BIM技術在跨內(nèi)河航道橋梁拆除施工中的應用研究
——以上海浦星公路橋工程為例

黃瑋征1 董宇路2 張錫霖

(1．上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032； 2.上海城投航道建設有限公司，上海 200441； 3.上海建工四建集團有限公司，上海 200080)

引言

目前，建筑信息模型(Building Information Modeling，以下簡稱BIM)技術在建筑行業(yè)得到越來越廣泛的應用[1-2]，對BIM技術的研究大部分集中在建筑行業(yè)，在跨內(nèi)河航道橋梁拆除中BIM應用技術較少[3-4]。與民建工程比較，市政工程屬于建設工程中較為特殊的一種，具有以下特點：工程體量大，投資高，專業(yè)多，周期長，對周邊環(huán)境影響大，施工組織復雜，工程目標要求高，事關國計民生[5-6]，特別是橋梁工程。隨著我國交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，對橋梁的車流量和荷載都提出了更高的要求，需要對這部分橋梁進行拆除重建。大型橋梁的拆除工程是一項具有較高技術水平的工程，講究的是使用適合的拆除技術和方法，特別是位于城市交通重要位置的橋梁拆除工程，還涉及交通通行問題，稍有差池就會引起較大的工程安全事故和較大社會反響[7]。運用BIM技術，對拆橋施工工藝開展預研究工作，充分發(fā)揮BIM的可視化、可模擬的優(yōu)點，重點考慮拆橋技術難點和關鍵點，提前考慮施工過程中可能面臨的困難，提前調(diào)整施工方案或做好應用準備，為項目的順利實施提供有力支撐[8]。

1 工程概況

1.1 項目概況

現(xiàn)狀浦星公路橋西起豐南路，北至現(xiàn)狀躍進河橋南橋頭，浦星公路橋雙向四車道，分離式雙幅橋，橋梁總寬29.5m，總長200m。主橋上部結(jié)構(gòu)為簡支 T 梁，引橋上部結(jié)構(gòu)為空心板梁，下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土蓋梁、立柱、承臺(墩臺)，方樁基礎。由于新建橋梁與老橋中心線重合，需拆除現(xiàn)狀老橋后再新建跨航道橋梁及引橋。鑒于浦星公路橋為主要交通要塞，在老橋拆除前架設臨時鋼便橋一座，以保證原有車流量暢通。

現(xiàn)狀浦星公路橋上部結(jié)構(gòu)為T梁+13cm混凝土橋面及鋪裝，板梁高0.9m，梁底寬1.0m，邊板挑檐0.25m，T梁高度2.4m，頂寬1.4、1.7m，下口寬0.42m，翼板厚0.3m； 橋面結(jié)構(gòu)層0.10m，欄桿高1.05m，橋面為15cm混凝土。下部結(jié)構(gòu)蓋梁寬1.6m，蓋梁厚1.2m、1.3m、2.8m，蓋梁長14.3m、14.7m；立柱為φ1200、φ1500，立柱高2.25～4.15m； 承臺寬2m、3m，承臺厚1.5m、2m，承臺長14m。

圖1 現(xiàn)狀浦星公路橋?qū)嵕?/p>

圖2 現(xiàn)狀浦星公路橋立面布置圖

1.2 BIM技術在老橋拆除施工中的必要性分析

在拆橋施工方案的編制過程中，發(fā)現(xiàn)施工過程中主要存在以下風險點：

(1)需要拆除的梁單塊重量較大，尤其是待拆除的K4跨T梁長42 m，高2.5m，頂寬1.4m，重達130t，需采取雙機浮吊作業(yè)，水上作業(yè)風險極大，在施工過程中，如何保證雙浮吊的協(xié)同作業(yè)，防止發(fā)生傾覆，需要深入研究；

(2)以往浮吊水上作業(yè)，其行走路線和錨點設置多是依靠船老大的施工經(jīng)驗，施工方案往往過于粗糙，交底流于形式，安全意識不強；

(3)浦星公路橋?qū)儆谑姓煌ㄖ饕ǖ?，周邊可利用的場地狹小，如何堆放和快速處理拆下來的構(gòu)件是一個難題。

針對施工之中存在安全隱患的過程，應用BIM預先地進行模擬仿真[9]，能夠?qū)⑹┕と^程信息化、可視化，將整個施工過程預演一遍，完善施工方案，盡量避免可能施工風險，提前預測施工過程中可能出現(xiàn)的問題并制定應對措施，提升施工管理效率與水平[10]。

為此，本次開展BIM技術模擬拆橋整體施工工藝流程的重點，在于明確雙機浮吊的停機位置和錨點固定設置，以及拆除構(gòu)件的堆放場地和運輸方式，梳理整個作業(yè)流程，及早發(fā)現(xiàn)風險點并做好應對措施[11]。

