BIM技術(shù)在懸索橋隧道錨施工中的應(yīng)用

龔 磊 羅 實(shí) 熊 飛

中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430074

隨著交通基礎(chǔ)項(xiàng)目相繼開(kāi)工建設(shè)，懸索橋擁有用料省、自重輕、應(yīng)對(duì)地形和地質(zhì)條件復(fù)雜能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在各種體系橋梁中優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，受到越來(lái)越多建設(shè)者青睞。錨碇主要有巖錨、隧道錨和重力錨等3種形式，巖錨對(duì)地層要求最高，隧道錨次之，重力錨要求最低。相對(duì)于重力錨，隧道錨能較好地利用錨址區(qū)的地質(zhì)條件，具有環(huán)境擾動(dòng)小（僅為重力錨的20%～25%）、工程量少（僅為重力錨的20%～25%)、投資低（僅為重力錨的30%～35%）的特點(diǎn)，在保護(hù)自然環(huán)境和提高工程建設(shè)效率等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

隧道錨將主纜中的拉力直接傳遞給周圍山體的基巖，因而要求橋位處必須有良好的地質(zhì)條件。因其傳力機(jī)理，受力條件、開(kāi)挖施工要求高等特點(diǎn)，導(dǎo)致隧道錨施工成為懸索橋施工的難點(diǎn)和重點(diǎn)之一。

1 工程概況

宜昌伍家崗長(zhǎng)江大橋項(xiàng)目是構(gòu)建宜昌“三縱五橫”快速骨架路網(wǎng)的重要控制性工程，對(duì)拓展城市空間、提升綜合交通樞紐城市地位具有重要意義。其中，主橋?yàn)閱慰? 160 m雙塔鋼箱梁懸索橋，分南、北岸兩側(cè)，北側(cè)為隧道錨式錨碇（簡(jiǎn)稱隧道錨）。隧道錨主要由洞口、前錨室、錨塞體及后錨室等部分組成。隧道錨軸線長(zhǎng)度（理論散索點(diǎn)距離錨室底部長(zhǎng)度）90 m，距離設(shè)計(jì)路面的最大埋深為80 m，錨塞體設(shè)置于微風(fēng)化巖層。錨體軸線的傾斜角度為40°，前錨面尺寸為9.04 m×11.44 m，后錨面尺寸為16 m×20 m，上下游隧道錨中心距離37.50 m，最小凈距為23.42 m。懸索橋每根主纜由85股127絲和6股91絲索股組成，主纜索股在隧道錨散索鞍散開(kāi)后，通過(guò)拉桿、錨固連接器連接到預(yù)應(yīng)力鋼絞線上，通過(guò)預(yù)應(yīng)力將索股拉力傳遞到錨體混凝土。

本項(xiàng)目隧道錨結(jié)構(gòu)凸出（圖1），工藝流程復(fù)雜，技術(shù)難度大，管理要求高，給施工帶來(lái)不小的困難。具體歸納如下：

1）隧道隧洞口斷面尺寸較小，機(jī)械材料轉(zhuǎn)運(yùn)以及出渣困難。

2）施工工況復(fù)雜，管理難度大。

3）隧道錨錨體呈前小后大楔形結(jié)構(gòu)，傾角大、洞口小，二次襯砌施工難度大。

4）錨固系統(tǒng)作為主纜索股將拉力傳遞至錨體混凝土的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其預(yù)應(yīng)力管道定位、安裝精度高。

本工程隧道錨為城區(qū)淺埋軟巖隧道錨，如何盡可能采用新技術(shù)、新工藝降低成本消耗水平，保障施工質(zhì)量，加強(qiáng)施工管理，精心組織施工生產(chǎn)是隧道錨施工中亟需解決的難題。BIM技術(shù)主要應(yīng)用在房建相關(guān)領(lǐng)域，特別是在歐洲發(fā)展已近成熟，但對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，BIM技術(shù)在橋梁方面的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段[1-9]。BIM理念的引入，給建設(shè)領(lǐng)域項(xiàng)目管理注入了新的活力，也受到施工單位的高度重視。

圖1 隧道錨結(jié)構(gòu)示意

2 項(xiàng)目BIM應(yīng)用

項(xiàng)目中BIM技術(shù)在隧道錨的應(yīng)用內(nèi)容主要包括4個(gè)方面：施工方案模擬、施工場(chǎng)地布置、方案深化設(shè)計(jì)、預(yù)應(yīng)力管道坐標(biāo)定位復(fù)核。下面分別對(duì)這4個(gè)方面的BIM應(yīng)用的方法進(jìn)行探討。

