BIM技術(shù)在橋梁工程施工建設中的應用

閆 創(chuàng)

(中鐵二十局集團第五工程有限公司 云南昆明 650200)

1 工程概況

陜西省東莊水利樞紐工程涇河大橋位于淳化縣與禮泉縣交界處，橫跨涇河，上游距涇河水利樞紐壩址約500 m，下游距已建成涇河斜拉橋3.0 km，右岸連接對外交通T型交叉口，左岸與謝家山隧道對接。

涇河大橋為中承式空間Y型鋼箱拱橋，結(jié)構(gòu)設計新穎，在國內(nèi)屬于首例。橋梁總長284 m，主梁邊、中跨連續(xù)設置，墩臺及拱上橫梁處設豎向支座，跨徑布置為(19.5＋220＋19.5)m。吊桿為柔性吊桿，布置間距6 m，共29對，吊桿兩端采用鋼錨箱分別與主梁、主拱連接，主拱端張拉，主梁端錨固。主梁采用雙箱雙室π型結(jié)構(gòu)，梁長274.7 m，標準斷面頂寬18 m，全寬19 m，觀景平臺處頂寬36 m，總寬37 m。主副拱及主梁均采用Q420qDNH鋼，板厚8～50 mm，采用工廠節(jié)段預制，現(xiàn)場拼裝施工，全橋工程量約7 000 t，見圖1。

圖1 主橋模型

涇河大橋具有跨度大、結(jié)構(gòu)復雜、線形控制難度大、空中對接精度要求高、安全風險高等特點，對施工組織管理工作提出更高的要求[1]。

2 施工重難點分析

2.1 橋梁設計位置地勢陡峭，地形復雜，施工場地規(guī)劃難

橋梁橫跨涇河兩岸，左岸位于淳化縣，右岸位于禮泉縣境內(nèi)。橋址區(qū)河谷呈“V”型。兩岸基巖裸露，山坡陡峻，自然坡度 60°～75°，局部為 75°～85°。在施工場地規(guī)劃過程中需要對工程周邊地形有整體認識，僅靠傳統(tǒng)的測量手段及二維圖紙難以了解場地全局情況[2]。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)形式新穎，上部拱肋采用纜索吊吊裝，施工難度大

涇河大橋為中承式空間“Y”型鋼箱拱橋，在平面和立面上均呈“Y”型結(jié)構(gòu)，橋梁結(jié)構(gòu)設計新穎，在國內(nèi)屬于首例。采用單雙結(jié)合，主、副拱聯(lián)合受力的新模式，為空間三維曲線拱，橋梁上部拱肋采用纜索吊吊裝施工，施工需考慮的影響因素多，施工難度大。需使用BIM技術(shù)進行方案論證，以提高方案合理性、可行性[3]。

2.3 橋梁上部結(jié)構(gòu)均為鋼結(jié)構(gòu)，拼裝變形監(jiān)測要求高

拱肋吊裝節(jié)段重量在27～115 t之間，吊裝形體大、重量大，對鋼結(jié)構(gòu)拼裝過程中的變形監(jiān)測、質(zhì)量、安全控制要求高。使用BIM＋智能全站儀對吊裝過程中節(jié)段的姿態(tài)、位置、接頭對位進行監(jiān)測，提高拼裝精度，采集相關數(shù)據(jù)，實時指導構(gòu)件吊裝就位，最終控制拱橋線形。

3 BIM技術(shù)在橋梁工程中的應用

本項目應用BIM技術(shù)，以數(shù)據(jù)支持的高精度BIM信息模型為基礎，開展工程量計算、吊裝工序模擬、施工方案規(guī)劃等基礎應用工作，同時結(jié)合智能全站儀、無人機傾斜攝影技術(shù)探索BIM＋技術(shù)在本項目上的應用，通過提高BIM模型信息應用深度進而提高工程施工效率、質(zhì)量[4]。

3.1 三維模型創(chuàng)建

使用 Bentley系列軟件 Microstation、CNCCBIM open roads designer、Open bridge創(chuàng)建精度為LOD400的涇河大橋結(jié)構(gòu)模型、纜索吊模型、塔架模型、施工便道模型等，保證模型格式統(tǒng)一，輔助三維漫游與交底，并可與三維實景模型整合(見圖2)，進行鋼結(jié)構(gòu)、土方等工程量提取[5]。

圖2 BIM模型疊合三維實景模型

3.2 碰撞檢測

在Microstation軟件中設置碰撞篩查條件，及時發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)間的碰撞沖突問題(見圖3)。依據(jù)發(fā)現(xiàn)問題進行設計方案變更，提前規(guī)避了設計方案中錯誤、遺漏等問題，避免影響工作效率、工程質(zhì)量，確保按期完工[6]。

