BIM技術(shù)在上跨既有高速鋼箱梁安裝方案中的應(yīng)用

黃妍彬，楊 濤，辛亞兵，李再德

（湖南建工交通建設(shè)有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410004）

BIM技術(shù)通過(guò)近幾年井噴式發(fā)展，在房屋建筑領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)大的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益，但在交通工程領(lǐng)域缺乏發(fā)展動(dòng)力，究其原因，是從業(yè)人員未感受到BIM技術(shù)在專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。為探索BIM技術(shù)在公路交通工程中的應(yīng)用實(shí)踐點(diǎn)和效益，基于樞紐工程的復(fù)雜性，發(fā)揮BIM技術(shù)的模擬性優(yōu)勢(shì)，本文從施工方案比選的角度探索BIM技術(shù)在交通工程領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，以期為公路行業(yè)從業(yè)人員提供參考和借鑒。

樞紐互通的施工是整個(gè)高速公路施工中的重難點(diǎn)工程之一，跨越既有高速公路的橋梁上部結(jié)構(gòu)施工又是整個(gè)樞紐互通施工的關(guān)鍵性工程。項(xiàng)目工程中，E匝道橋中跨達(dá)70 m，H匝道橋中跨為60 m，E匝道橋與H匝道橋曲率變化且間距較小，相互影響限制，是影響施工方法選擇的控制性因素。項(xiàng)目需要在不斷流的情況下進(jìn)行跨線鋼箱梁的施工，采用自行式吊機(jī)時(shí)起重半徑大，從而需要大噸位履帶吊，但現(xiàn)場(chǎng)條件無(wú)法滿足履帶吊支腿空間要求，因此本文將E、H兩座匝道橋以架橋機(jī)安裝和頂推安裝兩種方案進(jìn)行BIM模擬，通過(guò)模型計(jì)算出鋼梁分塊重量，并對(duì)安裝進(jìn)行的各階段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。充分揭示兩種安裝方案的限制情況，為最終方案的確定提供十分有力的參考。

1 工程概況

項(xiàng)目位于湖南省湘潭縣，為新建醴婁高速與既有潭衡西高速的交叉工程，分別有3座橋跨越潭衡西高速（圖1）：1）主線跨線橋，跨徑3×46 m，分左右幅，梁寬度為20.75 m，共4個(gè)箱室，單箱室尺寸為2.8 m×2.1 m（寬×高），鋼梁橫向與路線斜交角為77°；2）E匝道二號(hào)橋，跨徑為（45+70+45）m，不分幅，梁寬度為10.5 m，共兩個(gè)箱室，單箱室尺寸為2.8 m×2.8 m（寬×高），鋼梁橫向與路線正交；3）H匝道橋，跨徑（37+60+37）m，不分幅，梁寬度為10.5 m，共兩個(gè)箱室，單箱室尺寸為2.8 m×2.4 m（寬×高），鋼梁橫向與路線正交。本文模擬的E匝道橋臨時(shí)墩設(shè)計(jì)分跨為（30+30+40+30+30）m，H匝道橋臨時(shí)墩設(shè)計(jì)分跨為（27+23+34+23+27）m。

圖1 鋼箱梁整體位置

2 仿真模型建立

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T5 1235—2017）［1］要求，建立精度為L(zhǎng)OD350的深化設(shè)計(jì)模型，并配合施工方案對(duì)箱梁進(jìn)行分塊。E、H匝道兩座鋼箱梁橋所在平面線形均為曲線，伴隨橫坡的變化，梁體需在平轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行細(xì)微的豎轉(zhuǎn)，空間尺寸復(fù)雜。

項(xiàng)目采用Bentley軟件平臺(tái)，用道路專業(yè)軟件OpenRoads Designer建立橋梁中心線，并融合預(yù)拱度曲線作為鋼箱梁建模的線型。在軟件內(nèi)建立鋼箱梁的橫斷面模板，以此拉伸出鋼箱梁的主體面板（頂板、腹板、底板）、縱向通長(zhǎng)肋板及正交的橫向隔板。用參數(shù)控制鋼箱梁的橫坡變化，并在建立橫斷面階段和拉伸階段分別進(jìn)行鋼箱梁的橫向和縱向分塊。然后以此模型為基礎(chǔ)，在MicroStation內(nèi)建立隔板的短肋板，再將各部分模型組裝到一起。因?yàn)樵黾舆^(guò)焊孔會(huì)大大增加模型體量和建模時(shí)間，且忽略過(guò)焊孔對(duì)鋼梁重量計(jì)算影響很小，所以建模過(guò)程已忽略過(guò)焊孔。

