BIM技術(shù)在山區(qū)峽谷大型鐵路橋梁施工中的應(yīng)用

袁 帥

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222)

1 引言

建筑信息模型building information modeling、building information model(BIM)是“在建設(shè)工程設(shè)施全生命期內(nèi)，對(duì)其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字表達(dá)，并依此設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的過(guò)程和結(jié)果的總稱”[1]2。經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，在我國(guó)已從最初的示范應(yīng)用與推廣引導(dǎo)階段升級(jí)到全面推進(jìn)及多政策融合發(fā)展階段[2]。

在鐵路領(lǐng)域，BIM技術(shù)作為數(shù)字鐵路、鐵路工程建設(shè)信息化的主要技術(shù)發(fā)展方向[3]，自2014年以來(lái)，國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司組織進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)研究與制定以及鐵路BIM應(yīng)用實(shí)踐，在設(shè)計(jì)階段多個(gè)專業(yè)協(xié)同、全專業(yè)交付等方面取得系列成果[4]，受限于各種條件，多階段協(xié)同應(yīng)用尚未取得大的突破。因此，施工階段的BIM應(yīng)用基本采用基于工程實(shí)踐的BIM應(yīng)用方式P-BIM進(jìn)行[1]20，在橋梁、隧道、站場(chǎng)、四電[5-7]等專業(yè)方向，通過(guò)試點(diǎn)探索總結(jié)出系列施工過(guò)程BIM應(yīng)用價(jià)值點(diǎn)。

本文基于大瑞鐵路怒江特大橋，利用BIM技術(shù)進(jìn)行施工組織策劃、施工方案編制與優(yōu)化、施工工藝模擬，旨在總結(jié)出一套橋梁技術(shù)BIM應(yīng)用解決方案，推動(dòng)我國(guó)橋梁數(shù)字化施工技術(shù)的發(fā)展。

2 工程概況及施工重難點(diǎn)

2.1 工程概況

新建大理至瑞麗鐵路怒江四線特大橋位于云南省保山市施甸縣與龍陵縣交界處，橋梁全長(zhǎng)1 024.2 m，橋面寬24.9 m，橋上設(shè)會(huì)車站。全橋孔跨布置采用(7×41)m連續(xù)鋼混結(jié)合梁+(14×37.2)m連續(xù)鋼箱梁+(5×41)m連續(xù)鋼混結(jié)合梁(見(jiàn)圖1)，主橋采用490 m上承式鋼桁拱橋跨越怒江[8]。

圖1 怒江特大橋效果圖

2.2 工程實(shí)施難點(diǎn)

(1)施工環(huán)境惡劣

①地勢(shì)條件

橋位處為典型的構(gòu)造剝蝕高中山陡坡地貌，左右岸最大高差820 m，江面到橋面230 m，高空作業(yè)多。怒江水流湍急，無(wú)航運(yùn)條件，也無(wú)滿足施工生活、生產(chǎn)條件的場(chǎng)地。

②交通條件

距離橋位1.4 km的主要道路為老滇緬公路，山路崎嶇、道路狹窄、轉(zhuǎn)彎半徑小，需對(duì)近50 km道路、橋梁進(jìn)行加寬加固。

③氣象條件

橋位地區(qū)雨霧、雷暴、大風(fēng)天氣多，日內(nèi)溫差最大超過(guò)20℃，全年極端溫差達(dá)37.1℃；局地最高風(fēng)速達(dá)21 m/s，姿態(tài)及線形控制困難，高空作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高。

(2)結(jié)構(gòu)及工藝復(fù)雜

主橋是全橋施工的重點(diǎn)，其中主拱圈采用上承式提籃4片桁拱結(jié)構(gòu)，內(nèi)傾3.657 8°，由926根桿件通過(guò)73萬(wàn)顆螺栓連接組成，重達(dá)27 000 t。4片桁每2片組成1肋，每肋的2片桁間距3.4 m，通過(guò)橫桿連接成整體；主桁為N型桁架，節(jié)間水平投影長(zhǎng)12.4 m。拱頂處主桁中心距18 m，拱角處主桁中心距32 m(見(jiàn)圖2)。

