BIM技術(shù)在高速公路橋梁高墩施工中的應(yīng)用

文｜中鐵長(zhǎng)江交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 黃有為

高墩施工屬于公路橋梁建設(shè)的重難點(diǎn)，存在較高技術(shù)要求和施工難度，直接影響公路橋梁整體施工質(zhì)量和運(yùn)行安全。結(jié)合實(shí)際調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，公路橋梁高墩施工技術(shù)本身具備施工周期長(zhǎng)、技術(shù)要求高等特點(diǎn)，為保證技術(shù)應(yīng)用取得預(yù)期效果，正是本文研究的目標(biāo)所在。在這個(gè)過(guò)程中可以利用到BIM 技術(shù)，對(duì)工程施工過(guò)程展開分析，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化施工，從側(cè)面助力數(shù)據(jù)精確度得到提高，讓施工工作得到穩(wěn)定落實(shí)。

1.適合BIM 技術(shù)應(yīng)用公路橋梁高墩施工技術(shù)特點(diǎn)分析

1.1 施工周期長(zhǎng)

一般公路高墩需要進(jìn)行3m 左右高度的混凝土澆筑，很多施工高墩存在30m 以上的實(shí)際高度，受施工高度和復(fù)雜施工環(huán)節(jié)影響，高墩施工的周期往往較長(zhǎng)。如存在出現(xiàn)故障的施工設(shè)備，施工周期將進(jìn)一步拉長(zhǎng)，這種情況在公路橋梁工程實(shí)踐中較為常見(jiàn)，圖1為典型的高墩施工流程[1]。

圖1 典型的高墩施工流程

1.2 設(shè)備需求大

受項(xiàng)目進(jìn)度等因素影響，公路橋梁工程一般需要同時(shí)開展多個(gè)高墩施工，這對(duì)施工材料和施工設(shè)備提出較高要求，相應(yīng)準(zhǔn)備工作直接關(guān)系施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。同時(shí)進(jìn)行復(fù)數(shù)高墩施工會(huì)提升施工難度，施工設(shè)備和機(jī)械的投資也會(huì)同時(shí)增加。

1.3 技術(shù)要求高

公路橋梁高墩施工技術(shù)在應(yīng)用中存在較高要求，這是由于高墩在橋梁結(jié)構(gòu)中極為關(guān)鍵，會(huì)對(duì)橋梁整體質(zhì)量造成影響。高墩施工本身存在較高難度，因此技術(shù)應(yīng)用必須深入了解和把握要點(diǎn)，科學(xué)選用質(zhì)量控制措施，保證工程建設(shè)目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)[2]。

2.公路橋梁高墩施工技術(shù)的具體應(yīng)用

在現(xiàn)代化信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，充分融入BIM 技術(shù)，從二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高效率、高質(zhì)量完成公路橋梁高墩施工設(shè)計(jì)，不僅可以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、安全性，也能夠讓高墩施工工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保要求，降低工程施工成本。最為關(guān)鍵的是，BIM 技術(shù)應(yīng)用后，高墩施工中的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析等環(huán)節(jié)也會(huì)受到其影響，讓建筑工程項(xiàng)目得到進(jìn)一步優(yōu)化。

2.1 工程概況

以某高速公路橋梁工程為例，該工程總長(zhǎng)240m，設(shè)置于山谷地帶，施工區(qū)域存在較大的山谷落差，谷底與橋臺(tái)間存在60m 左右高差，這使得工程存在50m 長(zhǎng)高墩?；谑┕きh(huán)境特征和工期要求，案例工程施工選擇多工作面、分段、分流水方式，分界線為15m。對(duì)于施工區(qū)域存在較為平緩地形的，通過(guò)吊車進(jìn)行模板安裝并澆筑混凝土，支架搭接用于其他墩柱施工。案例工程的5#-8#號(hào)墩柱為典型高墩，常截面段長(zhǎng)分別為37m、42m、46m、50m，變截面段長(zhǎng)分別為35m、40m、40m、45m。

