔ)鉆孔樁施工采用KTY及KPG系列大扭矩液壓動力頭旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)[2]，配置泥漿分離器、泥漿運(yùn)輸船等設(shè)備對泥漿進(jìn)行循環(huán)利用和環(huán)保處理。承臺施工采用特大型雙壁鋼圍堰進(jìn)行封底止水和支撐圍護(hù)，塔柱施工采用成熟的液壓爬模及混凝土垂直泵送澆筑技術(shù)。

鋼梁架設(shè)是施工難點，盡管采用了整體節(jié)點等先進(jìn)設(shè)計和加工技術(shù)，全橋鋼梁吊裝次數(shù)仍多達(dá)1 428次，考慮鋼梁上岸、存放等施工過程中的轉(zhuǎn)運(yùn)，鋼梁累計吊裝次數(shù)達(dá)7 140次。吊裝構(gòu)件最大平面尺寸13.5 m×11.0 m，質(zhì)量為70 t。鋼桁梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工地連接為高強(qiáng)螺栓和焊接并用，制造及安裝精度要求較高，架設(shè)難度大。經(jīng)反復(fù)研究比選，確定水路運(yùn)輸、碼頭吊機(jī)及浮吊配合運(yùn)梁臺車轉(zhuǎn)運(yùn)、專用提升站及全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)散拼安裝的方案，并修建相應(yīng)碼頭、棧橋、存梁平臺等臨時設(shè)施。

圖4 重慶側(cè)邊跨鋼梁施工場地

2.3 風(fēng)險控制

由于施工環(huán)境復(fù)雜，施工過程中存在大量安全風(fēng)險問題，既要保障長江航運(yùn)和既有線運(yùn)營安全，又要保證大橋的施工安全和工期目標(biāo)，為對大橋施工安全風(fēng)險進(jìn)行系統(tǒng)的分析、識別、評價和有效控制，項目組開展專項研究，提出包括項目建設(shè)規(guī)模、氣候環(huán)境、水文地質(zhì)、地形地貌、橋位特征及施工工藝成熟度等橋梁整體風(fēng)險評價指標(biāo)，根據(jù)專家評價結(jié)果采取相應(yīng)風(fēng)險控制技術(shù)[3-4]，如受既有線影響的施工便線的安全控制技術(shù)，包括臨近既有線的爆破施工檢查與安全防護(hù)、合理擬定施工便線過渡段施工方案及臨近營業(yè)線路結(jié)構(gòu)施工安全風(fēng)險評估等[5]。

3 BIM實施

新白沙沱大橋地處艱險山區(qū)和長江天塹，環(huán)境復(fù)雜、施工場地受限，跨多條既有線，安全問題突出，每次要點時間僅2 h、工序緊湊，，要采用BIM技術(shù)能夠?qū)γ坎焦ば蛟敿?xì)模擬，檢驗其可行性、安全性，以便科學(xué)制定工序流程和作業(yè)組織方式，確保施工過程安全、高效。

本期可使用資金，包括考核期內(nèi)存在于小額貸款公司的自有注冊資金、增資和融入資金，融入資金包括再貸款融資金額、發(fā)行可轉(zhuǎn)債融資金額等。

3.1 應(yīng)用方向與應(yīng)用點

為充分發(fā)揮BIM技術(shù)優(yōu)勢，研究團(tuán)隊將技術(shù)難度最大、施工風(fēng)險最高的重慶側(cè)邊跨鋼梁架設(shè)方案研究及實施過程控制作為BIM技術(shù)應(yīng)用重點，以保證鋼梁架設(shè)的安全、質(zhì)量、效率、成本、環(huán)保等施工目標(biāo)。重慶側(cè)邊跨鋼梁架設(shè)施工具體BIM應(yīng)用點見圖5。

在圖5所示的BIM應(yīng)用點中，對主體結(jié)構(gòu)設(shè)計模型處理主要指將設(shè)計院提供的成橋狀態(tài)BIM模型按確定的施工方案進(jìn)行必要的分節(jié)、分段或構(gòu)件編組，并賦予時間及狀態(tài)屬性，使其能在后續(xù)應(yīng)用中按不同工況模擬并呈現(xiàn)施工過程及狀態(tài)，屬于施工階段BIM應(yīng)用的前處理工作。

3.2 資源配置

3.2.1 人員配置

BIM研究團(tuán)隊由中鐵大橋局集團(tuán)有限公司BIM小組、設(shè)計事業(yè)部及項目部等技術(shù)骨干人員組成，并分為策劃組、設(shè)計組、實施組，其具體分工為：