圖2 拱肋標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段

3 BIM應(yīng)用策劃

BIM策劃立足于解決項(xiàng)目需求，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)橋梁技術(shù)數(shù)字化升級(jí)，推動(dòng)“數(shù)字鐵路”在施工階段的落地。

3.1 團(tuán)隊(duì)組成

十八局集團(tuán)籌建BIM技術(shù)暨智能建造中心，派專人負(fù)責(zé)實(shí)施，內(nèi)外聯(lián)動(dòng)組建BIM攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，內(nèi)部3個(gè)小組為專業(yè)技術(shù)組、BIM實(shí)施組、IT支持組；外部顧問(wèn)團(tuán)隊(duì)為BIM咨詢及橋梁專家。

3.2 應(yīng)用方向

(1)施工組織是工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著進(jìn)度、質(zhì)量、安全等多方面的工作成效[9]。山區(qū)地形大型鐵路工程大多環(huán)境復(fù)雜、施工管理難度大，存在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查效率低、場(chǎng)地規(guī)劃粗放等問(wèn)題。采用BIM+GIS技術(shù)進(jìn)行總平面布置，確保場(chǎng)地規(guī)劃和臨建布置信息完整、精確[10]。

(2)主橋施工總體順序?yàn)殄^碇→拱腳支架法施工→懸臂拼裝→合龍→拱上結(jié)構(gòu)。纜索吊系統(tǒng)及斜拉扣掛系統(tǒng)的布置直接影響全橋施工的關(guān)鍵線路。

(3)鑒于峽谷地形不具備整節(jié)段吊裝條件，只能采用單件或組合起吊的方式施工。桿件起吊到位后需調(diào)整仰角、內(nèi)傾角及桿件自身的旋轉(zhuǎn)角，然后插入對(duì)接，桿件間隙僅為2 mm。因此桿件組合方式、起吊順序是可視化模擬的關(guān)鍵，而且桿件起吊、運(yùn)輸、調(diào)整、就位的路徑和姿態(tài)模擬必須實(shí)現(xiàn)參數(shù)化操作和交底。

(4)由于橋位處氣象條件極端惡劣，高空作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、頻次多、安全風(fēng)險(xiǎn)大，因此對(duì)工班進(jìn)行可視化技術(shù)交底也是BIM應(yīng)用的重點(diǎn)，尤其是桿件對(duì)接、纜索吊橫移、扣錨索安裝及拆除等重難點(diǎn)工藝應(yīng)進(jìn)行詳實(shí)的可視化、參數(shù)化描述。

(5)以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，探索與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)乃至智能建造等技術(shù)融合，總結(jié)橋梁數(shù)字化施工技術(shù)。

3.3 資源配置

(1)軟件配置

根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)，建模、模擬主軟件采用達(dá)索3D Experience平臺(tái)，綜合考慮地形處理、可視化渲染等需求配置軟件，如表1所示。

表1 軟件配置

(2)硬件配置

配置專業(yè)工作站，為了確保數(shù)據(jù)安全及網(wǎng)絡(luò)可靠，軟件服務(wù)器設(shè)置在集團(tuán)總部，通過(guò)VPN專線與現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目部協(xié)同。硬件配置見(jiàn)表2。

表2 硬件配置

4 BIM實(shí)施與分析

4.1 模型創(chuàng)建

(1)主體模型

BIM模型是應(yīng)用的基礎(chǔ)條件，對(duì)應(yīng)BIM應(yīng)用目標(biāo)和范圍，必須有明確對(duì)應(yīng)的模型細(xì)度，對(duì)于動(dòng)輒數(shù)拾GB的BIM施工模型，“夠用就好”是BIM應(yīng)用的基本策略[11]。

