基于BIM技術(shù)的涉鐵鋼箱梁施工方案比選

黃為 方自安

【摘 要】?新機(jī)場連接線三標(biāo)2×120 mT型剛構(gòu)跨鐵鋼箱梁轉(zhuǎn)體作為國內(nèi)最大跨度耐候鋼鋼箱梁轉(zhuǎn)體橋，上跨6條既有鐵路 ，施工場地狹小，施工條件復(fù)雜，受道路運輸、航空限高、臨近鐵路和業(yè)主要求年底主線通車等多種因素制約，施工難度大，工期緊張。文章基于BIM模型，得出地形數(shù)據(jù)，分析機(jī)械與鐵路的界限關(guān)系，找出各機(jī)械之間的交叉作業(yè)沖突，通過鋼箱梁結(jié)構(gòu)深化設(shè)計，得出每一分塊鋼箱梁的重量，模擬過程中各方案的可實施性，分析整個施工過程中的進(jìn)度、資源等因素對鋼箱梁吊裝的影響，分析了了大噸位吊車吊裝、大噸位履帶吊吊裝、龍門吊吊裝等多個方案，得出龍門吊吊裝為此項目的最佳吊裝方案，為以后類似施工提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù); 涉鐵工程; 轉(zhuǎn)體橋; 方案比選

1 工程概況

1.1 鋼箱梁簡介

由中鐵十四局負(fù)責(zé)施工的青島市新機(jī)場高速連接線（雙埠—夏莊段）工程三標(biāo)段，控制性工程鋼箱梁轉(zhuǎn)體橋采用120 m+120 m T構(gòu)鋼箱梁施工工藝，橋梁高度18.6～29 m，分左右兩幅布置，單幅橋?qū)?4.58 m，全幅總寬49.53 m，轉(zhuǎn)體總重量7 488 t，兩幅同步逆時針轉(zhuǎn)體。工程特點、難點、科技攻關(guān)及主要施工方法：上跨6條鐵路轉(zhuǎn)體橋（新機(jī)場專用線、青榮城際、膠濟(jì)客專），本橋位于強(qiáng)風(fēng)區(qū)，橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動及大懸臂轉(zhuǎn)體施工抗風(fēng)性能是橋梁設(shè)計施工重難點。

主橋轉(zhuǎn)體前施工臨近既有鐵路線，施工場地狹小，受道路運輸、航空限高、臨近鐵路和業(yè)主要求年底主線通車等多種因素制約。先后通過了高大模板、支撐支架、深基坑、龍門吊安拆、鋼箱梁安裝等專項方案的專家評審。

120 m+120 m轉(zhuǎn)體耐候鋼鋼箱T構(gòu)，為國內(nèi)同類最大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，是目前國內(nèi)最大跨度耐候鋼鋼箱梁轉(zhuǎn)體橋。

1.2 施工條件

青島地區(qū)屬華北暖溫帶沿海濕潤季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，春夏多東南風(fēng)，秋冬多西北風(fēng)，年均風(fēng)速5.30 m/s，瞬間最大風(fēng)速44.20 m/s。年均受臺風(fēng)侵襲或臺風(fēng)外圍的影響達(dá)13次，是影響施工的主要自然災(zāi)害。沿線地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水及基巖裂隙水?；鶐r裂隙水主要賦存于基巖風(fēng)化帶中。地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，臨近白沙河沿線，地下水與河水存在一定的補(bǔ)排關(guān)系。

1.3 建立地形

通過Infraworks軟件建立基本地形進(jìn)行方案比選的初步分析，通過Infraworks里的測量工具[1]，從白沙河跨過仙山西路至鐵路之間，距離為240 m，坡角為1.8 %，240 m處鐵路坡腳之間的距離為50 m，坡角為5.62 %，靠近仙山西路鐵路坡腳之間的距離為52 m，坡腳為3.63 %，考慮到鋼箱梁的橫斷面寬度為24.6 m，鋼箱梁兩側(cè)必須留著便道以便于機(jī)械的進(jìn)出，施工場地極其狹小，需要精細(xì)組織，仔細(xì)論證（圖1）。

