基于BIM的橋梁施工監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用★

朱 維 香

(浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，浙江 東陽 322100)

0 引言

BIM作為建設(shè)行業(yè)信息化重要支撐，在建筑行業(yè)運(yùn)用已較普遍，而在交通行業(yè)正處于探索階段。斜拉橋作為高次超靜定結(jié)構(gòu)，操作過程復(fù)雜，影響參數(shù)眾多，對線形、內(nèi)力、位移等控制要求也極其嚴(yán)格[1]。本文以杭州灣大道橫江橋梁工程為依托，利用BIM開展施工監(jiān)控，通過建造過程的可視化模擬使得操作過程更直觀、更易發(fā)現(xiàn)問題，增強(qiáng)對施工過程的預(yù)知能力。通過對施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)的動態(tài)采集、分析及反饋，為施工提供更準(zhǔn)確、更精細(xì)的數(shù)據(jù)支持，為同類型橋梁施工的監(jiān)測與控制提供一定的借鑒。

1 工程概況

1.1 工程結(jié)構(gòu)

杭州灣大道橫江大橋工程橋梁全長234.4 m，其中主橋?yàn)榭傞L171 m的獨(dú)塔斜拉橋，引橋總長60 m的兩跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，主橋?qū)?0.5 m，引橋橋?qū)?6.5 m，主橋通航凈空為30 m×2.5 m。主橋?yàn)榭臻g雙索面交叉拱獨(dú)塔斜拉橋，共設(shè)13對鋼絞線拉索，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。本橋獨(dú)特之處在于主塔由兩個(gè)獨(dú)立的傾斜曲線拱組成，主跨及邊跨斜拉索分別拉在兩個(gè)拱上，形成相對獨(dú)立的無備索拱塔，具體見表1，圖1。

表1 杭州灣大道橫江大橋結(jié)構(gòu)組成

1.2 施工工藝

主橋采用支架現(xiàn)澆施工。主梁全長171 m，分為8個(gè)施工節(jié)段；施工完成承臺及墩柱后，搭設(shè)支架，預(yù)壓后，從邊跨向主跨側(cè)在支架上澆筑主梁節(jié)段，并逐段張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，直至完成8個(gè)施工節(jié)段循環(huán)。主塔大拱塔劃分為17個(gè)節(jié)段，小拱塔劃分為15個(gè)節(jié)段，同時(shí)采用節(jié)段對稱吊裝施工，現(xiàn)場焊接，直至拱頂合龍；張拉大小拱塔之間的臨時(shí)連接索，由塔底向塔頂依次分節(jié)段灌注微膨脹混凝土。待塔內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%時(shí)，大小拱塔同時(shí)左右對稱張拉斜拉索，斜拉索張拉從塔根由下至上。斜拉索全部張拉結(jié)束后，拆除主塔臨時(shí)連接拉索、支架、主梁現(xiàn)澆支架及塔吊，再是二期橋面布置，最后驗(yàn)收。

2 施工監(jiān)控方法及內(nèi)容

2.1 自適應(yīng)控制法

近年來，橋梁的施工控制越來越被工程界重視，提出了多種監(jiān)控方法。根據(jù)對誤差處理方法不同，主要有開環(huán)控制、反饋控制、自適應(yīng)控制等方法[2]。本橋?yàn)檩^新穎的交叉拱獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，無論是計(jì)算還是施工都存在很高的要求，技術(shù)含量較高，綜合考慮本工程選用自適應(yīng)控制法。

自適應(yīng)控制方法主要是通過在施工現(xiàn)場獲得實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)識別，然后對結(jié)構(gòu)分析模型進(jìn)行誤差修正，是一個(gè)預(yù)告→施工→量測→計(jì)算→參數(shù)識別→分析→修正→預(yù)告的循環(huán)過程。通過幾個(gè)工況反復(fù)識別，計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)基本一致，從而達(dá)到對施工狀態(tài)更好的控制，為后續(xù)高精度監(jiān)控奠定基礎(chǔ)?？刂圃硪妶D2。

