跨繁忙干線T構(gòu)轉(zhuǎn)體梁BIM技術(shù)應(yīng)用研究

王健 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司合肥鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部

1 工程概況

水蚌鐵路蚌埠段改線工程疏解線特大橋兩處T構(gòu)轉(zhuǎn)體梁分別在京滬鐵路下行線K978+250處跨越且既有鐵路交角為38°、在京滬鐵路上行線K979+200處跨越且與既有鐵路交角為56°。轉(zhuǎn)體梁基礎(chǔ)為樁徑1.5 m鉆孔樁群樁，墩身為矩形實(shí)心鋼筋混凝土墩，連續(xù)梁采用單箱單室變高度直腹板箱型截面，中墩墩頂處梁高7.2 m，合攏段及邊跨現(xiàn)澆段梁高3.60 m。箱梁頂寬7.5 m，箱梁底寬5 m。梁段按施工順序共劃分16種31個(gè)梁段，梁體縱向、豎向設(shè)置預(yù)應(yīng)力。為避開(kāi)施工對(duì)鐵路繁忙線行車(chē)安全的影響，大橋在56#墩承臺(tái)和64#墩承臺(tái)設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸，對(duì)橫跨鐵路路段采用平轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)體施工。先在順鐵路線方向采用三角掛籃施工56#墩和64#墩懸臂連續(xù)梁。然后在鐵路外按照設(shè)計(jì)位置55#、57#墩和63#、65#墩采用支架現(xiàn)澆直線段，最后利用京滬鐵路專(zhuān)門(mén)為項(xiàng)目施工準(zhǔn)備的“空檔期”，在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)水平轉(zhuǎn)動(dòng)梁體，使主梁就位，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)體對(duì)接（見(jiàn)圖1）。

圖1 跨京滬線轉(zhuǎn)體橋建筑效果

由于轉(zhuǎn)體橋與兩側(cè)已建成直線段間分別留有合龍段，后期還需采用吊籃發(fā)進(jìn)行混凝土澆筑施工，最終實(shí)現(xiàn)橋體合龍和全橋貫通。該轉(zhuǎn)體梁工藝新，技術(shù)難點(diǎn)多，轉(zhuǎn)體重量6 000 t，曲線半徑800 m，為轉(zhuǎn)體帶來(lái)很大難度。

2 工程施工難點(diǎn)

2.1 球鉸定位精度及線型控制要求高

平轉(zhuǎn)施工的連續(xù)梁橋通常為直線對(duì)稱結(jié)構(gòu)或者在半徑較大的曲線上，本轉(zhuǎn)體橋曲線半徑比較小，轉(zhuǎn)動(dòng)體系中球鉸的直徑為12 m，球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)中心安裝誤差順橋和橫橋向不大于1 mm，其頂面任意兩點(diǎn)高差不大于0.5 mm，定位精度要求非常高，為轉(zhuǎn)體施工增加了難度。

2.2 曲線轉(zhuǎn)體監(jiān)控技術(shù)要求高

轉(zhuǎn)體主梁懸臂總長(zhǎng)度為128 m，其在豎向平面內(nèi)使球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)體系產(chǎn)生0.01°的微小轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)使懸臂梁的端頭產(chǎn)生很大的豎向位移，在轉(zhuǎn)體過(guò)程中以及隨后的梁體線型調(diào)整中，對(duì)精確控制懸臂標(biāo)高和轉(zhuǎn)體質(zhì)量平衡提出了更高的要求；轉(zhuǎn)體主梁是非直線結(jié)構(gòu)，而是位于曲線上，曲線半徑為800 m，混凝土的不對(duì)稱不均勻結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生橫向不平衡力矩，其易導(dǎo)致球鉸側(cè)轉(zhuǎn)、使轉(zhuǎn)體梁受扭，轉(zhuǎn)體時(shí)監(jiān)控技術(shù)要求高。

2.3 跨越京滬鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)大

56#、57#和63#、64#橋墩臨近京滬線，承臺(tái)邊距離京滬線路中心線最近為7.2 m。橋墩下承臺(tái)施工之前需要在鐵路沿線一側(cè)開(kāi)挖基坑，安全風(fēng)險(xiǎn)大，必須采取安全可靠的防護(hù)措施確保京滬線行車(chē)安全，施工前需要對(duì)京廣線鐵路路基施做32根樁徑為1.0 m的人工挖孔樁進(jìn)行防護(hù)，沿承臺(tái)靠近坡腳一側(cè)進(jìn)行布置。

2.4 結(jié)構(gòu)上異形構(gòu)件多

轉(zhuǎn)體主梁為曲線形單線變截面箱梁，構(gòu)造復(fù)雜，主梁兩端懸臂標(biāo)高不等；轉(zhuǎn)動(dòng)體系主要由滑道、撐腳、反力座、砂箱、球鉸等復(fù)雜構(gòu)件組成；球鉸包括上下球鉸，定位銷(xiāo)軸和定位骨架等，上述構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且在設(shè)計(jì)和放置時(shí)的精度控制要求高。

