基于BIM+FEM的大傾角高塔柱智能建造技術(shù)研究

李 正 全， 趙 貴 朋

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

斜拉橋作為大跨徑橋梁的一種代表橋型，其優(yōu)異的跨越能力和獨(dú)特的景觀造型獲得許多城市的青睞，異形大傾角高塔柱已成為撐起城市天際線的地標(biāo)。但大傾角、變截面、施工時(shí)的環(huán)境影響等造成了其空間定位難、設(shè)施預(yù)留預(yù)埋復(fù)雜、線形控制難等施工難題。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，BIM(建筑信息模型)技術(shù)在建筑、車(chē)站隧道、大型橋梁等建設(shè)過(guò)程中得到了充分的應(yīng)用，如在國(guó)家速滑館建設(shè)過(guò)程中，使用BIM技術(shù)對(duì)其構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)化編碼，提高了施工效率， 縮短了施工工期[1]。在橋梁施工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到預(yù)制構(gòu)件過(guò)多、施工工藝復(fù)雜、人員管理不協(xié)調(diào)等問(wèn)題，因此需要對(duì)項(xiàng)目施工不斷進(jìn)行優(yōu)化[2]。而根據(jù)BIM三維模型和項(xiàng)目施工信息，可以對(duì)施工工序、施工進(jìn)度、施工安排等進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，從而進(jìn)行方案的修改與變更[3]。BIM不僅是將簡(jiǎn)單的數(shù)字信息進(jìn)行集成，其還可以將數(shù)字信息進(jìn)行創(chuàng)新管理與應(yīng)用[4]。采用BIM技術(shù)可以優(yōu)化施工組織方案與施工工藝，落實(shí)質(zhì)量與安全保障措施，提高溝通、管理、資金等資源配置的效率，節(jié)約時(shí)間，降低經(jīng)濟(jì)成本[5]。闡述了以金堂縣韓灘雙島大橋?yàn)閷?duì)象，將BIM技術(shù)應(yīng)用于城市斜拉橋的百米級(jí)主塔施工，對(duì)橋塔施工的各方面和各進(jìn)程進(jìn)行指導(dǎo)，通過(guò)爬模的改進(jìn)以及智能技術(shù)的研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)主塔機(jī)械設(shè)備的高效利用、智能化線型控制，確保施工進(jìn)度滿足要求，提升工程項(xiàng)目建設(shè)管理信息化水平的過(guò)程。

韓灘雙島大橋位于成都市金堂縣沱江上游600 m處，主橋全長(zhǎng)860 m，主跨430 m，W0、E0主塔結(jié)構(gòu)均為鉆石型主塔，塔高137.5 m，下塔柱高12 m，采用閉合多箱室結(jié)構(gòu)。中塔柱按雙肢布置，高度為72.5 m，塔柱呈77.593°內(nèi)傾角，橫向中心間距由46.4～14.5 m漸變。中塔柱外輪廓截面尺寸：縱橋向?qū)挾葹?.8 m，橫橋向?qū)挾葹?.5 m。上塔柱按雙肢布置，高度為53 m，橫向中心間距為14.5 m；上塔柱外輪廓截面尺寸：縱橋向?qū)挾葹?.8 m，橫橋向?qū)挾葹?.5 m。中橫梁外部結(jié)構(gòu)尺寸：高度為5 m，橫向?qū)挾葹?.8 m；內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸：高度為3.8 m，橫向?qū)挾葹?.6 m，采用單箱單室預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。上橫梁外部結(jié)構(gòu)尺寸：高度為3.8 m，橫向?qū)挾葹?.8 m，采用單箱單室預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。橋塔采用C55混凝土。大橋主橋采用半漂浮體系，塔墩固結(jié)、塔梁分離，鋼箱梁在索塔下橫梁和邊墩上設(shè)置豎向支撐。索塔、橋墩縱向均為滑動(dòng)支座，索塔處設(shè)置縱向阻尼器。索塔橫向設(shè)置抗風(fēng)支座用以限制橫風(fēng)位置以及地震響應(yīng)。

大橋的傳力路徑為主梁-斜拉索-主塔-基礎(chǔ)，其傳力路徑明確，主塔在其中扮演著重要的角色。風(fēng)荷載、溫度力、地震力等作用對(duì)橋塔傾斜具有很大的影響。受相關(guān)因素影響及業(yè)主要求，大橋施工周期短，主塔空間線形控制難度大，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高，鋼錨梁安裝精度要求高；除此之外，大橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工環(huán)境對(duì)工程的進(jìn)度履約影響大，而傳統(tǒng)的施工組織設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中缺乏迅速指導(dǎo)施工組織優(yōu)化方向的優(yōu)勢(shì)。因此，研究如何通過(guò)信息化手段、結(jié)合有限元分析實(shí)現(xiàn)對(duì)類(lèi)似大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制成為采用BIM技術(shù)的必然。