1.4 鋼箱梁的加工與運輸

鋼箱梁制造常采用三階段法：第一階段工廠板單元構(gòu)件制造，第二階段是在胎架上匹配組裝焊接成箱梁節(jié)段，第三階段工地配合箱梁節(jié)段安裝，完成箱體之間的焊接[2]。

鋼箱梁在開始制造之前，梁段的劃分是必須首先考慮的問題，分段的方案對鋼箱梁的制造、運輸及工地施工有著直接的影響。本項目中高架橋鋼箱梁處于鐵路、交通要道，交通繁重，施工場地和施工時間均受到限制，且箱梁運輸經(jīng)過城市公路，運輸節(jié)段的高度、寬度和質(zhì)量均受到很大制約。因此，本項目考慮在工廠加工，現(xiàn)場組拼的方式，在施工現(xiàn)場預(yù)設(shè)兩個總拼場地，把板單元進(jìn)至場后在總拼場地拼裝成塊體，采取吊裝進(jìn)行高位焊接的方式[3-4]（圖2）。

2 鋼箱梁施工方案比選

鋼箱梁分為左右兩幅，每幅東西兩側(cè)分為8個節(jié)段，中間為0#段（圖3），一共為34個節(jié)段，采用機(jī)械吊裝的方式把每個節(jié)段調(diào)運至設(shè)計位置，進(jìn)行高位焊接，由于受現(xiàn)場條件限制影響 ，以左幅5#號墩的鋼箱梁為例，本工程擬定三種方案進(jìn)行比選。分別為：①大噸位吊車吊裝方案;②大噸位履帶吊吊裝方案;③龍門吊吊裝方案。

其中大噸位吊車吊裝方案和大噸位履帶吊吊裝方案采取把每一節(jié)段鋼箱梁分成10塊的方式，通過Revit建模復(fù)核出每一節(jié)段（S0-S8）的重量（表1、圖4），把每一節(jié)段的分成10份（圖5）：中間一共8份，兩翼分為2份。

2.1 大噸位吊車吊裝方案

本方案考慮從S0號段開始吊裝，左幅5#沿線路的垂直方向兩側(cè)對稱吊裝，支架安裝和鋼箱梁塊件安裝同時進(jìn)行，鋼箱梁安裝以主墩為中心，按照S1-S8段進(jìn)行吊裝。根據(jù)汽車吊起重能力及吊裝參數(shù)擬采用350 t汽車吊進(jìn)行鋼箱梁的吊裝焊接，350 t汽車吊參數(shù)：13 m×2.6 m×3.64 m。

根據(jù)吊車的吊裝位置及起吊能力初步考慮把鋼箱梁按10～13 m一個段進(jìn)行劃分吊裝。通過地形測距圖（圖1）得知現(xiàn)場施工環(huán)境及各施工區(qū)域的限制，施工通道需具備大型吊車及重型卡車通過能力，現(xiàn)場需要場地平整后，鋼箱梁可具備進(jìn)場安裝條件?？紤]運輸距離遠(yuǎn)，在節(jié)段劃分時最大節(jié)段重量不大于62.6 t。左幅5#墩運梁道，只能設(shè)在支架投影西側(cè)（緊靠青榮城際鐵路上行線坡腳柵欄），主要用作箱梁進(jìn)場運輸通道及箱梁安裝通道道路需C20混凝土硬化處理，運梁道寬8 m，長140 m。吊車吊裝位置只能設(shè)在支架中心位置。吊裝只能沿南北向逐段吊裝。根據(jù)吊車大臂長度及回轉(zhuǎn)半徑的起重能力，鋼箱梁按縱向、橫向及豎直方向進(jìn)行節(jié)段劃分，共劃分為424個塊體（圖6），通過Revit計量得出每一塊鋼箱梁的重量，其中最大塊體重量為62.6 t。