（1）策劃組。負(fù)責(zé)BIM技術(shù)應(yīng)用的策劃、督導(dǎo)、效果評估及應(yīng)用價值研究；

（2）設(shè)計組。采用BIM技術(shù)進(jìn)行施工方案研究、計算分析、過程模擬、成果管理等；

（3）實施組。負(fù)責(zé)方案實施、技術(shù)協(xié)調(diào)、監(jiān)測監(jiān)控及問題反饋等。

3.2.2 軟件配置

為與設(shè)計模型對接，采用Dassault V5系列BIM軟件，軟件配置見表1。

3.2.3 硬件配置

Catia等軟件對運(yùn)行環(huán)境的要求較高，硬件配置見表2。

圖5 重慶側(cè)邊跨鋼梁架設(shè)施工BIM應(yīng)用點

表1 BIM軟件配置

表2 BIM硬件配置

3.3 初步方案

重慶側(cè)邊跨鋼梁跨越3條既有鐵路線，且部分鋼梁侵入山體，陸上交通不具備進(jìn)場條件，為解決鋼梁運(yùn)輸難題，并保證列車運(yùn)行和鋼梁施工安全，提出在支架上拼裝鋼梁，采用同步頂推技術(shù)完成跨線段鋼梁架設(shè)的施工方案（見圖6），以減少跨線施工時間、降低安全風(fēng)險[6]。

貴陽側(cè)主塔墩位于長江主河槽內(nèi)，鋼梁架設(shè)擬采用對稱懸臂拼裝的方案，棧橋前端設(shè)置1座固定式提升站，在主塔墩施工期間即通過水路運(yùn)輸將鋼梁運(yùn)至主塔墩3#墩旁，由專用提升站將鋼梁提升至施工平臺上的運(yùn)輸臺車，經(jīng)棧橋運(yùn)輸至預(yù)拼場存放，后期鋼梁架設(shè)時通過棧橋運(yùn)輸至主塔墩鋼梁提升站下方，再由架梁吊機(jī)提升至橋面進(jìn)行拼裝架設(shè)。

3.4 BIM建模與組裝

建模是開展BIM技術(shù)應(yīng)用的準(zhǔn)備工作之一，由于大橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工臨時設(shè)施、設(shè)備較多，除對主體結(jié)構(gòu)模型按施工方案要求進(jìn)行處理外，還需要完成各種臨時設(shè)施及場地的建模（見圖7），利用軟件模擬鋼梁桿件等材料吊裝、運(yùn)輸、存放等過程的空間需求，合理布置場地。BIM團(tuán)隊分工完成各單體模型創(chuàng)建，再利用軟件裝配功能按照統(tǒng)一的全局坐標(biāo)系組裝為一個整體（見圖8）。由于模型精確反映結(jié)構(gòu)尺寸及相對位置，能全面模擬各構(gòu)件安裝過程和干涉情況，消除各種設(shè)計缺陷和人為錯誤，提高了設(shè)計質(zhì)量。

圖6 重慶側(cè)邊跨鋼梁拼裝與跨線施工方案總布置圖

圖7 施工臨時設(shè)施建模

圖8 組裝后的大橋主體結(jié)構(gòu)、臨時設(shè)施及場地布置

設(shè)計采用Catia的BOM表功能，快速統(tǒng)計模型中各構(gòu)件材料數(shù)量，提高了統(tǒng)計效率，配合出圖功能完成二維圖紙設(shè)計，且可輸出為Excel表格，便于物資部門管理材料，為工程的材料采供和備料提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)（見圖9）。

3.5 方案模擬與優(yōu)化

鋼梁架設(shè)涉及大量起重作業(yè)，作業(yè)大多在高空或水上進(jìn)行，存在較大安全風(fēng)險，在吊裝過程中需考慮吊機(jī)站位、吊臂長度與角度、工作幅度、空間關(guān)系與安全距離等因素，使用傳統(tǒng)平面設(shè)計方法往往不夠準(zhǔn)確、全面。根據(jù)設(shè)備參數(shù)建立的施工機(jī)械模型可實現(xiàn)精確控制，通過定義模型的機(jī)構(gòu)運(yùn)動方式，模擬、驗證鋼梁吊裝方案。

圖9 材料統(tǒng)計與報表輸出

圖10 重慶側(cè)邊跨鋼梁拼裝與跨線頂推施工原始方案模擬

施工過程模擬主要在Delmia仿真平臺進(jìn)行，通過對鋼梁各構(gòu)件和吊裝單元賦予時間屬性、定義運(yùn)動軌跡和顯示控制，生成連續(xù)的生長動畫，表達(dá)主體結(jié)構(gòu)安裝過程。