1.3 拆橋施工初步順序

浦星公路橋為主要交通通道，來往車輛較多，拆除難度較高，風險大，施工安全要求高。為確保該橋梁在拆除的過程中能夠達到安全、快捷、綠色、環(huán)保的目標，施工方案的總體原則為：安全第一、嚴格監(jiān)控、科學組織、有序施工[12]。

根據(jù)施工總體要求，盡量壓縮拆橋工序以減少河道封航次數(shù)和封航時間，結(jié)合浮吊吊裝能力，將本橋分五個階段進行拆除：

第一階段：老橋橋面附屬拆除，鑿除伸縮縫、板梁間的鉸接縫及T梁間的濕接縫和端橫隔梁； 第二階段：吊運老橋的上部結(jié)構(gòu)板梁； 第三階段：拆除蓋梁和立柱； 第四階段：拆除橋臺、承臺和水下樁切割； 第五階段：清理河道，報監(jiān)理、業(yè)主和航道部門驗收。

2 BIM應用實施流程

本次應用內(nèi)容參與單位較多，為更有效地開展本項技術工作，實施過程中分為組織管理和技術配合兩條工作路線。組織管理單位是業(yè)主單位、BIM管理咨詢單位。技術配合的參與單位包括：BIM管理咨詢方、設計單位、施工總包和工程監(jiān)理單位。考慮施工階段，施工單位最為了解施工工藝細節(jié)，為最大程度地發(fā)揮BIM應用價值，本項目主要采取施工單位具體實施，BIM管理咨詢單位指導的組織模式。項目BIM組織架構(gòu)詳見圖3所示。

圖3 應用組織架構(gòu)圖

各參與方的工作職責如下：

業(yè)主單位：提出應用要求，組織和協(xié)調(diào)模擬過程的問題溝通；

BIM管理咨詢單位：編制BIM應用要求，包括模型的創(chuàng)建、應用流程和成果交付內(nèi)容等，指導施工單位開展模擬工作；

設計單位：提供設計信息，參與拆橋施工方案討論；

施工總包：編制拆橋施工方案，創(chuàng)建拆橋施工模型，開展具體模擬工作；

工程監(jiān)理單位：參與拆橋施工方案討論。

為了有效協(xié)同項目各參與方，針對整個模擬實施進行工作分解，制定具體實施流程詳見圖4。

圖4 應用實施流程圖

3 項目BIM應用實施過程

3.1 收集提資數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)的準確性

本文案例中，數(shù)據(jù)主要包括現(xiàn)狀場地信息(含管線)、臨時鋼便橋模型、現(xiàn)狀老橋的歷史圖紙和現(xiàn)狀實測數(shù)據(jù)以及施工機械信息。為了確保拆橋施工工藝模擬的準確性和有效性，首先結(jié)合地形現(xiàn)狀創(chuàng)建場地現(xiàn)狀模型，準確反映目前施工現(xiàn)狀實際狀態(tài)； 檢查現(xiàn)狀老橋的歷史圖紙，結(jié)合現(xiàn)狀實測數(shù)據(jù)分析是否反映現(xiàn)場真實情況，以保證數(shù)據(jù)來源的準確性，保證模擬的嚴謹性。

為了更好地做好本次模擬工作，我們針對拆橋施工模型的創(chuàng)建制定了技術標準，規(guī)定模型的建模范圍、建模細度和命名規(guī)則等方面，其中建模范圍和信息要求最為重要，因為模型的完整性和準確性直接關系到模擬結(jié)果。圖5為建模范圍的主要內(nèi)容。

3.2 創(chuàng)建拆橋施工模型

目前，行業(yè)內(nèi)以Autodesk Revit為土建專業(yè)建模軟件較多，本文案例中，采用REVIT2016軟件創(chuàng)建施工模型。本文案例的建模內(nèi)容包括：現(xiàn)狀場地模型，臨時鋼便橋模型、現(xiàn)狀老橋的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)。

模型創(chuàng)建工作總體原則如下：

首先通過傾斜攝影技術創(chuàng)建場地現(xiàn)狀模型：本次航拍選用了大疆無人機，采用了五個鏡頭拍攝。航拍范圍為沿橋方向2km，沿河道方向500m范圍內(nèi)的場地環(huán)境。航拍處理形成場地三維模型。管線模型、臨時鋼便橋模型、現(xiàn)狀老橋模型采用Revit軟件根據(jù)施工圖設計圖紙創(chuàng)建，然后通過Revit軟件進行模型合并，生成整合模型。