為快速統(tǒng)計(jì)模型工程量，建模過(guò)程中從以下思路對(duì)模型進(jìn)行了重組：1）短肋板全部實(shí)體轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格；2）網(wǎng)格縫合至能查看體積的最大單位；3）按鋼板類型分圖層：頂板、腹板、底板、翼板、隔板（分各部位）；4）按吊裝塊分圖形組。以模型體積為基礎(chǔ)，乘以鋼材密度7 850 kg/m3，統(tǒng)計(jì)出鋼梁分塊重量（表1）。

表1 鋼箱梁分塊重量

根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)量表統(tǒng)計(jì)的鋼材總重和梁段長(zhǎng)度占比估算出的最大梁重為85 t，與模型計(jì)算的最大梁重85.57 t相比，數(shù)值幾乎等同，這也驗(yàn)證了模型的精確度。因此，以上從模型統(tǒng)計(jì)的鋼梁分塊重量用于施工過(guò)程的力學(xué)計(jì)算可靠。

為了更直觀地表示鋼箱梁的結(jié)構(gòu)組成，模型從以下4個(gè)構(gòu)造對(duì)鋼箱梁細(xì)部進(jìn)行三維展示，如圖2所示。

圖2 鋼箱梁細(xì)部構(gòu)造

3 兩種方案的相同應(yīng)用點(diǎn)

架橋機(jī)吊裝和頂推安裝都需要在鋼箱梁生產(chǎn)廠完成鋼箱梁的組焊和運(yùn)輸分塊，也需要設(shè)置臨時(shí)支墩減少跨徑，其施工總體部署也大致相同。

3.1 鋼箱梁組焊和切分

鋼箱梁在生產(chǎn)工廠內(nèi)采用胎架加工，胎架模擬設(shè)計(jì)縱坡橫坡，并結(jié)合施工預(yù)拱度，進(jìn)行鋼箱梁組焊和運(yùn)輸段切分。具體步驟如圖3所示。

圖3 一跨鋼箱梁組焊順序

3.2 臨時(shí)支墩模擬

鋼箱梁在建模時(shí)已包含路線縱坡數(shù)據(jù)，也添加了曲線段橫坡數(shù)據(jù)，因此鋼箱梁的模型空間位置即實(shí)體鋼箱梁的安裝準(zhǔn)確位置。從鋼箱梁臨時(shí)跨分跨位置處讀取箱梁左右箱室底部標(biāo)高，扣減臨時(shí)支座高度，作為臨時(shí)墩施工的墩頂控制性高程，數(shù)據(jù)如表2所示，臨時(shí)墩位置編號(hào)如圖4所示。施工過(guò)程中可以在臨時(shí)支墩頂部安置傳感器，與BIM模型聯(lián)動(dòng)，監(jiān)測(cè)臨時(shí)支墩的沉降及位移。

表2 臨時(shí)墩頂控制高程m

圖4 臨時(shí)支墩

以上數(shù)據(jù)經(jīng)專業(yè)測(cè)量工程師計(jì)算對(duì)比，符合工程施工的精度要求。

在臨時(shí)支墩的模擬過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)E匝道橋的2#臨時(shí)支墩已超出硬路肩范圍，占用了一點(diǎn)機(jī)動(dòng)車道，而3#臨時(shí)支墩還有較大空間富余。因此，可以考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，將中跨40 m向西側(cè)小樁號(hào)方向移動(dòng)2m，臨時(shí)跨調(diào)整為（30+28+40+32+30）m。

3.3 鋼箱梁施工總體部署

架橋機(jī)施工和頂推施工都需要在橋后E、H匝道路基平行段設(shè)置拼裝場(chǎng)地。整個(gè)互通施工的運(yùn)輸通道集中在潭衡西高速的東側(cè)，到達(dá)西側(cè)需下穿潭衡西原有通涵繞行，通行高度受限制。從樞紐互通總體模型（圖5）中可以看到，將E、H匝道的地道橋留置暫不施工，使主線與E、H匝道在此處平交，然后將主線跨線橋從東向西架通（架橋機(jī)或頂推），就可以為E、H匝道跨線梁的拼裝場(chǎng)提供便利的鋼梁及機(jī)械運(yùn)輸通道。然后從西向東完成E匝道1～3跨和H匝道3～5跨鋼箱梁的安裝。最后在東側(cè)場(chǎng)地內(nèi)用汽車吊安裝E匝道4～5跨及H匝道1～2跨鋼箱梁。場(chǎng)地布置（圖6）中橙色位置為吊車站位。場(chǎng)地模型除了可以用于方案交底，還可以進(jìn)行水力分析，以判斷易積水位置，并進(jìn)行臨時(shí)排水設(shè)計(jì)。