2.1 施工方案模擬

隧道錨施工因其結(jié)構(gòu)特性，施工技術(shù)難度大，工藝流程復(fù)雜。傳統(tǒng)技術(shù)交底以二維圖紙和規(guī)范為主。這種方式難以體現(xiàn)施工過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)與工藝，從而影響施工進(jìn)度、施工安全和施工質(zhì)量。通過(guò)BIM模型結(jié)合施工工序?qū)λ淼厘^土方開(kāi)挖及出渣、二次襯砌施工、隧道錨大體積混凝土施工等重點(diǎn)工況進(jìn)行三維模擬施工（圖2）。

圖2 超短臺(tái)階法開(kāi)挖方案模擬

通過(guò)模擬施工，對(duì)施工工序間的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，將復(fù)雜工序簡(jiǎn)單化、可視化，幫助現(xiàn)場(chǎng)施工人員理解施工方案，避免對(duì)圖紙及技術(shù)方案的錯(cuò)誤理解從而造成的錯(cuò)誤施工，節(jié)省看圖時(shí)間，提高溝通效率，確保工序準(zhǔn)確有序地開(kāi)展。

2.2 施工場(chǎng)地布置

本項(xiàng)目隧道錨地處丘陵地帶，南側(cè)緊臨城市快速路不足40 m，因此，合理布置施工場(chǎng)地是施工準(zhǔn)備階段的重要內(nèi)容。

因此，在隧道錨山體三維彈塑性有限元數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，建立BIM三維場(chǎng)布模型，直觀形象地展示施工場(chǎng)地的布置，架設(shè)出渣卸車平臺(tái)，科學(xué)規(guī)劃渣土車及施工車輛出入路徑，合理布置現(xiàn)場(chǎng)材料堆場(chǎng)及加工區(qū)域，降低材料運(yùn)輸和起吊費(fèi)用。使用場(chǎng)布三維BIM模型能形象直觀模擬土方出渣運(yùn)渣、材料等進(jìn)出場(chǎng)、起吊過(guò)程及運(yùn)輸?shù)目臻g需求等，真實(shí)反映項(xiàng)目周邊情況，合理布置場(chǎng)地（圖3）。

2.3 方案深化設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目隧道錨軸線與水平線夾角為40°，整個(gè)隧洞呈傾斜結(jié)構(gòu)，由于截面連續(xù)變化，且安排在主纜索股架設(shè)完成后實(shí)施隧道錨二次襯砌，主纜在隧道錨中呈發(fā)散狀布置，二次襯砌施工無(wú)法采用傳統(tǒng)的隧道臺(tái)車，支架采用扣件式腳手架方案，支架搭設(shè)易和發(fā)散的主纜索股相沖突。相較常規(guī)的Auto CAD軟件無(wú)法準(zhǔn)確定位支架在變截面桿件位置且整體可視性差，工作效率低，安全隱患大。項(xiàng)目通過(guò)BIM技術(shù)搭建支架模型，借助Revit輸出準(zhǔn)確施工圖紙，綜合分析調(diào)整支架間距，橫向間距、步距并根據(jù)主纜形狀呈發(fā)散狀布置，支架搭設(shè)橫向間距最大160 cm，步距最大為140 cm。支架從前錨面逐漸向洞口方向搭設(shè)，軸向橫桿支撐在掌子面。在縱向合理搭設(shè)剪刀撐，每道剪刀撐寬度不小于4跨，斜桿與地面傾角在45°～60°之間，利用BIM技術(shù)提出Autodesk Revit輸出準(zhǔn)確施工圖紙[4]，相較于傳統(tǒng)CAD出圖節(jié)省繪圖時(shí)間50%（圖4、圖5）。后期通過(guò)可視化技術(shù)交底，有助于現(xiàn)場(chǎng)施工人員對(duì)支架搭設(shè)全過(guò)程充分了解，確保支架整體安全性。