需要拆除的老橋模型，根據(jù)拆除施工工藝將模型構(gòu)件按照每根梁進行拆分。

圖5 建模范圍和命名規(guī)則示例表

圖6 浦星公路橋場地現(xiàn)狀模型

圖7 現(xiàn)狀管線模型

圖8 設計管線模型

圖9 現(xiàn)狀浦星公路橋BIM模型1

圖10 現(xiàn)狀浦星公路橋BIM模型2

圖11 整合場地現(xiàn)狀、管線、臨時鋼便橋和老橋的施工模型

3.3 分解施工工藝步驟，并按照順序定義構(gòu)件

老橋拆除施工過程。

首先，拆除老橋橋面系：

其次，老橋上部預制板梁和預制T梁按K1、K2，老橋上部預制板梁、K6，老橋順序依次拆除。

K1、K2、K6、K7四跨預制板梁長22m，高0.9m，共計112榀，采用陸上130t汽車吊運至臨時堆場，集中破碎外運。

K4跨T梁長42m，高2.5m，頂寬1.4m，重量約130t，共14榀。采用150t+160t浮吊進行雙機抬吊。浮吊位于老橋東側(cè)，并設置8個錨點，其中150噸浮吊利用鋼絲通過ABCDE錨點控制移動，160t浮吊利用鋼絲通過ABFGH錨點控制移動。兩臺浮吊協(xié)調(diào)聯(lián)動，將T梁吊至北側(cè)未拆橋梁上集中破碎外運。

K3、K5跨T梁長度35m，高度2.5m，頂寬1.4m，重量約112t，共28榀。施工前限航，采用160t浮吊單機吊運至南、北側(cè)板梁拆除后的臨時堆場，集中破碎外運。

水中蓋梁和立柱拆除前封航，采用繩鋸切割后，吊至臨時堆場破碎。

新橋鋼結(jié)構(gòu)完成后，先進行疏浚、破碎水中承臺，方樁采用液壓鉗剪斷吊除。老橋拆除工作完成。

施工模擬用了Naviswork的Timeliner功能，按照老橋拆除的先后順序，將施工機械的行走路徑、老橋構(gòu)件等一一進行定義，模擬整個施工過程。

3.4 分析施工風險點，提出優(yōu)化建議

通過老橋拆除施工工藝模擬，發(fā)現(xiàn)堆放場地和水上機械行走位置存在作業(yè)風險，需進行進一步優(yōu)化，具體如下：

優(yōu)化建議一：原定施工方案，計劃將拆除下來的構(gòu)件放至東側(cè)已平整的場地，破碎后外運。經(jīng)模擬返現(xiàn)，該區(qū)域下方埋有燃氣管線。按照管線保護要求，該區(qū)域不允許堆放。經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，可以堆放至尚未拆除的老橋橋面上暫時放置，行走路徑可行。

優(yōu)化建議二：在施工方案模擬過程發(fā)現(xiàn)，雙浮吊同時作業(yè)風險最大，在吊裝中跨K4跨T梁時發(fā)現(xiàn)該段長42m，高2.5m，采用150t+160t浮吊進行雙機抬吊拆除該區(qū)域西側(cè)半幅橋T梁的時候發(fā)現(xiàn)，如果采用原定施工方案中的行走路徑，則左側(cè)的浮吊會與水中承臺發(fā)生碰撞，因此需調(diào)整浮吊的水中作業(yè)位置。經(jīng)過施工模擬優(yōu)化，建議兩臺浮吊順時針旋轉(zhuǎn)30度的作業(yè)路徑，避開水中承臺位置。為配合行走路徑，需要對左側(cè)浮吊水中作業(yè)的影響區(qū)域進行提前疏浚。

另外水上施工，浮吊的拉錨點也是重要的風險控制點之一。以往施工方案中，多是用平面圖進行繪制，很難發(fā)現(xiàn)拉錨纜繩的立體交叉關系。本次模擬將拉錨點和拉錨纜繩全部明確，提前發(fā)現(xiàn)可能存在的風險點。

圖12 老橋拆除施工過程模擬圖

圖13 拆下來的構(gòu)件擬堆放場地模擬圖

圖14 原施工方案浮吊作業(yè)路徑 圖15 優(yōu)化后的浮吊作業(yè)位置

圖16 需要提前做好疏浚的位置

通過BIM技術應用，明確了拆除構(gòu)件的堆放場地，調(diào)整浮吊停機位置、明確錨點固定設置、提前做好疏浚工作，進一步論證了施工方案的合理性，降低施工風險，保障施工安全進行。

4 結(jié)論與展望

本工程在跨內(nèi)河航道橋梁拆除施工中引入BIM技術，通過無人機傾斜攝影建立現(xiàn)場模型，創(chuàng)造管線模型、鋼便橋模型和老橋拆除施工模型，開展拆除施工工藝模擬，將BIM技術與施工管理相結(jié)合，通過優(yōu)化施工工藝，提高組織協(xié)調(diào)效率，輔助開展施工階段的質(zhì)量、安全和進度的控制，為工程的順利建設保駕護航。BIM技術應用于水上施工方面的應用并不多，從場地現(xiàn)狀模型的快速建立，橋梁模型的構(gòu)建到施工方案的快速評估等等，都有待工程人員在同類型項目中的進一步研究與實踐。

圖17 浮吊拉錨纜繩的位置關系圖