2.2 施工監(jiān)測內(nèi)容

本橋施工過程復(fù)雜，為了防止不利受力情況出現(xiàn)，準(zhǔn)確的主塔節(jié)段定位、合理的索力和合理的主塔主梁合龍工藝非常重要，需要采取嚴(yán)格措施，如控制主塔節(jié)段定位坐標(biāo)、主塔混凝土澆筑時(shí)間、主梁混凝土澆筑方量誤差、預(yù)應(yīng)力鋼束張拉、施工荷載的堆放、控制施工步驟和工況、施工工藝以及增加高程測量和索力測量次數(shù)，并限制其主塔兩側(cè)不對稱性等。

本橋施工主要監(jiān)測內(nèi)容有主橋監(jiān)測、定位側(cè)移沉降監(jiān)測、鋼錨箱的應(yīng)變—應(yīng)力測量、斜拉索索力測試、現(xiàn)場混凝土試驗(yàn)等幾大方面。主橋監(jiān)測主要內(nèi)容有：1)鋼混組合交叉曲線拱主塔監(jiān)測。主要有主塔鋼節(jié)段施工定位控制監(jiān)測、主塔塔頂側(cè)移的工況監(jiān)測、索塔鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力—應(yīng)變監(jiān)測、測點(diǎn)的溫度測量、氣溫記錄等。2)預(yù)應(yīng)力混凝土主梁監(jiān)測。主要有主梁全線標(biāo)高的測量、主梁關(guān)鍵截面應(yīng)力—應(yīng)變的監(jiān)測、主梁斜拉索錨管空間空位控制、橫梁監(jiān)測等。3)鋼絞線斜拉索監(jiān)測。主要對斜拉索索力進(jìn)行監(jiān)測。4)主橋基礎(chǔ)監(jiān)測。主要是對沉降和變形開展監(jiān)測。5)混凝土材料性能監(jiān)測。在橋梁施工過程中，對主塔C40與主梁C50的實(shí)際抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量及主梁C50的抗彎彈性模量等進(jìn)行混凝土材料試驗(yàn)。6)預(yù)應(yīng)力鋼束損失參數(shù)的驗(yàn)證。通過實(shí)際有效永存應(yīng)力現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)正確性。7)混凝土裂縫檢查。每個(gè)節(jié)段施工完成后對主橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)鍵重點(diǎn)部位的裂縫普查，對出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行長期監(jiān)測，防止和避免裂縫出現(xiàn)引起意外問題。

2.3 施工監(jiān)測點(diǎn)布置

根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容，開展施工監(jiān)測測點(diǎn)布置，主要有主塔定位及變形監(jiān)測點(diǎn)、主橋變形測點(diǎn)、主橋沉降監(jiān)測點(diǎn)、主梁主塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力及溫度場監(jiān)測點(diǎn)、斜拉索索力監(jiān)測點(diǎn)等方面。其中主塔施工定位及變形監(jiān)測點(diǎn)布置見圖3。

本橋拱塔采用鋼節(jié)段現(xiàn)場焊接拼裝工藝，大拱塔分17個(gè)節(jié)段，小拱塔分為15個(gè)節(jié)段，各包括一個(gè)合龍段。每個(gè)待拼裝鋼節(jié)段設(shè)置4個(gè)空間坐標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)，每個(gè)已拼裝鋼主塔設(shè)置2個(gè)空間坐標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)，施工過程中主要監(jiān)測每個(gè)塔柱J節(jié)段的空間坐標(biāo)定位及已拼裝主塔節(jié)段的位移。主塔封頂后監(jiān)測各節(jié)段的2個(gè)坐標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)，并在塔頂設(shè)置2個(gè)全站儀觀測棱鏡，觀測塔頂三維變形。施工中應(yīng)注意測點(diǎn)的保護(hù)，測量數(shù)據(jù)應(yīng)保持連續(xù)性，測量時(shí)間應(yīng)符合監(jiān)控要求。

