基于BIM的高鐵連續(xù)梁施工應(yīng)力監(jiān)控方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

趙亞寧,王 浩,郜 輝,祝青鑫,王飛球,謝以順,

(1.東南大學(xué)混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096；2.中鐵二十四局集團(tuán)江蘇工程有限公司,南京 210038)

1 概述

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有受力合理、工藝成熟、橋面平整、行車舒適等優(yōu)勢(shì)，是高速鐵路廣泛采用的橋型之一。平衡懸臂施工法是該類橋梁常用的施工方法，具有不影響橋下正常通航或行車、模板及施工機(jī)械利用率高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。為保障橋梁施工階段和成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)安全可控，應(yīng)力指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，有必要開(kāi)展橋梁懸臂施工全過(guò)程的應(yīng)力監(jiān)測(cè)研究[4]。傳統(tǒng)橋梁施工監(jiān)控方案的擬定與實(shí)施大多依賴于工程監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)與施工圖紙，傳感器編號(hào)和布設(shè)位置一般采用二維圖紙和文字記錄表達(dá)，在一定程度上能滿足連續(xù)梁橋平衡懸臂施工期間的應(yīng)力監(jiān)控需求。然而，在儀器安裝方案設(shè)計(jì)、線纜精細(xì)化排布、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與橋梁節(jié)段施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息關(guān)聯(lián)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)預(yù)警等方面有待進(jìn)一步優(yōu)化與提升。

建筑信息模型(BIM)技術(shù)可將工程項(xiàng)目全生命周期不同階段的工程信息集中于三維數(shù)字化模型，具有三維可視化、數(shù)字信息集成與共享等優(yōu)勢(shì)[5-7]，有助于解決工程領(lǐng)域勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等環(huán)節(jié)配合不利、效率低下等問(wèn)題，已在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在橋梁工程領(lǐng)域，基于BIM技術(shù)重點(diǎn)研究了橋梁的正向設(shè)計(jì)及自動(dòng)出圖[8-10]，施工模擬與可視化交底[11-14]，數(shù)字化運(yùn)維[15-17]等，在橋梁施工監(jiān)控方面開(kāi)展了監(jiān)控可視化和施工信息管理[18-19]等，但仍處于初步探索階段。

為此，以新建連徐高速鐵路跨沂河西大堤的連續(xù)梁橋工程為依托，借助BIM技術(shù)開(kāi)展了高速鐵路連續(xù)梁橋的施工應(yīng)力監(jiān)控方案的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，其中重點(diǎn)研究了監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)、線纜精細(xì)化排布、應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型關(guān)聯(lián)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)預(yù)警等，為預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋施工結(jié)構(gòu)安全提供了可靠保障。

2 工程背景與BIM模型

2.1 工程背景

跨沂河西大堤連續(xù)梁屬新建連徐鐵路新沂河特大橋，上部結(jié)構(gòu)為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑組合為(40+72+40) m，施工示意如圖1所示，橋梁全長(zhǎng)153.5 m(含兩側(cè)梁端至支座中心各0.75 m)。梁體采用變高度、變截面單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，0號(hào)塊臨時(shí)固結(jié)施工形成“T”構(gòu)后進(jìn)行對(duì)稱懸臂施工，每個(gè)“T”構(gòu)共包括9個(gè)對(duì)稱懸臂節(jié)段。其中，0號(hào)節(jié)段長(zhǎng)11.0 m，1號(hào)～4號(hào)節(jié)段長(zhǎng)3.0 m，5號(hào)～9號(hào)節(jié)段長(zhǎng)3.5 m，現(xiàn)澆段長(zhǎng)5.75 m，跨中合龍段長(zhǎng)2.0 m，無(wú)邊跨合龍段。

圖1 跨沂河西大堤連續(xù)梁施工示意(單位：mm)

2.2 BIM模型

BIM模型是施工監(jiān)控體系實(shí)施和各項(xiàng)功能應(yīng)用的基礎(chǔ)[20-22]，根據(jù)橋梁施工圖紙、機(jī)械設(shè)備以及監(jiān)測(cè)設(shè)備，建立了LOD200級(jí)別的BIM模型。

2.2.1 連續(xù)梁模型

圖2為跨沂河西大堤連續(xù)梁的BIM模型，建模時(shí)0號(hào)塊單獨(dú)建立一個(gè)族文件，除0號(hào)塊的上部結(jié)構(gòu)建立參數(shù)化箱梁通用族文件以滿足上部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的尺寸變化，下部結(jié)構(gòu)建立橋墩、承臺(tái)、樁基一體化族文件。