吊裝順序：拼裝S0號塊支架—鋼箱梁塊體—臨時索塔。

吊車在吊裝鋼箱梁塊件時大臂垂直地面距離約38.5 m，安裝臨時索塔時大臂垂直地面距離約56 m，若發(fā)生傾覆均超出鐵路安全距離。且吊裝順序不能發(fā)生變化，必須拼裝完支架再吊鋼箱梁的順序，且共需吊裝424次，考慮兩臺吊車沿S0號塊對稱吊裝，每次吊裝時間需2～4 h，如果兩臺吊車同時作業(yè)，共需用212個天窗點，再考慮每次安裝完一段鋼箱梁就安裝下一段支架時間，每安裝下一段支架時間約3～5天，按目前時間推算，5月中旬開始安裝，全部鋼箱梁及支架完成時間約2021年3月15日，轉(zhuǎn)體后全線能達(dá)到通車時間為2021年5月15日。

2.2 鐵路內(nèi)履帶吊吊裝方案

本方案考慮履帶吊通過鐵路下穿道路進(jìn)入場地便道在青榮線及機(jī)場線間進(jìn)行鋼箱梁吊裝焊接，施工步驟需考慮首先在場地內(nèi)拼裝履帶吊，履帶吊行走的道路及吊裝場地要考慮硬化[5]。在履帶吊進(jìn)場階段，現(xiàn)場未進(jìn)行大規(guī)模的鋼結(jié)構(gòu)施工，可酌情考慮在地基加固區(qū)域或后期拼裝場地，通過輔助吊裝完成履帶吊的安裝。根據(jù)場地及鋼箱梁的安裝高度確定履帶吊的吊裝主臂42 m，吊轉(zhuǎn)半徑約20 m。擬選用300 t履帶吊，尺寸為9.45 m×3.35 m×3.84 m（圖7）。

安全距離同汽車吊方案，履帶吊在吊裝時傾覆的安全距離影響兩側(cè)鐵路安全，且吊裝順序不能發(fā)生變化，必須拼裝完支架再吊鋼箱梁的順序，施工場地嚴(yán)重受限，施工過程不可把控，工期延長的風(fēng)險很高。同汽車吊一樣，如按天窗點吊裝鋼箱梁推算，施工工期完成時間約為2021年5月15日。

2.3 機(jī)場專用線外側(cè)大噸位履帶吊分塊吊裝方案

鐵路內(nèi)側(cè)因鐵路安全等條件限制，考慮在機(jī)場專用線東側(cè)采用履帶吊進(jìn)行鋼箱梁吊裝焊接作業(yè)（圖8）。

根據(jù)回轉(zhuǎn)半徑及鋼箱梁塊件重量（最大62.4 t）需選用臂長72 m以上的大噸位650 t履帶吊才能滿足鋼箱梁吊裝要求。根據(jù)吊裝角度及履帶吊吊臂長度，此處履帶吊豎直高度大于55.2 m超過此處機(jī)場航空48 m限高要求。如航空限高不作要求可采用此方案?？商崆鞍阉兄Ъ芷囱b完成，鋼箱梁快件拼裝靈活，前期不受橋梁下部施工影響。鋼箱梁塊件加工完成后可考慮提前吊裝?？偲磮龅卦O(shè)在鐵路外側(cè)。根據(jù)圖9所示650 t履帶吊吊裝施工安全距離對青榮鐵路及機(jī)場專用線存在安全隱患。吊裝靠青榮城際側(cè)塊件需青榮城際上行線和機(jī)場專用線天窗點施工，吊裝靠機(jī)場專用線側(cè)塊件需機(jī)場專用線天窗點施工。

根據(jù)吊裝鋼箱梁需在天窗點內(nèi)施工的時間限制，不考慮安裝支架的影響，用兩臺650 t的履帶吊吊裝鋼箱梁的時間至主線通車約280天，從5月中旬開始吊裝，2020年2月19日主線通車。

2.4 龍門吊吊裝方案

為減少對工期影響，使前期不受梁下支架施工影響，考慮龍門吊方案：首先建設(shè)鋼箱梁拼裝場地，安裝龍門吊、搭設(shè)鋼箱梁板單元拼裝胎架、塊單元組拼支架。在總拼胎架上把鋼箱梁板單元安裝成塊單元，接著采用龍門吊對鋼箱梁的快單元進(jìn)行吊裝，在支架設(shè)計位置進(jìn)行高位拼裝焊接，部分梁段采用頂推的方式進(jìn)行拖拉[6-7]（圖10）。