2.5 工程量大計(jì)算復(fù)雜

主體箱梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，配筋復(fù)雜，若是用傳統(tǒng)的方法計(jì)算鋼筋工程量，計(jì)量人員必將面臨一項(xiàng)繁瑣、費(fèi)時(shí)、工作量巨大的工作。同時(shí)，工程量計(jì)算的精確度和快慢程度將直接影響工程建設(shè)投資、施工進(jìn)度計(jì)劃和資源進(jìn)場(chǎng)計(jì)劃。

3 BIM技術(shù)在轉(zhuǎn)體梁施工中的應(yīng)用

3.1 軟件選擇

本次BIM軟件選擇Autodesk Revit系列軟件用于轉(zhuǎn)體橋建模、分析，利用Autodesk Navisworks軟件進(jìn)行施工進(jìn)度展示和轉(zhuǎn)體模擬，在施工中綜合運(yùn)用基于BIM的三維可視化、協(xié)同作業(yè)、檢測(cè)協(xié)調(diào)等技術(shù)，以期控制質(zhì)量安全、降低工程成本和縮短工期。

3.2 模型構(gòu)建與可視化分析

通過(guò)Autodesk Revit軟件構(gòu)建模型以后，將工程三維實(shí)體模型展現(xiàn)出來(lái)，便于施工人員從更精確的角度對(duì)其進(jìn)行可視化分析。

（1）通過(guò)建立橋梁的三維實(shí)體模型，將各構(gòu)件尺寸、位置關(guān)系、表觀材質(zhì)能在模型中直接反映出來(lái)，利用這些參數(shù)信息對(duì)模型進(jìn)行各種分析，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用（見(jiàn)圖2）。

圖2 使用Revit軟件構(gòu)建橋梁模型

（2）以第一人稱視角進(jìn)行整個(gè)施工場(chǎng)景的漫游和施工進(jìn)度演示，方便管理人員審查施工工藝和施工方案（見(jiàn)圖3）。

圖3 施工場(chǎng)景漫游和施工方案展示

（3）技術(shù)人員可利用三維模型進(jìn)行施工安全技術(shù)交底且方便直觀（見(jiàn)圖4）。

圖4 綁扎鋼筋展示

（4）在施工過(guò)程中，可實(shí)時(shí)提供橋梁任意角度、任意剖面、不同構(gòu)件的二維圖，尤其是指導(dǎo)變縱坡、曲線箱梁橋施工更為實(shí)用（見(jiàn)圖5）。

圖5 承臺(tái)三維及0#塊墩剖面圖

（5）使用Autodesk Civil3d軟件按照?qǐng)D紙坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，建立橋梁空間線形確定坐標(biāo)及高程位置，定位橋梁各結(jié)構(gòu)模型拼裝時(shí)的空間位置，拼裝完成后利用BIM模型可快速獲取工程任意結(jié)構(gòu)任意點(diǎn)的三維坐標(biāo)用于測(cè)量放樣。方便測(cè)量人員施工放線（見(jiàn)圖6）。

圖6 實(shí)時(shí)查詢?nèi)我恻c(diǎn)的高程坐標(biāo)

3.3 工程計(jì)量分析

工程計(jì)量分析是利用軟件自動(dòng)完成工程量的統(tǒng)計(jì)過(guò)程，通過(guò)Autodesk Revit模型可以快速提取現(xiàn)澆梁的混凝土量及鋼筋數(shù)量，并導(dǎo)出Excel材料量清單表格，高效解決了橋梁異形結(jié)構(gòu)工程量計(jì)算困難和常規(guī)施工中難以核查計(jì)算錯(cuò)誤的難題。同時(shí)，也可以為現(xiàn)場(chǎng)施工物資采購(gòu)以及施工預(yù)算提供數(shù)據(jù)支持。在施工的各個(gè)階段對(duì)施工材料進(jìn)行算量和驗(yàn)工計(jì)價(jià)，例如鋼筋數(shù)量和混凝土方量等（見(jiàn)圖7）。

圖7 用料、算量統(tǒng)計(jì)

3.4 碰撞分析

碰撞分析可以高效解決橋梁結(jié)構(gòu)之間的不協(xié)調(diào)問(wèn)題，碰撞檢測(cè)包括整體橋梁的檢測(cè)和部分構(gòu)件間的檢測(cè)。在碰撞檢測(cè)完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示有碰撞沖突的構(gòu)件或者對(duì)象。經(jīng)過(guò)碰撞檢查，審閱設(shè)計(jì)圖紙，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)體閱讀，通過(guò)BIM精細(xì)化建模后，將連續(xù)梁0號(hào)塊及鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼束模型導(dǎo)入Naviswork進(jìn)行碰撞檢測(cè)，分部找出鋼筋與預(yù)應(yīng)力管道、鋼筋與鋼筋的碰撞點(diǎn)共1230處（見(jiàn)圖8）。碰撞分析可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并避免返工，并有利于問(wèn)題解決方案的制定。