圖2 跨沂河西大堤連續(xù)梁BIM模型族庫(kù)與整體模型

2.2.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備模型

傳感器、采集箱、攝像頭模型是監(jiān)測(cè)方案擬定及儀器安裝方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。根據(jù)傳感器、采集箱、攝像頭的設(shè)備實(shí)物及尺寸，建立的監(jiān)測(cè)設(shè)備模型如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)設(shè)備模型

2.2.3 附屬設(shè)施模型

附屬設(shè)施模型包括如圖4所示三角掛籃、供電箱、線纜支架和通信天線，用以輔助應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝與實(shí)施。附屬設(shè)施建模均采用非參數(shù)化族，為基于BIM技術(shù)的應(yīng)力監(jiān)控方案設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

3 應(yīng)力監(jiān)控框架與方案設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)力監(jiān)控框架

為實(shí)現(xiàn)橋梁施工時(shí)梁體應(yīng)力數(shù)據(jù)的測(cè)量與預(yù)警，跨沂河西大堤連續(xù)梁橋施工應(yīng)力監(jiān)控的框架如圖5所示，包括監(jiān)控方案設(shè)計(jì)與實(shí)施、橋梁節(jié)段施工、應(yīng)力監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警3個(gè)部分。

圖4 附屬設(shè)施模型

在監(jiān)控方案設(shè)計(jì)與實(shí)施方面，首先根據(jù)施工資料及應(yīng)力監(jiān)控需求搭建橋梁和監(jiān)控系統(tǒng)的BIM模型，然后進(jìn)行監(jiān)控方案的設(shè)計(jì)及模擬，包括確定監(jiān)控設(shè)備的布置方案、線纜排布方案等，并據(jù)此安裝傳感器、采集儀及視頻監(jiān)控等設(shè)備。

在應(yīng)力監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)安全預(yù)警方面，開(kāi)發(fā)了傳感器BIM模型與應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的功能，隨著橋梁節(jié)段施工的開(kāi)展，傳感器采集梁體節(jié)段施工應(yīng)力數(shù)據(jù)，視頻監(jiān)控記錄施工過(guò)程。當(dāng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，以軟件界面彈窗、短信、郵件等形式進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警，預(yù)警內(nèi)容包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)視頻和描述文字；當(dāng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)值正常時(shí)，正常開(kāi)展橋梁的階段施工，從而完成橋梁施工全過(guò)程的應(yīng)力監(jiān)控。

圖5 跨沂河西大堤連續(xù)梁橋施工應(yīng)力監(jiān)控框架

3.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

3.2.1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為監(jiān)測(cè)橋梁在施工期間的應(yīng)力狀態(tài)，本橋共選取了如圖6(a)所示的10個(gè)測(cè)量斷面。每個(gè)測(cè)量斷面布置5個(gè)應(yīng)力傳感器，共布設(shè)50個(gè)傳感器。測(cè)點(diǎn)布置方案如圖6(b)所示，其中測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)3與箱梁上頂板距離為上頂板混凝土保護(hù)層厚度，測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)5到箱梁下底板距離為下底板混凝土保護(hù)層厚度。

圖6 應(yīng)力測(cè)量斷面與測(cè)點(diǎn)布置方案

3.2.2 采集系統(tǒng)布置方案

根據(jù)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案，擬定3種采集箱、儀器接線和供電設(shè)計(jì)的布置方案，圖7為4號(hào)測(cè)量斷面的代表性測(cè)點(diǎn)不同方案的布置示意。

圖7 采集箱、儀器接線和供電設(shè)計(jì)布設(shè)方案比選

如圖7所示，方案1的采集箱放置于0號(hào)塊頂板處的電箱旁，通訊天線直接安裝在采集箱上；測(cè)點(diǎn)4的儀器電纜由腹板引出至頂板，同測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的電線通過(guò)梁體頂板一起接入采集箱。方案2的采集箱放置于0號(hào)塊過(guò)人孔處，設(shè)備供電由頂板處電箱引出并通過(guò)施工孔引至設(shè)備；通訊天線伸出檢查孔，就近接入采集箱；測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的儀器電纜由腹板引至底板，與測(cè)點(diǎn)4電線一起從箱梁底板上緣接入采集箱。方案3的采集箱放置位置、供電設(shè)計(jì)和通信天線設(shè)計(jì)與方案2一致，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的儀器電纜由腹板引至底板，與測(cè)點(diǎn)4從梁體底板引出后通過(guò)線纜支架從梁體側(cè)壁引至采集箱。