圖3 圖紙問題反饋

3.3 BIM電子沙盤

基于BIM施工管理平臺，將BIM模型與GIS地理信息集成，制作項目BIM電子沙盤，實現(xiàn)地理場景漫游展示，地理坐標、高程信息查詢等。

3.4 工程量提取

基于纜索吊塔架BIM模型，可按照構(gòu)件、清單快速統(tǒng)計出工程量，輔助現(xiàn)場進行計量工作[7]。依照BIM模型計算的工程量，通過對比圖紙量、預算量，可反映現(xiàn)場預算工作的準確性，還可對材料消耗進行分析，輔助進行成本管理。

3.5 纜索吊系統(tǒng)模擬

基于橋址區(qū)地質(zhì)地貌、交通狀況，為安裝橋梁上部鋼結(jié)構(gòu)，特設計修建一套纜索吊裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)按其工作性質(zhì)分為4部分:主索、工作索、塔架和錨固裝置，其中工作索包括起重索、牽引索、扣索等。主索是纜索吊裝系統(tǒng)中的主要承重構(gòu)件，共3組，每組由8根直徑60 mm鋼絲繩組成，跨徑布置(68＋430＋65)m，空索跨中垂度20.5 m，吊車組最大垂度47 m，最大荷載135 t。起重索采用6根直徑26 mm鋼絲繩，在每個炮車上設置1根起重索，用于起吊和控制構(gòu)件升降高度。其一端在主索炮車下的起重滑輪組內(nèi)纏繞后與吊鉤相連接，另一端經(jīng)塔架頂轉(zhuǎn)向接入右岸卷揚機。牽引索為3根直徑30 mm鋼絲繩，牽引索一般由炮車向兩岸引出，接到兩岸的卷揚機上，利用兩岸的卷揚機，一側(cè)收緊，另一側(cè)放松，以牽引炮車在主索上往返運動。扣索用于懸掛邊跨段拱肋，其一端系于邊段拱肋接頭附近，另一端通過扣索塔架接入卷揚機，通過收緊卷揚機調(diào)整拱肋接頭部位標高。在涇河兩岸分別設置鋼塔架。塔架采用吊塔和扣塔合二為一的構(gòu)造形式，塔架為3柱門式結(jié)構(gòu)，每根立柱由6根直徑為630 mm鋼管(壁厚14 mm)組成，鋼管立柱之間通過萬能桿件連接成整體。在左右兩岸設置錨錠作為錨固裝置，錨固形式為樁錨，樁基深入基巖8 m。通過BIM技術(shù)模擬纜索吊系統(tǒng)塔架拼裝及纜索吊運行情況。

3.6 通過模擬，驗證吊裝方案的安全性、可行性及合理性

本橋鋼結(jié)構(gòu)采用工廠節(jié)段預制，現(xiàn)場組拼，纜索吊裝施工。其中拱肋共38節(jié)段，主梁共30節(jié)段?，F(xiàn)場布設(96×40)m預拼場及存梁場一處，用于工廠制造節(jié)段的現(xiàn)場存儲及拼裝。左岸布設二次吊裝平臺，用于部分梁段的二次吊裝。

左岸預埋段拱座砼等強度期間即可施工橋面支架，采用纜索吊系統(tǒng)安裝橋面單拱側(cè)L1至L2及雙拱側(cè)L30～L28。拱肋安裝采用纜索吊裝，兩岸對稱吊裝至跨中合龍的斜拉扣掛法施工，邊跨拱肋每節(jié)段設置4吊索、2扣索及2道橫風纜。吊裝就位后采用高強螺栓與已安裝拱肋節(jié)段連接，張拉扣索，并以相同方式逐段對稱架設其他節(jié)段，安裝拱上橫梁，架設橫撐。期間根據(jù)土建工期安裝右岸拱座預埋段；循環(huán)安裝ZS11B、11B'后，在兩拱肋間增設臨時風撐一道。

在二拼場完成右岸 ZS6B、ZS7A、ZS7B三段較寬拱肋的拼裝，并使用纜索吊轉(zhuǎn)運至左岸支架段橋面臨時存放；繼續(xù)安裝拱肋，利用拱上牛腿及吊桿安裝L25至L21梁段，循環(huán)安裝右岸單拱側(cè)拱肋。在左岸雙拱側(cè)預設的二次吊裝平臺上架設扁擔梁，用以吊裝其他因拱肋安裝而無法就位的梁段；完成后從左岸雙拱側(cè)吊裝ZS6B、ZS7A、ZS7B至右岸進行拼裝，隨后依次完成其他拱肋節(jié)段的安裝。測量合龍口長度、標高，確定合龍段長度，選擇合適的溫度，按照兩側(cè)對稱循環(huán)的順序進行合龍，依次安裝主拱肋、連接肋、副拱肋，待合龍完成后，調(diào)整拱肋線形、標高，從拱腳至合龍口依次焊接成型。拱腳拱箱內(nèi)灌注微膨脹混凝土，達到強度后張拉拱腳預應力，拆除扣索，完成體系轉(zhuǎn)換，見圖4。