圖5 樞紐互通總體模型

圖6 場(chǎng)地布置

4 兩種方案的細(xì)節(jié)分析

4.1 架橋機(jī)安裝方案

4.1.1 安裝狀態(tài)模擬

架橋機(jī)架梁模擬如圖7所示。架橋機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為450 m，而E、H匝道橋東側(cè)最小曲率半徑分別僅為150、160 m，因此采用架橋機(jī)安裝匝道橋直順段鋼箱梁，從西側(cè)出發(fā)至跨線孔完成后結(jié)束，東側(cè)4跨鋼箱梁采用汽車吊安裝。鋼箱梁現(xiàn)場(chǎng)拼裝順序：至現(xiàn)場(chǎng)拼裝場(chǎng)地拼焊為吊裝長(zhǎng)度節(jié)段，架橋機(jī)將橫向分為5塊的梁塊吊移至臨時(shí)墩頂，再在橋上橫向拼焊為整體梁跨。

圖7 架橋機(jī)架梁

4.1.2 橫向分塊優(yōu)化

將鋼梁橫向分塊編碼為A、B、C、D、F。吊梁模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，按原有分塊（圖8）進(jìn)行安裝時(shí)，如果先將B、D箱室塊安裝好，再安裝C塊，會(huì)因?yàn)镃塊的肋板比面板寬而放不下去。如果將C塊的實(shí)腹式隔板留置后焊，又會(huì)增加施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。而且在兩側(cè)都已定位的情況下，從中間卡進(jìn)隔板，會(huì)存在寬度不足放不進(jìn)去或?qū)挾冗^(guò)大接不上的情況，施工質(zhì)量難以保證。因此只能以B→C→D→A或F的順序進(jìn)行安裝，其中，A、C、F塊需要在吊置狀態(tài)下進(jìn)行成跨焊接。鋼梁塊吊至墩頂后，塊件之間的焊接只能在橋面板以下進(jìn)行，因此還需要設(shè)置梁下工作平臺(tái)。

圖8 鋼箱梁原分塊

經(jīng)過(guò)優(yōu)化（圖9），將頂板中塊加寬，內(nèi)側(cè)兩塊腹板分配給C塊。架梁時(shí)，先安裝B、D箱室，再安裝C塊，C塊的腹板壓在B、D塊的底板上，C塊的頂板掛在箱室的隔板上，架上后就有一定的自穩(wěn)性。焊接作業(yè)人員在B、D箱室內(nèi)進(jìn)行內(nèi)側(cè)腹板與隔板的焊接，以提高安全性。優(yōu)化后的鋼箱梁分塊重量更均衡，梁段最大重量降低。

圖9 鋼箱梁優(yōu)化分塊

4.2 頂推安裝方案

頂推通常適用于直線段或圓曲線段，本方案頂推梁段位于緩和曲線，后段較直前段彎曲，總體曲度在可協(xié)調(diào)范圍內(nèi)?？刹捎弥本€或曲線導(dǎo)軌式頂推，直線頂推運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為向前平移，曲線頂推為沿圓弧旋轉(zhuǎn)。先按設(shè)計(jì)頂推路線制作鋼軌道，鋼軌道可采用鋼絲繩拖拉架設(shè)，鋼絲繩可采用無(wú)人機(jī)牽引跨過(guò)潭衡西高速，然后在鋼箱梁箱室底部與軌道對(duì)應(yīng)位置按一定間距安裝小輪，頂推過(guò)程類似于推小車。頂推架梁模擬如圖10所示。

圖10 頂推架梁模擬

頂推部分鋼箱梁現(xiàn)場(chǎng)拼裝順序：至現(xiàn)場(chǎng)拼裝場(chǎng)地拼焊為一跨整體雙箱室箱梁，然后分跨焊接和頂推。

潭衡西東側(cè)4跨梁體，因轉(zhuǎn)向幅度已超出后段路線方向可調(diào)整范圍，因此與架橋機(jī)方案一樣，采用汽車吊安裝。

4.2.1 頂推路徑設(shè)計(jì)