2.2 測(cè)量放樣

工程通過(guò)極坐標(biāo)控制測(cè)量進(jìn)行放樣，在高墩施工過(guò)程中，內(nèi)外模位置內(nèi)隔4～5m調(diào)整1 次，以此在5mm 內(nèi)控制高墩柱誤差。在施工條件允許前提下，通過(guò)水準(zhǔn)儀、全站儀測(cè)量和調(diào)整高墩高程，輔以嚴(yán)格開展的施工場(chǎng)地清理，混凝土澆筑可能出現(xiàn)的浮漿等問(wèn)題實(shí)現(xiàn)有效預(yù)防。測(cè)量在工程項(xiàng)目中具有著重要作用，尤其是BIM 技術(shù)出現(xiàn)后，測(cè)量精確度得到了根本上的保證，根據(jù)施工圖紙可以確定具體的高墩樁分部情況，確定橋墩和裝樁基的相對(duì)位置，并且借助Pro Structure 軟件提供坐標(biāo)提取功能，不僅可以提高施工坐標(biāo)的精準(zhǔn)性，通過(guò)具體的坐標(biāo)提取為后續(xù)的工作奠定了良好的基礎(chǔ)。測(cè)量放樣中還可以利用BIM 技術(shù)玩車南工程量統(tǒng)計(jì)，通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行編號(hào)，導(dǎo)出鋼筋統(tǒng)計(jì)表，沒(méi)為后續(xù)的施工奠定良好的基礎(chǔ)。

2.3 模板施工

案例工程的模板制作加工在現(xiàn)場(chǎng)完成，之后需要審核其質(zhì)量并向施工位置處運(yùn)輸。施工用模板由工作平臺(tái)、橫豎背肋、拉桿、外模板、內(nèi)模板組成，一套模板由四節(jié)模板構(gòu)成，高度為1.5m，基于施工順序，施工人員需要依次拼接6 塊外模、12 塊內(nèi)模，以此組裝一節(jié)模。施工過(guò)程中每次翻模3節(jié)，板面及模板間接縫需要及時(shí)調(diào)整，保證存在10mm 內(nèi)的模板錯(cuò)臺(tái)誤差。安裝模板完成后，通過(guò)檢測(cè)尺、全站儀等檢查安裝精準(zhǔn)度并進(jìn)行調(diào)整。傳統(tǒng)的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的相對(duì)簡(jiǎn)單，但利用BIM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)3D輸出技術(shù)，而且出圖便捷，借助Bentley 自帶打印機(jī)，可以輸出3D-PDF 模型，在最短時(shí)間內(nèi)取得具體的項(xiàng)目信息，包括剖面圖和透視圖。在這一技術(shù)的輔助下，可以在設(shè)計(jì)工作批量輸出二維圖紙，明確具體的數(shù)據(jù)。該施工團(tuán)隊(duì)利用Revit 軟件實(shí)現(xiàn)BIM模型的構(gòu)建，在這個(gè)過(guò)程中借助拉伸、融合、放樣等功能實(shí)現(xiàn)了高墩模型構(gòu)建，將內(nèi)外模板結(jié)合實(shí)際需求落實(shí)得參數(shù)化調(diào)解，其中內(nèi)外模板可以借助梁體截面偏移獲得。根據(jù)不同構(gòu)件的局部細(xì)節(jié)可以完成更好的拼裝，并且得到整體結(jié)構(gòu)。但考慮到高墩施工技術(shù)本身的反復(fù)雜性，還需要對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，落實(shí)參數(shù)化建模。采用了Python OCC 技術(shù)，針對(duì)內(nèi)外模板、坐標(biāo)信息進(jìn)行創(chuàng)建，為后續(xù)的施工奠定基礎(chǔ)。

2.4 支架搭設(shè)施工

支架搭設(shè)屬于高墩施工技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)，具體施工前需要對(duì)腳手架及基土性質(zhì)開展校驗(yàn)和調(diào)整，在施工要求滿足后搭設(shè)支架。搭設(shè)過(guò)程需要按照1.2m 控制立桿與橫桿距離，同時(shí)保證存在0.9m 左右的排間距。為保證高墩施工安全，需做好支架受力驗(yàn)算，驗(yàn)算過(guò)程應(yīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)配件、立桿底段與地基自重，對(duì)比設(shè)計(jì)值和計(jì)算結(jié)果，施工質(zhì)量將更好得到保障[3]。