2 基于BIM+FEM的大傾角高塔柱智能建造技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)外常用的BIM建模軟件平臺(tái)眾多，各個(gè)設(shè)計(jì)單位與施工單位所使用的軟件亦不相同。用于橋梁工程方面的BIM軟件主要包括美國(guó)的Autodesk平臺(tái)與Bently平臺(tái)，法國(guó)的Dassault平臺(tái)，芬蘭的Tekla平臺(tái)，中國(guó)上海的魯班 BIM 系列軟件及其平臺(tái)。項(xiàng)目部經(jīng)細(xì)致調(diào)研比較后，最終決定以CATIA軟件為主，通過(guò)Digital-link矩陣將FEM分析結(jié)果錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，建立帶數(shù)據(jù)中臺(tái)的BIM模型。該數(shù)據(jù)中臺(tái)除包括設(shè)計(jì)狀態(tài)、施工預(yù)期狀態(tài)外，還將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)及時(shí)錄入并建立評(píng)價(jià)模型以便為結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)估提供決策。介紹了具體的研究與應(yīng)用過(guò)程。

2.1 塔柱形體及變形控制技術(shù)研究

采用BIM技術(shù)模擬主塔施工過(guò)程，可以加載各類(lèi)設(shè)備的預(yù)留預(yù)埋，提前預(yù)測(cè)偏心偏距以及設(shè)備附著安裝是否存在干擾等。為做好線性控制工作，從建好的BIM模型中抓取了各點(diǎn)模擬主塔施工過(guò)程的施工坐標(biāo)系坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)了BIM模型任意坐標(biāo)系坐標(biāo)向施工坐標(biāo)系坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；同時(shí)提取了主塔模型坐標(biāo)用以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)模板安裝，從而有效控制了主塔線型。如圖1所示提取了模型坐標(biāo)，有效避免了人工計(jì)算產(chǎn)生的誤差?？刂泣c(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)圖1。通過(guò)BIM模擬確定主動(dòng)橫撐安裝位置，抵消了中塔柱內(nèi)傾帶來(lái)的偏心力，從而確保了主塔線型與設(shè)計(jì)要求的一致。研發(fā)出一種索塔橫梁混凝土分區(qū)澆筑裝置，引進(jìn)了塔式布料機(jī)，從而大大減少了勞動(dòng)強(qiáng)度。將最終的主塔成型線型數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)線型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比得知：其垂直度低于30 mm(塔柱高度/3 000)，表明主塔線型控制良好。

圖1 控制點(diǎn)坐標(biāo)示意圖

2.2 大節(jié)段爬模施工技術(shù)研究

該橋采用6 m長(zhǎng)大節(jié)段爬模施工。而在大斜度主塔采用大節(jié)段爬模施工尚無(wú)成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。傳統(tǒng)的液壓爬模一般按高度4.5 m進(jìn)行分節(jié)，其施工周期長(zhǎng)，滿足不了該工程的工期要求。根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)工期要求以及經(jīng)濟(jì)性考慮，項(xiàng)目部研究決定采用6 m分節(jié)施工。而在如此大斜率的塔柱上采用大節(jié)段爬模，對(duì)爬模的剛度和變形要求更高，爬模導(dǎo)軌的變形更加難以控制，模板面板變形的控制難度大，中橫梁處爬模變截面自動(dòng)爬升實(shí)施難度大，爬模中塔柱部位爬升過(guò)程中爬升不同步，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。同時(shí)，如何保證爬模同步爬升，解決爬升導(dǎo)軌變形、模板面板變形以及中橫梁處爬模變截面自動(dòng)爬升等問(wèn)題成為此次研究的重難點(diǎn)。

由于爬模采取6 m分段且中塔柱部位為斜爬施工，不同塔柱面爬架的重量及角度均不同，爬升過(guò)程中受力狀態(tài)復(fù)雜且其均靠導(dǎo)軌作為支撐，爬模施工過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)較大。為降低液壓爬模施工的安全風(fēng)險(xiǎn)，在液壓爬模施工前，運(yùn)用BIM+有限元分析爬模的施工過(guò)程，在有限元建模時(shí)荷載為側(cè)模及爬架的自重，軌道采用板單元模擬，擋塊采用實(shí)體單元，此時(shí)導(dǎo)軌的危險(xiǎn)工況出現(xiàn)在爬升機(jī)構(gòu)作用在導(dǎo)軌中部時(shí)，因此可以得出原設(shè)計(jì)方案中的9 m爬模導(dǎo)軌不能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要、變形過(guò)大的結(jié)論，需要增加導(dǎo)軌并采取相應(yīng)措施進(jìn)行加固。爬模設(shè)計(jì)情況見(jiàn)圖2。

圖2 爬模設(shè)計(jì)圖

BIM+有限元分析爬模導(dǎo)軌模型見(jiàn)圖3。通過(guò)BIM+有限元提前對(duì)爬模導(dǎo)軌危險(xiǎn)工況進(jìn)行分析研究，提前規(guī)避了爬模使用過(guò)程中因?qū)к壸冃卧斐傻陌踩L(fēng)險(xiǎn)，研發(fā)出一種爬模導(dǎo)軌加固裝置，有效保證了爬模施工安全。由于中塔柱部位塔柱的向內(nèi)傾角達(dá)77.6°，爬模為斜向爬升，爬升過(guò)程中塔柱的四個(gè)面需保持平行同步爬升，否則將會(huì)導(dǎo)致爬升不同步，安全風(fēng)險(xiǎn)大。經(jīng)對(duì)所出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析并得出爬升不同步是由于四個(gè)面爬架受力不同、供油系統(tǒng)供油不足而導(dǎo)致爬升不同步的結(jié)論。為解決該風(fēng)險(xiǎn)，在四個(gè)塔柱面增加了分油閥，當(dāng)個(gè)別面爬架出現(xiàn)爬升過(guò)快時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)分油閥控制油壓、減緩爬升速度，取得了四個(gè)面同步爬升的效果。