圖8 利用模型進(jìn)行碰撞檢查

3.5 施工優(yōu)化與4D模擬

采用BIM與模擬技術(shù)結(jié)合，將橋梁三維模型和進(jìn)度計(jì)劃集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間維度的施工進(jìn)度模擬，從而得出最佳施工方案。

（1）施工過(guò)程中將三維模型與設(shè)計(jì)圖紙實(shí)時(shí)交互，可實(shí)現(xiàn)橋梁各構(gòu)件的快速定位（見(jiàn)圖9）。

圖9 三維模型與設(shè)計(jì)圖紙相對(duì)應(yīng)

（2）實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程中模型與施工現(xiàn)場(chǎng)照片的參照對(duì)比，進(jìn)行信息化管理，有效指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)安全質(zhì)量管控（見(jiàn)圖10）。

圖10 模型與施工現(xiàn)場(chǎng)照片相對(duì)應(yīng)

（3）通過(guò)施工過(guò)程模擬，可優(yōu)化施工工藝，預(yù)測(cè)并規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全。通過(guò)實(shí)施4D施工模擬，為合理制定施工計(jì)劃、精確掌握施工進(jìn)度，優(yōu)化使用施工資源以及科學(xué)地進(jìn)行場(chǎng)地布置提供了依據(jù)，并能提前發(fā)現(xiàn)施工中可能出現(xiàn)的問(wèn)題（見(jiàn)圖11）。

圖11 梁橋轉(zhuǎn)體模擬

（4）工程竣工后，為建設(shè)單位提供整個(gè)項(xiàng)目施工節(jié)點(diǎn)、工程材料、過(guò)程工藝的回溯信息，方便運(yùn)營(yíng)階段的信息化管理，從而實(shí)現(xiàn)橋梁設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維使用的全生命周期過(guò)程。

4 BIM應(yīng)用取得效果

4.1 方便信息查詢和結(jié)構(gòu)瀏覽

在施工階段，可以通過(guò)三維模型快速對(duì)構(gòu)件的構(gòu)造情況、成本情況、耗材情況、位置信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)的查詢，例如：可實(shí)時(shí)查看變截面箱梁預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置情況，方便了管理人員有效指導(dǎo)施工人員作業(yè)。

4.2 易于發(fā)現(xiàn)二維圖紙錯(cuò)漏問(wèn)題

在施工前，通過(guò)BIM技術(shù)檢查T(mén)構(gòu)轉(zhuǎn)體梁二維圖紙是否存在錯(cuò)漏，比如：及時(shí)發(fā)現(xiàn)0#節(jié)段鋼筋布置圖橫斷面尺寸與箱梁構(gòu)造圖中橫斷面尺寸不一致。在鋼筋布置圖紙中，梁體過(guò)人洞下緣距離梁底210 cm；在箱梁構(gòu)造圖中，過(guò)人洞下緣距離梁190 cm。通過(guò)與設(shè)計(jì)、施工方確認(rèn)核實(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決了問(wèn)題，避免由于返工造成浪費(fèi)，節(jié)約工期，從而實(shí)現(xiàn)更多的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 提高工程量計(jì)算工作效率和精度

根據(jù)提交的合格BIM設(shè)計(jì)模型，造價(jià)工作人員在算量階段均無(wú)需再次建模，工作量減少了45%以上，且精度不受人為因素影響。在施工過(guò)程中對(duì)單層或者單構(gòu)件所用工程量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和預(yù)警，作為材料采購(gòu)和編制施工計(jì)劃的依據(jù)，有利于材料管理和控制，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程量偏差，從而及時(shí)糾偏。

4.4 4D施工模擬指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)

（1）運(yùn)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)4D施工模擬，將轉(zhuǎn)體橋的整個(gè)施工過(guò)程在計(jì)算機(jī)上模擬，利用模型進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)交底，讓施工人員輕松掌握每個(gè)階段的施工任務(wù)。

（2）為編制資源需求計(jì)劃和勞動(dòng)力計(jì)劃提供了合理依據(jù)，提前發(fā)現(xiàn)了施工中出現(xiàn)的問(wèn)題，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，減少返工。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，工程采用BIM技術(shù)后降低了越4%的成本，尤其是在樁基施工、下承臺(tái)施工、球鉸施工、轉(zhuǎn)體施工中的取得的效果較為明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

跨繁忙干線T構(gòu)轉(zhuǎn)體梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)周期長(zhǎng)，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求高，通過(guò)BIM技術(shù)輔助施工可以有效提升工作效率、檢查發(fā)現(xiàn)圖紙錯(cuò)誤，提前驗(yàn)證施工中存在的安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)事項(xiàng)，有效指導(dǎo)解決方案的制定。但是BIM技術(shù)專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，要求相關(guān)的管理、技術(shù)人員充分、熟練的掌握運(yùn)用相關(guān)技術(shù)，在操作上面往往需要高校合作才能進(jìn)行運(yùn)行，參建單位應(yīng)該充分培養(yǎng)掌握BIM運(yùn)用技術(shù)的專(zhuān)業(yè)人員才能充分發(fā)揮BIM的宏觀導(dǎo)向作用。