由于重慶側(cè)邊跨鋼梁拼裝與跨線頂推施工交替進(jìn)行，施工輔助設(shè)計較多、工序復(fù)雜，設(shè)計人員根據(jù)成橋狀態(tài)下各段鋼梁的最終位置推導(dǎo)出該段鋼梁的拼裝順序，采用BIM技術(shù)對鋼梁構(gòu)件的存放、運(yùn)輸、吊裝，吊機(jī)的運(yùn)動軌跡、鋼梁的頂推過程等進(jìn)行全面模擬（見圖10）。

在最初的架設(shè)方案中，首先在主塔墩3#墩橫梁上拼裝架梁吊機(jī)臨時支架，然后拼裝額定起重能力為70 t的360°全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)，再利用該吊機(jī)拼裝首段鋼梁，架梁吊機(jī)走行至鋼梁上，拆除架梁吊機(jī)臨時支架，再從棧橋上取梁架設(shè)其他節(jié)間鋼梁。

Delmia動態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計方案中存在諸多影響鋼梁架設(shè)安全及拼裝效率的問題，如架梁吊機(jī)在取梁與拼裝狀態(tài)吊機(jī)扒桿變幅角度變化過大、起吊過程中架梁吊機(jī)扒桿無法旋轉(zhuǎn)過主塔、無法拆除下橫梁上的臨時支架、360°全回轉(zhuǎn)優(yōu)勢難以發(fā)揮、轉(zhuǎn)桿件提升狀態(tài)與頂推支架之間安全距離過小等問題。經(jīng)研究討論，決定對鋼梁架設(shè)方案修改，并對修改后方案進(jìn)行重新模擬和優(yōu)化處理，有效解決了安全隱患、提高了作業(yè)效率，并據(jù)此制定出詳細(xì)的作業(yè)流程和施工步驟，保證施工方案順利實施。優(yōu)化后的主塔墩2#墩邊跨鋼梁架設(shè)方案見圖11。

按照同樣流程，對貴陽側(cè)主塔墩3#墩鋼梁拼裝與掛索過程進(jìn)行模擬，并根據(jù)各工況的計算分析和模擬中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行優(yōu)化處理，拼裝施工模擬見圖12。

3.6 監(jiān)測監(jiān)控

為保證施工安全，新白沙沱大橋施工采取多種技術(shù)手段，如采用全站儀、傳感器、攝像機(jī)等設(shè)備對鋼梁線形、斜拉索應(yīng)力狀態(tài)、頂推千斤頂工作狀況、人員分布情況等進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控，并根據(jù)所處工況與設(shè)計時的計算分析數(shù)據(jù)實時對比，對異常情況及時進(jìn)行處理，使鋼梁架設(shè)得以順利完成。

以索力監(jiān)測為例，在施工的不同階段，其索力設(shè)計值也不同，需要隨工程進(jìn)展檢測出索力的實際值并與設(shè)計值對比，發(fā)現(xiàn)異常必須及時處理。本項目將拉索索力與桿件應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM模型集成，將索力傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸至BIM應(yīng)用平臺，并通過圖形平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，為橋梁安全管理提供信息支持（見圖13）。

4 結(jié)束語

新白沙沱大橋體量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、所處環(huán)境條件較惡劣，施工中面臨各種困難與挑戰(zhàn)。通過實施BIM技術(shù)，對施工過程和方案設(shè)計細(xì)節(jié)進(jìn)行預(yù)先演練和分析，證明了施工方案的可行性，細(xì)化了作業(yè)流程和技術(shù)控制要點，確保了施工安全。特別在跨線頂推施工過程中，必須在要點時間內(nèi)完成頂推工作，BIM技術(shù)在優(yōu)化施工方案、加強(qiáng)安全控制、提高作業(yè)效率等方面發(fā)揮了巨大作用。

大橋施工過程中，大量高空和水上作業(yè)對所有參建人員都是嚴(yán)重考驗，通過可視化交底對技術(shù)和勞務(wù)人員進(jìn)行培訓(xùn)，使其充分理解各工序作業(yè)內(nèi)容、技術(shù)要點，各自的責(zé)任分工、配合方式、安全注意事項等，消除其在工作中的盲目性和恐懼心理，增強(qiáng)其參與意識和責(zé)任意識，有效提高工作效率、降低安全風(fēng)險。

圖11 重慶側(cè)邊跨鋼梁拼裝與跨線頂推施工優(yōu)化后方案模擬

圖12 貴陽側(cè)主塔墩3#墩鋼梁雙懸臂對稱拼裝施工模擬

圖13 索力監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理

盡管可視化設(shè)計與施工只是BIM技術(shù)應(yīng)用的一個方面，但由于緊貼現(xiàn)場需求，仍然取得了較好的效果。與應(yīng)用同時實施的還有面向施工管理的4D BIM系統(tǒng)[7]，其4D進(jìn)度模擬及安全、質(zhì)量、成本管理，物料跟蹤等功能也在新白沙沱大橋項目進(jìn)行了有益的探索。