2.5 鋼筋施工

完成支架搭設(shè)驗(yàn)算后，需開展鋼筋施工，墩身模板選擇定制定型鋼模板，墩身能夠由此具備更高負(fù)荷承載力水平。按照1.5m 內(nèi)控制模板高度，吊裝由大噸位吊車負(fù)責(zé)，模板的中部和頂部通過(guò)風(fēng)纜繩緊固處理，豎直方向的模板剛度能夠得到保障。安裝鋼筋環(huán)節(jié)需要首先安裝豎向主筋，之后依次安裝環(huán)向水平筋、加勁箍、倒角筋，拉結(jié)筋最后安裝。關(guān)于勁性骨架，安裝前需做好放樣準(zhǔn)備工作，定位角鋼安裝位置需要在內(nèi)層位置準(zhǔn)確定位。綁扎水平箍筋過(guò)程需要基于確定的主筋綁扎位置，在4.5m內(nèi)控制綁扎高度，之后的豎筋綁扎施工按照從下而上順序開展，同時(shí)這一過(guò)程需保證鋼筋保護(hù)層厚度不會(huì)受到損害。豎筋外側(cè)需要設(shè)置混凝土墊塊，該墊塊的強(qiáng)度等級(jí)相同，具體按照每平方米4 個(gè)墊塊的比例設(shè)置，固定處理由雙股扎絲和鋼筋負(fù)責(zé)，具體布置采用梅花狀設(shè)計(jì)。

2.6 混凝土施工

混凝土澆筑施工同樣屬于案例工程高墩施工技術(shù)應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)同樣會(huì)對(duì)工程整體施工質(zhì)量造成直接影響，具體施工需關(guān)注以下幾方面要點(diǎn)：第一，嚴(yán)格控制混凝土配比。在拌和混凝土的過(guò)程中，混凝土配比必須得到嚴(yán)格重視和科學(xué)控制，以此遵循配比原則，優(yōu)選施工用混凝土攪拌機(jī)，案例工程混凝土澆筑使用的攪拌機(jī)為常用的強(qiáng)制式攪拌機(jī)；第二，施工交底。在混凝土澆筑施工開始前，施工單位結(jié)合澆筑技術(shù)和要點(diǎn)開展了針對(duì)性的技術(shù)交底，施工在保證技術(shù)達(dá)標(biāo)的前提下開展，同時(shí)混凝土攪拌的顏色質(zhì)量和時(shí)間控制要求也能夠滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求；第三，混凝土運(yùn)送?；诙?jí)泵站運(yùn)送方式運(yùn)送混凝土，運(yùn)送過(guò)程需保證其嚴(yán)密性得到最大程度保證，在全面的準(zhǔn)備工作支持下，混凝土澆筑得以順利完成。澆筑過(guò)程中，施工質(zhì)量得到較好控制，案例工程在之后的混凝土養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)也投入大量精力并取得預(yù)期成果。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以更加順利的完成混凝土配合比設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，借助配合比數(shù)據(jù)庫(kù)和keras 開源深度學(xué)習(xí)框架完成了多目標(biāo)需求的計(jì)算分析，可以獲得候選最優(yōu)配合比。根據(jù)施工工程項(xiàng)目具體的強(qiáng)度要求和單方生產(chǎn)成本、單方生產(chǎn)碳排放量、混凝土材料等方面指標(biāo)參數(shù)，就可以輸出最為合適的配合比數(shù)據(jù)。借助這一人工智能模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的混凝土配合比，先要輸入配合比要求和具體的水泥型號(hào)、細(xì)集料、粗集料、減水劑等方面的數(shù)據(jù)，從實(shí)際應(yīng)用性能效果來(lái)看，在實(shí)際發(fā)展過(guò)程中借助隨機(jī)森林算法和keras 開源深度學(xué)習(xí)框架完成了配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分考慮到不同目標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性。這種模型不僅可以完成高精度的預(yù)測(cè)，還可以根據(jù)公路橋梁高墩施工工程的要求給出最優(yōu)配合比參數(shù)。在人工智能模型設(shè)計(jì)下，會(huì)根據(jù)不同的公路橋梁高墩需求找到相對(duì)應(yīng)的配合比參數(shù)，根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)試拌的結(jié)果來(lái)看，配合比優(yōu)化后抗壓強(qiáng)度和給定值相近，不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度不足或者強(qiáng)度冗余等問(wèn)題。