對(duì)比圖7各布置方案可知，方案1實(shí)施方便，線纜長(zhǎng)度相對(duì)較短，通信質(zhì)量好，但是采集箱和線纜均暴露在橋梁頂板上，易受環(huán)境和節(jié)段施工影響；方案2和方案3中采集箱和儀器電纜均在梁體內(nèi)，避免了施工環(huán)境造成的不良影響；但方案2的儀器電纜順著梁底板頂面布設(shè)，易被臨時(shí)施工物資和設(shè)施破壞。方案3相比方案1和方案2實(shí)施較煩瑣，但是避免了施工對(duì)采集箱和供電線影響。因此，為避免應(yīng)力測(cè)量的數(shù)據(jù)質(zhì)量不受環(huán)境和橋梁施工的影響,方案3為實(shí)際施工中最為可行的布設(shè)方案。

為保證信號(hào)傳輸質(zhì)量和供電穩(wěn)定性，儀器電纜和供電線應(yīng)盡量減少接頭，監(jiān)測(cè)前應(yīng)對(duì)線纜長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。以方案3的4號(hào)測(cè)量斷面各測(cè)點(diǎn)的儀器電纜和采集箱供電線為例，表1給出了基于BIM模型計(jì)算的線纜長(zhǎng)度，施工長(zhǎng)度為儀器電纜和供電線考慮冗余后取整，作為實(shí)際施工的參考依據(jù)。

表1 4號(hào)測(cè)量斷面儀器電纜及供電線長(zhǎng)度 m

綜上可知，依托BIM模型可以完成所有測(cè)點(diǎn)排線設(shè)計(jì)，并統(tǒng)計(jì)出儀器電纜和供電線長(zhǎng)度指導(dǎo)實(shí)際施工。

根據(jù)確定的方案3儀器及排線布設(shè)方案，依托BIM模型完成所有測(cè)點(diǎn)排線設(shè)計(jì)，并統(tǒng)計(jì)出儀器電纜和供電線長(zhǎng)度以指導(dǎo)實(shí)際施工。

3.3 視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控應(yīng)清晰記錄節(jié)段施工過(guò)程，便于工程技術(shù)人員依托視頻分析應(yīng)力數(shù)據(jù)。特別是應(yīng)力數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，有助于工程技術(shù)人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)施工。視頻監(jiān)控應(yīng)覆蓋節(jié)段施工作業(yè)面，因此施工掛籃為最優(yōu)載體。基于掛籃模型可選擇合適的攝像頭安裝位置，為確保安裝過(guò)程安全性和便利性，同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)掛籃的攀爬護(hù)欄，視頻攝像頭安裝位置如圖8所示，可見(jiàn)，監(jiān)控視角可覆蓋整個(gè)施工作業(yè)面。

圖8 視頻攝像頭布設(shè)示意

4 應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案實(shí)施

根據(jù)設(shè)計(jì)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案，開(kāi)展了跨沂河西大堤連續(xù)梁橋施工過(guò)程的應(yīng)力監(jiān)控。為避免供電線受施工設(shè)備及物資堆放的影響，利用絕緣電工套管保護(hù)線路，如圖9(a)所示。圖9(b)為施工現(xiàn)場(chǎng)儀器設(shè)備及電線的布置情況，由圖9(b)可以看出，方案3設(shè)計(jì)的沿梁體側(cè)壁的排線方式避免了施工方木堆放對(duì)儀器電纜的影響；從采集箱旁的儀器電纜可以看出，基于BIM模型計(jì)算出的儀器電纜長(zhǎng)度考慮施工因素后，可以滿足施工布線要求，僅少部分線纜有結(jié)余。

圖9 應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片

根據(jù)視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)方案，在掛籃主桁豎桿上安裝視頻攝像頭，如圖10所示。視頻畫(huà)面清晰，實(shí)際視角與BIM方案視角相似且覆蓋了整個(gè)施工作業(yè)面，為施工作業(yè)管理提供了實(shí)時(shí)畫(huà)面，避免了傳統(tǒng)安裝需要實(shí)地測(cè)試調(diào)整。