鋼箱梁的單元在加工廠加工完畢，運至施工現(xiàn)場，在總拼胎架上組裝成塊單元，每一個節(jié)段的鋼箱梁分為5塊（圖11），翼緣板拆成2塊，鋼箱梁主體分為3塊。為確保鋼箱梁焊接質(zhì)量，最大化工廠作業(yè)，鋼箱梁在總拼胎架上組裝成塊單元后再進(jìn)行吊裝焊接[8]（圖12）。

通過BIM建模，把分塊的重量計算出來（如表3），為我們合理設(shè)計支架和龍門吊的型號提供依據(jù)，根據(jù)計算結(jié)果我們采用4臺120 t龍門吊進(jìn)行吊裝，其中S0號塊分為8塊，把S0的1#、2#、3#均分為2塊。

右幅靠近白沙河段，以北側(cè)S4位置為龍門吊落梁平臺，在S7段北側(cè)左右兩邊設(shè)置2個連續(xù)頂拖拉平臺，待拼裝好的92.70梁體用龍門吊落在S4位置后，在鋼梁尾部安裝拉錨器，穿好鋼絞線并預(yù)緊。采用連續(xù)頂推千斤頂進(jìn)行頂推拖拉。頂推至預(yù)定位置，拼裝下一節(jié)梁段，在進(jìn)行下一節(jié)鋼梁拼裝后落在S4位置后，拆除拉錨器安裝到下一梁段上。頂推過程中要確保兩臺頂推千斤頂行程一致[9-10]。

水中支架采用630×10 mm鋼管樁基礎(chǔ)，陸地支架采用鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，其上采用478×8 mm鋼管作立柱，立柱間通過L125×10角鋼連接，立柱頂部為橫向HW300×300H型鋼橫梁，橫梁頂部為雙拼HN700×300縱向滑道梁。

滑道頂面設(shè)置成水平，其上為倒U型滑靴，頂部根據(jù)梁段縱向線型設(shè)置不同高度枕木支撐，通過事前計算，確定頂推軌跡，按直線行走，立面按水平行走，根據(jù)鋼梁縱向坡度設(shè)置不同高度墊塊。拖拉過程中，通過控制下滑道標(biāo)高來控制鋼梁標(biāo)高，通過橫向限位裝置控制鋼梁的橫向偏移，通過頂推千斤頂?shù)男谐炭刂其摿旱目v向位移。[11-12]拖拉千斤頂定設(shè)置在滑道前端內(nèi)側(cè)，后錨點設(shè)置在拖拉段鋼梁底部，與拖拉千斤頂位于同一直線上如圖11所示。

3 結(jié)論

通過對以上三個方案（大噸位吊車吊裝方案、大噸位履帶吊吊裝方案、龍門吊吊裝方案）進(jìn)行細(xì)致分析（表4）。

（1）方案一：汽車吊方案。汽車吊方案優(yōu)點是機(jī)械使用靈活，變換場地方便;缺點是由于場地收支架影響，支架不能提前安裝，工期受工序影響不能平行作業(yè)，施工工期不可控，且在鐵路間吊裝施工時存在對兩側(cè)鐵路傾覆危險。鋼箱梁拼裝均為鄰近B類（夜間天窗點內(nèi)）施工，工效極低。

（2）方案二：履帶吊方案。優(yōu)點是起吊能力比汽車吊大，缺點是大臂不能收縮，同樣工期受工序影響支架不能提前安裝，不能平行作業(yè)，施工時間工期不可控，且在鐵路間吊裝施工時存在對兩側(cè)鐵路傾覆危險。鋼箱梁拼裝均為鄰近B類（夜間天窗點內(nèi)）施工，工效極低。

（3）方案三：龍門吊方案。優(yōu)點是在橋下總拼能保證焊接質(zhì)量，工期不受工序影響，吊裝作業(yè)時對鐵路不存在安全隱患;缺點是龍門吊基礎(chǔ)處理要求高，現(xiàn)場投入成本較高。

綜合分析：青榮城際、膠濟(jì)客專行車密度大，速度快，施工以確保營業(yè)線行車安全為首位因素，龍門吊為本工程鋼箱梁吊裝焊接的最優(yōu)方案。

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