圖3 BIM+有限元分析爬模導(dǎo)軌模型圖

此外，項(xiàng)目部還研發(fā)了液壓爬模鎖定裝置、防止混凝土錯(cuò)臺(tái)的模板鎖定裝置以及一種簡(jiǎn)易模板拉桿等多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，充分保障了主塔成型質(zhì)量及施工安全，確保了施工進(jìn)度滿足要求，施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 基于BIM仿真技術(shù)實(shí)施主塔防碰撞檢查

該橋主塔預(yù)埋件包含施工電梯、泵管、爬模、橫撐、索導(dǎo)管、塔吊附著件、景觀照明等，其數(shù)量多且安裝位置復(fù)雜；同時(shí)，主塔本身鋼筋網(wǎng)密集，尤其是預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)牛腿及預(yù)應(yīng)力筋縱橫交織，各構(gòu)件之間極易發(fā)生碰撞和遺漏。以施工電梯為例，若電梯預(yù)埋件與爬模預(yù)埋件發(fā)生碰撞，將導(dǎo)致施工電梯無(wú)法繼續(xù)使用，整個(gè)項(xiàng)目將面臨停工。

通過(guò)運(yùn)用BIM仿真技術(shù)，可以提前發(fā)現(xiàn)主塔各構(gòu)件之間的碰撞，從而為主塔施工輔助體系的平面布置提供依據(jù)，提前做好策劃，調(diào)整鋼筋與預(yù)埋件的位置，有效保證了現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度與施工質(zhì)量。內(nèi)部構(gòu)件布置情況見(jiàn)圖4，主塔BIM仿真干涉碰撞檢查情況見(jiàn)圖5。

圖4 內(nèi)部構(gòu)件布置圖

圖5 主塔BIM仿真干涉碰撞檢查示意圖

2.4 鋼錨梁高精度定位技術(shù)研究

鋼錨梁施工主要存在以下問(wèn)題：預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)鋼筋密集，預(yù)埋件多，易發(fā)生碰撞而影響到鋼錨梁的安裝；索塔內(nèi)空間狹窄，鋼錨梁與內(nèi)壁的間隙僅為5 mm左右，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在塔柱混凝土澆筑完畢再安裝整體式鋼錨梁的要求；而傳統(tǒng)分段式鋼錨梁安裝需采用兩臺(tái)起重設(shè)備精準(zhǔn)吊裝、連接，安裝難度極大，施工成本高；塔內(nèi)操作空間狹小，無(wú)可供施工的作業(yè)平臺(tái)，安全風(fēng)險(xiǎn)高，精調(diào)困難。

通過(guò)BIM仿真技術(shù)以及所研發(fā)出的一種斜拉橋整體式鋼錨梁及其施工方法和一種鋼錨梁安裝及精調(diào)輔助操作平臺(tái)，大大簡(jiǎn)化了施工工藝，節(jié)省了人力及工期，實(shí)現(xiàn)了鋼錨梁精確快速定位，提升了塔內(nèi)施工的安全系數(shù)及鋼錨梁的安裝精度，施工質(zhì)量得到了有效保證；同時(shí)，鋼錨梁的精確安裝定位為斜拉索后期一次張拉調(diào)整到位奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。鋼錨梁BIM模型見(jiàn)圖6。

圖6 鋼錨梁BIM模型示意圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)采用BIM+FEM技術(shù)在韓灘雙島大橋項(xiàng)目施工技術(shù)、進(jìn)度、質(zhì)量管理等方面進(jìn)行的探索與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了橋塔施工過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬控制、設(shè)計(jì)的校核、精細(xì)化核算、模板系統(tǒng)架設(shè)等重難點(diǎn)施工工藝的仿真；借助 BIM 技術(shù)協(xié)同了碰撞、空間定位、多關(guān)系預(yù)演、復(fù)雜空間立模定位，保障了大橋混凝土澆筑質(zhì)量和錨梁安裝精度，解決了施工中的諸多難點(diǎn)，優(yōu)化了施工方案，依據(jù)可視化模型為施工人員直觀地展示出橋梁施工過(guò)程并用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。BIM+FEM技術(shù)的運(yùn)用使韓灘雙島大橋大大縮短了塔柱施工工期，節(jié)約了施工成本，保證了項(xiàng)目能夠順利高效的進(jìn)行，取得了良好的應(yīng)用效果, 所取得的經(jīng)驗(yàn)對(duì)BIM技術(shù)在其余大型橋梁中的研究與應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。