在利用Catia軟件建模時(shí)，一般利用知識(shí)工程模板通過(guò)參數(shù)化快速建模，但是建模的邏輯與工程施工方法不相符。因此建模前必須根據(jù)工程EBS分解以及施工方法制定統(tǒng)一的模型命名規(guī)則與制圖標(biāo)準(zhǔn)，明確施工組織、施工方案、施工工藝不同需求的模型精度。

(2)臨時(shí)設(shè)施模型

大型橋梁施工采用的吊具、模板系統(tǒng)等一部分來(lái)自既有機(jī)械設(shè)備模型庫(kù)，與新建部件構(gòu)成設(shè)施模型構(gòu)件庫(kù)，建成纜索吊裝系統(tǒng)、斜拉扣掛系統(tǒng)，結(jié)合計(jì)算分析可形成臨時(shí)設(shè)施三維正向設(shè)計(jì)能力。

(3)模型集成

土建、鋼結(jié)構(gòu)、臨時(shí)設(shè)施模型由各組分部建模后在統(tǒng)一坐標(biāo)系內(nèi)集成，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程建模協(xié)同，如圖3所示。

圖3 主體及設(shè)施模型集成

4.2 基于BIM+GIS的場(chǎng)地規(guī)劃

工程實(shí)施階段所需的GIS數(shù)據(jù)可分為低、中、高三種精度。針對(duì)不同的需求采用對(duì)應(yīng)精度的數(shù)據(jù)與BIM模型結(jié)合，解決項(xiàng)目策劃中的實(shí)際問(wèn)題。

受地形限制，橋位處沒(méi)有鋼構(gòu)件制造及試拼場(chǎng)地。通過(guò)低精度GIS數(shù)據(jù)配合實(shí)地查勘，在50 km外建廠，進(jìn)行加工制造后用汽車運(yùn)至橋位，低精度GIS數(shù)據(jù)一般來(lái)源于谷歌地球、衛(wèi)片數(shù)據(jù)、電子地圖等。

通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載多鏡頭傾斜攝影相機(jī)采集進(jìn)場(chǎng)便道影像，生成點(diǎn)云文件，經(jīng)過(guò)多次處理形成三維場(chǎng)景[12]。導(dǎo)入至Fuzor軟件，可模擬道路運(yùn)輸情況(見(jiàn)圖4)，發(fā)現(xiàn)拱腳部位下弦桿太長(zhǎng)導(dǎo)致車輛無(wú)法過(guò)彎，最終將該桿件優(yōu)化為2根組合式，確保運(yùn)輸暢通。

圖4 桿件優(yōu)化前后道路通行對(duì)比

4.3 施工方案模擬

(1)斜拉扣掛總體方案

主拱圈采用“支架+懸臂拼裝”方式施工，斜拉扣掛系統(tǒng)承受最大荷載約為23 000 t，共設(shè)27層108束扣錨索。因后錨布設(shè)點(diǎn)有限，引橋施工與錨索存在空間沖突。經(jīng)過(guò)模擬確定5#橋墩第1層橫梁以下先作為輔助扣塔施工(見(jiàn)圖5)，待斜拉扣塔體系拆除后再完成全部墩身，保證了全橋施工進(jìn)度和安全。

(2)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段吊裝方案

主拱圈由41個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和1個(gè)合龍段組成，標(biāo)準(zhǔn)段吊裝順序依照“先內(nèi)后外、先下后上”的原則。經(jīng)過(guò)模擬、優(yōu)化，總結(jié)出最優(yōu)的組合吊裝順序，即內(nèi)下弦、下平聯(lián)、內(nèi)斜腹、內(nèi)豎腹、內(nèi)上弦、橫聯(lián)斜撐、上平聯(lián)、外下弦、外斜腹、外豎腹、外上弦，相對(duì)單桿件吊裝方案減少吊裝156次，節(jié)約工期78 d，且避免了桿件就位沖突碰撞。

(3)拱腳支架安裝方案

拱腳預(yù)埋段與0#、1#節(jié)段采用鋼管支架拼裝，預(yù)埋段底部設(shè)置碼板，通過(guò)橫、豎向千斤頂精調(diào)定位，最后施工混凝土，確保了精度及線形(見(jiàn)圖6)。