圖4 拱肋纜索吊裝方案模擬

待拱座混凝土達到強度后，利用支架安裝右岸L3～L5梁段；利用纜索吊將L19、L20梁段從右岸單拱側(cè)吊運至左岸于轉(zhuǎn)換平臺扁擔梁上放置，將纜索吊吊鉤轉(zhuǎn)至扁擔梁上，利用扁擔梁吊裝就位并完成安裝。按照相同方法從兩側(cè)向跨中依次安裝剩余梁段，直至完成合龍。安裝橋面梁段的同時依次安裝吊桿，最后完成下梁口及加寬段的嵌補。通過調(diào)整吊桿索力調(diào)整橋面線形，并安裝橋面附屬設施。

基于BIM模型和三維實景模型模擬從拱肋、主梁存放地到拱肋節(jié)段起吊、安裝及箱梁吊裝一整套施工流程，驗證吊裝方案的安全性、可行性、合理性，提前發(fā)現(xiàn)吊裝過程中可能存在的碰撞點，及時調(diào)整方案避免延誤工期[8]。同時基于視頻向現(xiàn)場人員進行技術(shù)交底，使用形象的三維模型讓施工人員更加直觀地理解施工工藝中的具體要求，從而達到提高交底效率、保證施工質(zhì)量、確保施工安全的目的。

3.7 使用無人機傾斜攝影技術(shù)生成地形三維實景模型，輔助施工方案規(guī)劃

使用搭載五頭高精度攝像機的無人機，配合RTK定位儀器，通過增加不同角度鏡頭，對現(xiàn)場進行附帶坐標系統(tǒng)的影像采集，獲得同一位置、多個不同角度、高分辨率的數(shù)據(jù)影像，采集地貌及位置信息，見圖5。通過采集的航測數(shù)據(jù)，在Context Capture傾斜攝影數(shù)據(jù)處理軟件中進行影像預處理、區(qū)域聯(lián)合平差、多視影響匹配等一系列操作后，可以生成質(zhì)量高、精度高的三維實景模型，從而達到場地測量、土方量計算、模擬施工方案等目的，大大減少了人工測量的時間和成本[9]。

圖5 左、右岸拱座開挖模型

3.8 基于三維實景模型的構(gòu)件運輸和施工便道路線規(guī)劃

施工區(qū)域兩岸山坡陡峻，既有道路狹窄，填挖方量大，而鋼結(jié)構(gòu)吊裝節(jié)段體積、重量大，運輸困難。基于三維實景模型測量路線寬度、測算施工便道填挖方量，結(jié)合BIM模型調(diào)整k0＋000～k0＋339.029的平、縱斷面曲線要素值，使調(diào)整區(qū)域便道和原有施工便道、設計便道平滑連接。并在銜接處設置三角緩沖區(qū)域，便于車輛的避讓，降低安全隱患，同時減少挖填土方量，見圖6～圖7。

圖6 構(gòu)件運輸路線模擬

圖7 施工便道路線模擬

3.9 土方工程量計算

通過BIM技術(shù)應用，可以實現(xiàn)土方工程量計算。先將三維實景模型轉(zhuǎn)換成點云數(shù)據(jù)及三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)，再按以下步驟進行操作[10]:

(1)通過Bentley Descartes軟件對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行處理，對局部剖面數(shù)據(jù)進行修訂，從而生成三角網(wǎng)格模型。

(2)將三角網(wǎng)格模型導入CNCCBIM open roads designer軟件中，形成實體地形模型，在該模型中進行挖填方操作，并直接獲取體積、面積、長度等關鍵信息。

3.10 施工現(xiàn)場智能放樣測量

利用智能全站儀測量出吊裝構(gòu)件數(shù)據(jù)信息，與模型中的數(shù)據(jù)信息進行核對，可以發(fā)現(xiàn)構(gòu)件與模型間的數(shù)據(jù)差異，指導技術(shù)人員調(diào)整構(gòu)件姿態(tài)、位置，便于精確焊接，見圖8[11]。本項目主要用于對吊裝過程中節(jié)段的姿態(tài)、位置、接頭對位的監(jiān)測，實時指導構(gòu)件吊裝就位，提高拼裝精度[12－13]。

圖8 智能全站儀跟蹤測量軟件輸出數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

通過BIM技術(shù)的應用，可以直觀化、多角度化、精細化地對施工過程進行全方位展示，更好地指導項目施工，為項目提出最佳的優(yōu)化設計解決方案。通過模擬施工、精確算量，為項目決策層提供可靠的技術(shù)依據(jù)。通過碰撞檢查，減少了由于結(jié)構(gòu)間的碰撞造成的返工及變更，提高施工效率。通過使用無人機傾斜攝影技術(shù)和智能全站儀，提高工作效率，降低人力消耗。BIM技術(shù)在橋梁工程建設中的綜合應用改變了傳統(tǒng)工程施工方案和操作模式，促進了建設管理模式隨著新的需求向高效、科學的方向轉(zhuǎn)變，推動了BIM技術(shù)的發(fā)展，促進了行業(yè)進步。