圖3 三維場(chǎng)地布置方案模擬

圖4 二次襯砌支架深化方案模擬

圖5 二次襯砌支架搭設(shè)優(yōu)化

2.4 坐標(biāo)定位復(fù)核

隧道錨錨塞體段軸線長(zhǎng)度45 m，錨固系統(tǒng)由索股錨固連接構(gòu)造和預(yù)應(yīng)力鋼束錨固構(gòu)造組成。預(yù)應(yīng)力鋼束錨固構(gòu)造由管道、預(yù)應(yīng)力鋼絞線及錨具、后錨面處錨頭防護(hù)罩等組成。因隧道錨空間較狹窄，預(yù)應(yīng)力定位鋼架每一排角鋼長(zhǎng)度都不一樣長(zhǎng)[9]，故定位鋼架拼裝及坐標(biāo)定位計(jì)算難度大、坐標(biāo)復(fù)核任務(wù)重。通過(guò)BIM模型提取每段定位鋼架、預(yù)應(yīng)力錨墊板的坐標(biāo)，與測(cè)量人員計(jì)算出的測(cè)量數(shù)據(jù)復(fù)核，使得測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確（圖6）。為了將在錨固系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力管道的累積誤差控制在允許范圍內(nèi)，在定位鋼架施工過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力管道按照“分節(jié)支撐、分段接管、實(shí)時(shí)監(jiān)控”的要求，預(yù)應(yīng)力管道及定位支架在洞外根據(jù)尺寸精確下料，全站儀現(xiàn)場(chǎng)精確定位，提高了錨固系統(tǒng)線性控制能力和施工精確度，確保項(xiàng)目施工安全有序進(jìn)行（圖7）。

圖6 錨固系統(tǒng)定位方案模擬

圖7 錨固系統(tǒng)定位支架及錨墊板安裝

3 BIM技術(shù)帶給錨碇專項(xiàng)施工的革新

目前我國(guó)BIM技術(shù)在市政橋梁工程領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用，但是在錨碇專項(xiàng)施工的應(yīng)用較少，具體表現(xiàn)為：缺少標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目級(jí)實(shí)施方法和體系，以及BIM在錨碇專項(xiàng)施工中應(yīng)用的系統(tǒng)解決方案?？偨Y(jié)本項(xiàng)目BIM技術(shù)在隧道錨專項(xiàng)施工中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，具體可包含以下幾點(diǎn)。

3.1 方案評(píng)審的直觀性

基于BIM技術(shù)在錨碇施工中的應(yīng)用，可讓業(yè)主在方案評(píng)審階段更加直觀地感受工程相關(guān)數(shù)據(jù)分析及完工后的效果，加快了評(píng)審速度。

3.2 更加準(zhǔn)確的工程造價(jià)

基于BIM模型的工料計(jì)算相比基于2D圖紙的預(yù)算更加準(zhǔn)確，由計(jì)算機(jī)出圖完成，且節(jié)省了大量時(shí)間。用BIM軟件來(lái)統(tǒng)計(jì)工程量可以減少人工統(tǒng)計(jì)的失誤，合理安排材料的采購(gòu)，縮短工期、降低了工程成本[2]。

3.3 有助于錨碇施工技術(shù)的創(chuàng)新性與先進(jìn)性

作為當(dāng)今建筑業(yè)最具前瞻性的技術(shù)之一，BIM技術(shù)用可視的數(shù)字模型串聯(lián)起設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)全過(guò)程。BIM技術(shù)所提供的信息共享交互平臺(tái)能使早期參與方案設(shè)計(jì)的各個(gè)協(xié)作方進(jìn)行互相經(jīng)驗(yàn)探討、信息協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目創(chuàng)新性與先進(jìn)性。

3.4 有助于施工質(zhì)量的管控

橋梁工程項(xiàng)目的施工建設(shè)中，最為核心的無(wú)疑還是施工質(zhì)量，而在這種施工質(zhì)量的管理和控制中，同樣能夠運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行有效的優(yōu)化。從目前國(guó)內(nèi)BIM技術(shù)在工程項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用情況看，BIM技術(shù)發(fā)揮較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值點(diǎn)是施工階段[3]。

BIM技術(shù)在施工質(zhì)量管理中的應(yīng)用主要就是為了能夠較好地提升其管理的全面性和可靠性，基于信息模型的呈現(xiàn)優(yōu)化對(duì)于整個(gè)施工操作流程的控制和審查，從而也就能夠最大程度上提升其施工質(zhì)量的控制力度效果，為工程施工帶來(lái)了可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著B(niǎo)IM技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)在施工中的應(yīng)用彰顯巨大的優(yōu)勢(shì)[6]。基于BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用為新時(shí)期的項(xiàng)目管理提供了新的思路，已經(jīng)在全國(guó)許多大型橋梁建設(shè)項(xiàng)目中進(jìn)行BIM技術(shù)應(yīng)用的工程實(shí)踐[7]，促進(jìn)了施工過(guò)程中信息的共享與傳遞。宜昌伍家崗長(zhǎng)江大橋在隧道錨施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)，通過(guò)施工方案模擬和BIM協(xié)同平臺(tái)的應(yīng)用，解決了現(xiàn)場(chǎng)施工中碰到的問(wèn)題，有效指導(dǎo)了項(xiàng)目的施工，取得了良好的效果。

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