圖5 扣塔與5#墩空間沖突及工序優(yōu)化

圖6 拱腳支架段施工模擬

(4)拱圈合龍方案

依照標(biāo)準(zhǔn)吊裝順序，合龍段上弦、上平聯(lián)需臨時(shí)存放在扣塔頂部，再依次進(jìn)行桿件吊裝。為保證平臺(tái)及桿件之間連接滿足安全施工要求，臨時(shí)存放平臺(tái)與桿件之間采用導(dǎo)鏈捆扎固定。

4.4 重難點(diǎn)工藝

采用Delmia對(duì)仰角、傾角、路徑進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)每次吊裝的路徑規(guī)劃和姿態(tài)調(diào)整、對(duì)接就位。

4.5 基于BIM的管理

4.5.1 進(jìn)度管理

大型橋梁工程往往施工周期長(zhǎng)，且施工進(jìn)度受各種因素影響較大。采用BIM技術(shù)能更直觀反映進(jìn)度計(jì)劃與實(shí)際進(jìn)展動(dòng)態(tài)關(guān)系，找出關(guān)聯(lián)因素，便于及時(shí)調(diào)整施工計(jì)劃。

4.5.2 安全質(zhì)量管理

BIM應(yīng)用于安全質(zhì)量管理，一般分兩種模式：一種是采用BIM技術(shù)進(jìn)行安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)源的模擬和交底；另一種是基于BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)的安全質(zhì)量業(yè)務(wù)流程管理。

(1)高空操作平臺(tái)優(yōu)化

通過(guò)模擬人員高空裝配螺栓時(shí)的三維空間關(guān)系，在高空狹窄空間條件下依據(jù)安全性、經(jīng)濟(jì)性、易操作性原則優(yōu)化操作平臺(tái)，確保人員安全。

(2)不利工況模擬

將BIM模型與力學(xué)模型融合，模擬桿件在極端風(fēng)荷載情況下的運(yùn)動(dòng)軌跡和碰撞干涉情況，為鄰近拱圈的桿件在吊裝施工時(shí)遭遇突發(fā)大風(fēng)這一不利工況提供安全風(fēng)險(xiǎn)分析和應(yīng)急預(yù)案參考。

(3)3D激光雷達(dá)虛擬預(yù)拼

采用3D激光雷達(dá)對(duì)鋼板、桿件進(jìn)行掃描，經(jīng)過(guò)處理后生成三維模型與BIM模型驗(yàn)證進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，并進(jìn)行虛擬預(yù)拼以消除累計(jì)誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

怒江特大橋在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中充分利用BIM技術(shù)可視化、參數(shù)化的優(yōu)勢(shì)，對(duì)技術(shù)管理包含的施工組織、施工方案、施工工藝、安全質(zhì)量控制要點(diǎn)進(jìn)行全方位、標(biāo)準(zhǔn)化模擬，在防范安全風(fēng)險(xiǎn)、強(qiáng)化質(zhì)量控制、提高作業(yè)效率等方面發(fā)揮了極大作用，總結(jié)出鋼桁拱橋數(shù)字化施工技術(shù)和適合山嶺地形的橋梁施工全階段BIM技術(shù)解決方案。

建筑信息技術(shù)已經(jīng)歷自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化走向智能化[13-14]，但目前BIM技術(shù)應(yīng)用還存在模型與信息隔離、不同階段分離的“孤島現(xiàn)象”。從施工方的視角，至少有三方面的工作值得深入：一是擺脫軟件桎梏，分領(lǐng)域形成BIM應(yīng)用綜合解決方案；二是轉(zhuǎn)換思維，推動(dòng)以施工方法和單元為核心的BIM標(biāo)準(zhǔn)貫穿全生命階段，真正實(shí)現(xiàn)“一模到底”；三是基于BIM項(xiàng)目，進(jìn)行施工重點(diǎn)要素的大數(shù)據(jù)管理與分析，探索施工階段的智能輔助決策方案。