3 施工監(jiān)控BIM應(yīng)用

斜拉橋施工控制BIM應(yīng)用流程中信息獲取是其控制管理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵階段，信息分析階段可利用BIM技術(shù)進(jìn)行可視化的對比分析，然后是進(jìn)行施工控制評價(jià)，最后是對信息進(jìn)行集成管理，BIM應(yīng)用實(shí)施流程詳見圖4。

3.1 施工模擬

本工程施工模擬主要是可視化模擬及有限元模擬兩方面。通過BIM呈現(xiàn)動態(tài)可視化模擬，分析工序及資源配置等可行性，處理模擬中出現(xiàn)的問題，提前排除危險(xiǎn)，優(yōu)化方案。同時(shí)，BIM模型是一個(gè)數(shù)據(jù)集成體，通過相關(guān)插件轉(zhuǎn)化成有限元模型，進(jìn)行施工監(jiān)測分析，減少重復(fù)勞動。

3.2 施工監(jiān)測

建立構(gòu)件監(jiān)測傳感器信息智能化采集系統(tǒng)，結(jié)合三維激光掃描、GIS測量等自動化量測技術(shù)，將橋梁施工現(xiàn)場線形測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取并集成到施工監(jiān)控BIM應(yīng)用系統(tǒng)平臺，項(xiàng)目管理人員可通過手機(jī)等獲取BIM平臺信息，精準(zhǔn)掌握構(gòu)件的線形及內(nèi)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動態(tài)顯示[3]。

3.3 數(shù)據(jù)可視化分析及反饋

在BIM模型中將施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及有限元模擬的理論數(shù)據(jù)以應(yīng)力、變形“云圖”的樣式呈現(xiàn)，達(dá)到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可視化分析及評價(jià)[3]。結(jié)合環(huán)境等因素，偏差對比分析，自動糾偏，取得關(guān)鍵指標(biāo)，再下達(dá)后續(xù)指令，達(dá)成全過程監(jiān)控；若應(yīng)力變形超過誤差界限，則自動預(yù)警，暫停動工，調(diào)整方案。

3.4 信息協(xié)同管理

施工監(jiān)控BIM應(yīng)用系統(tǒng)是相關(guān)單位協(xié)同管理的基礎(chǔ)，各單位的相關(guān)數(shù)據(jù)資料都集成于BIM中。在施工監(jiān)控過程中，信息發(fā)生變更，可實(shí)時(shí)進(jìn)行信息變更，并及時(shí)通知項(xiàng)目各參與方，實(shí)現(xiàn)信息協(xié)同管理。

4 施工監(jiān)控結(jié)果分析

本橋的施工步驟較多，工藝復(fù)雜，影響結(jié)構(gòu)誤差因素也多，需在每個(gè)節(jié)段給出指令進(jìn)行施工指導(dǎo)，對實(shí)測數(shù)據(jù)誤差分析并進(jìn)行動態(tài)調(diào)整等。其中主塔由MS1號張拉至MS13號過程中其根部應(yīng)力數(shù)據(jù)見表2。

表2 MS1號張拉至MS13號過程中主塔根部應(yīng)力數(shù)據(jù) MPa

主塔在混凝土灌注過程中大小塔柱塔頂測點(diǎn)X向面內(nèi)位移坐標(biāo)變化部分結(jié)果見圖5。

從實(shí)測值與理論值的對比的圖、表可知，主塔在斜拉索張拉過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)的理論變形及應(yīng)力變化與實(shí)測值數(shù)據(jù)基本吻合。施工工序應(yīng)按監(jiān)控工序進(jìn)行，現(xiàn)場斜拉索按超張拉5%，施工中應(yīng)注意多次檢查主塔塔根索外側(cè)混凝土。

5 結(jié)語

在杭州灣大道橫江大橋施工過程中，按照自適應(yīng)控制法進(jìn)行施工監(jiān)測，運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行橋梁施工全過程控制，實(shí)現(xiàn)施工可視化模擬及信息協(xié)同管理，為施工監(jiān)控提供更準(zhǔn)確、更精細(xì)的數(shù)據(jù)支持及協(xié)作平臺，最終大橋施工順利完成既定目標(biāo)。