2.7 施工質(zhì)量評(píng)估

為保證高墩施工技術(shù)更好服務(wù)于案例工程橋梁施工，需圍繞該技術(shù)應(yīng)用開展針對(duì)性的施工質(zhì)量評(píng)估，由此開展的穩(wěn)定性評(píng)估公式為：

式（1）中的A、q、γ 分別為橋墩橫截面面積、高墩單位長(zhǎng)度、混凝土容重，c、r 分別代表高墩的周長(zhǎng)、半徑，γ 為高墩穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)合式（1）進(jìn)行計(jì)算，可得到高墩常截面（表1）與常變截面自體穩(wěn)定結(jié)果（表2）。

結(jié)合表1和表2進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，受增加的墩身高度影響，存在逐漸降低的穩(wěn)定系數(shù)，因此案例工程在施工過(guò)程中重點(diǎn)調(diào)整高墩荷載以及節(jié)段施工誤差，高墩結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性因此得到保證，工程整體施工質(zhì)量也得以大幅提升。綜合來(lái)看，BIM 技術(shù)在該高速公路橋梁施工過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了深層次的應(yīng)用，不進(jìn)件解決了反復(fù)施工的問(wèn)題，也降低了施工成本。尤其是在技術(shù)交底階段，BIM 技術(shù)最大程度避免了工件丟失問(wèn)題，切實(shí)強(qiáng)化施工坐標(biāo)的精確性，還需要借助工程量展開統(tǒng)計(jì)，從根本上控制施工構(gòu)件，設(shè)計(jì)邊界條件、添加荷載，展開有限元計(jì)算，減少誤差。以高墩施工微彈力，橋墩實(shí)心段和空心段的應(yīng)力相對(duì)較大，尤其是在澆筑進(jìn)行過(guò)程中，橋墩和承臺(tái)對(duì)流條件各不相同，橋墩散熱降溫較慢，很容易導(dǎo)致局部溫差過(guò)大，借助BIM 技術(shù)可以有效避免這一情況出現(xiàn)，減少開裂風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。

表1 高墩常截面穩(wěn)定性

表2 高墩常變截面穩(wěn)定性

從后期養(yǎng)護(hù)角度來(lái)看，BIM 技術(shù)也發(fā)揮著不可替代的作用，可以實(shí)現(xiàn)可視化管養(yǎng)體系，針對(duì)高墩施工落實(shí)荷載管控，可以在平臺(tái)上添加專項(xiàng)檢查和荷載試驗(yàn)記錄，記錄檢查信息，將橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)定為下拉菜單，還可以在開展周期性監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)措施。借助BIM 技術(shù)可以全面系統(tǒng)的保存高墩施工技術(shù)的相關(guān)信息，包括理論高程、實(shí)測(cè)高程，明確混凝土澆筑時(shí)間、橫縱鋼束壓漿時(shí)間，以此為后續(xù)的包養(yǎng)工作開展情況奠定良好的基礎(chǔ)。

3.結(jié)論

綜上所述，公路橋梁高墩施工技術(shù)在應(yīng)用中需關(guān)注多方面因素影響。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的測(cè)量放樣、模板施工、支架搭設(shè)施工、鋼筋施工等內(nèi)容，則提供了可行性較高的施工技術(shù)應(yīng)用路徑。為更好滿足公路橋梁高墩施工需要，軸線控制、特殊施工平臺(tái)建設(shè)、施工方案模擬等方面同樣需要得到重視，