圖10 視頻監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)照片與視頻畫(huà)面

5 應(yīng)力數(shù)據(jù)處理及分析

5.1 模型與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在信息共享和傳遞過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)儀器測(cè)點(diǎn)和應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的直觀對(duì)應(yīng)。為此，利用Autodesk Revit提供的API接口，開(kāi)發(fā)了傳感器模型與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)功能并集成于附加模塊，其操作界面如圖11所示。通過(guò)勾選對(duì)話框中的傳感器編號(hào)或者點(diǎn)選BIM模型中傳感器模型，便可自動(dòng)讀取指定路徑所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件，并在操作界面繪制出應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線，便于工程技術(shù)人員及時(shí)了解測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)方式不僅可以基于BIM模型直觀檢查測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，而且方便各測(cè)點(diǎn)對(duì)比以及時(shí)了解梁體受力。

圖11 應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與傳感器模型關(guān)聯(lián)

5.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)預(yù)警

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工期間，梁體混凝土壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。然而，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理存在滯后性，而且需要依賴技術(shù)人員判讀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否滿足設(shè)計(jì)要求，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)難以做到及時(shí)預(yù)警，甚至導(dǎo)致工程事故發(fā)生；此外，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)由于缺乏施工視頻監(jiān)控和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)技術(shù)人員難以直觀了解現(xiàn)場(chǎng)，可能會(huì)引起事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。為保證施工過(guò)程的安全性，依托現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的施工視頻監(jiān)控，開(kāi)發(fā)如圖12所示的應(yīng)力監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊，并嵌入Autodesk Revit軟件。

圖12 安全預(yù)警模塊

預(yù)警模塊自動(dòng)讀取采集箱4G傳輸模塊回傳的應(yīng)力數(shù)據(jù)，與設(shè)定的應(yīng)力閾值對(duì)比，若應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)值超過(guò)設(shè)定閾值，則依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間自動(dòng)截取攝像頭記錄的施工視頻并存檔，同時(shí)將傳感器編號(hào)、超限數(shù)值等信息通過(guò)彈窗、短信、郵件分發(fā)給技術(shù)人員。為測(cè)試該功能，設(shè)置應(yīng)力預(yù)警值為6.8 MPa，圖12中界面即彈出警告彈窗。該功能將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與閾值實(shí)時(shí)對(duì)比，避免了傳統(tǒng)方式數(shù)據(jù)處理滯后的不足，同時(shí)施工視頻可為超限數(shù)據(jù)分析提供參考。

5.3 應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

應(yīng)力數(shù)據(jù)由傳感器采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)和混凝土實(shí)測(cè)彈性模量計(jì)算得出，傳感器應(yīng)變讀數(shù)包含結(jié)構(gòu)真實(shí)受力應(yīng)變和非荷載作用應(yīng)變，非荷載作用主要包括溫度效應(yīng)、混凝土收縮徐變、測(cè)試初值的設(shè)定，故應(yīng)力數(shù)據(jù)計(jì)算分析時(shí)需剔除其影響。測(cè)量斷面5即0號(hào)塊根部的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論應(yīng)力對(duì)比如圖13所示。

圖13 0號(hào)塊應(yīng)力對(duì)比(負(fù)值為壓應(yīng)力)

由圖13可知：0號(hào)塊截面各個(gè)施工階段下的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算的理論值變化趨勢(shì)基本一致，應(yīng)力數(shù)值較為接近，0號(hào)塊截面在施工過(guò)程中全截面受壓，實(shí)測(cè)壓應(yīng)力最大值在8.0 MPa以內(nèi)，遠(yuǎn)小于梁體C50混凝土應(yīng)力允許值。

6 結(jié)論

基于BIM技術(shù)開(kāi)展了連徐鐵路跨沂河西大堤連續(xù)梁施工應(yīng)力監(jiān)控方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究，重點(diǎn)開(kāi)展了儀器方案設(shè)計(jì)、線纜精細(xì)化排布、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型關(guān)聯(lián)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警等方面的研究，主要結(jié)論如下。

(1)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：橋梁受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)基本相符，施工期間梁體混凝土均處于受壓狀態(tài)且小于材料設(shè)計(jì)值，梁體施工安全可靠。

(2)利用BIM軟件建立了連續(xù)梁及監(jiān)測(cè)設(shè)備模型，直觀展示監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)，輔助決策線纜排布，實(shí)現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁施工應(yīng)力監(jiān)控方案的可視化與精細(xì)化設(shè)計(jì)。

(3)通過(guò)對(duì)BIM軟件Autodesk Revit二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與傳感器模型關(guān)聯(lián)。開(kāi)發(fā)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊，實(shí)現(xiàn)了橋梁施工過(guò)程的應(yīng)力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取與預(yù)警。