在模型設(shè)計(jì)位置的基礎(chǔ)上，提取箱梁箱室底面輪廓線，然后進(jìn)行頂推路徑的設(shè)計(jì)，使路徑線在梁段任意位置都位于輪廓線之內(nèi)，并盡量靠近箱室底面中心線，以利于頂推過(guò)程箱梁的穩(wěn)定。經(jīng)繪圖模擬，E匝道橋采用直線，H匝道采用600 m半徑線作為頂推路徑（圖11）。

圖11 頂推路徑模擬

從縱面來(lái)看，頂推路徑在頂推終點(diǎn)墩設(shè)置為設(shè)計(jì)標(biāo)高，在頂推起點(diǎn)墩設(shè)置為設(shè)計(jì)標(biāo)高加梁高及留間隙高度?？v坡由設(shè)計(jì)路線的西向東上坡變?yōu)轫斖坡窂降奈飨驏|下坡，具體數(shù)據(jù)為E匝道橋由0.74%變?yōu)?1.76%，H匝道橋由1.67%變?yōu)?1.8%。頂推路徑縱坡較為平緩，且下坡有利于梁體向前推進(jìn)。

箱室底部的兩條頂推路徑相互平行，在路徑線位置設(shè)頂推軌道。若采用圓弧線路徑，則應(yīng)在每跨臨時(shí)墩之間為軌道進(jìn)行直線支撐固定。臨時(shí)墩墩頂高度應(yīng)按頂推路徑線對(duì)應(yīng)設(shè)置。梁底橫坡變化通過(guò)梁底小輪支腿高度調(diào)節(jié)。

4.2.2 導(dǎo)梁設(shè)計(jì)

E匝道橋頂推最大跨徑為40 m，導(dǎo)梁長(zhǎng)度為跨徑的2/3，即27 m；H匝道橋頂推最大跨徑為34 m，導(dǎo)梁長(zhǎng)度為23 m。導(dǎo)梁設(shè)計(jì)如圖12所示，每個(gè)箱室前段接一根導(dǎo)梁，兩根導(dǎo)梁間進(jìn)行橫向連接加強(qiáng)。因梁體前端與頂推路徑有一定偏移值，偏移值大的一邊也應(yīng)加強(qiáng)箱梁與導(dǎo)梁的連接。導(dǎo)梁整體采用2 cm厚鋼板焊接為前低后高的工字鋼形式，中腹板位置設(shè)加強(qiáng)肋，中腹板較高處進(jìn)行局部鏤空以減輕整體重量。具體尺寸及受力情況根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件驗(yàn)算后進(jìn)行調(diào)整。

圖12 導(dǎo)梁設(shè)計(jì)

5 方案對(duì)比及選定

5.1 安全性對(duì)比

架橋機(jī)過(guò)孔需設(shè)置1.5倍安全系數(shù)，并臨時(shí)封閉交通30 min。架橋機(jī)吊裝完各橫向鋼梁分塊后，需要在通行的車流上方進(jìn)行分塊間主縱縫焊接及翼肋板與主箱室焊接，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大。由于永久墩跨徑達(dá)70 m和60 m，架橋機(jī)跨越難度大，因此架橋機(jī)方案中，架橋機(jī)前支腿需落在臨時(shí)支墩上。從而臨時(shí)支墩需承受架橋機(jī)和安裝鋼梁的總重，這對(duì)臨時(shí)支墩的強(qiáng)度剛度穩(wěn)定性提出了更高要求。臨時(shí)墩沉降過(guò)大可能導(dǎo)致架橋機(jī)前支腿失去支撐而傾覆，造成安全事故或質(zhì)量事故。

相比較而言，頂推施工時(shí)，鋼箱梁已整體焊接成型，不需要在高速上方進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)小得多。

5.2 質(zhì)量等級(jí)對(duì)比

架橋機(jī)方案中，鋼箱梁被分塊架設(shè)或吊裝于跨上，再進(jìn)行最后的組裝焊接，作業(yè)條件和設(shè)備都有一定的限制，可能造成焊縫應(yīng)力過(guò)大或組件對(duì)位不佳等情況。

頂推方案中，鋼箱梁在岸上整體成型，作業(yè)空間大，可利用龍門(mén)吊等各種設(shè)備調(diào)整組件之間的相對(duì)位置，減少焊縫應(yīng)力，質(zhì)量等級(jí)比架橋機(jī)方案好。

5.3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

對(duì)兩種方案而言，在鋼箱梁加工、運(yùn)輸、場(chǎng)地方面的要求基本一致，因此成本相當(dāng)。在臨時(shí)墩方面，架橋機(jī)只需要將臨時(shí)墩支到設(shè)計(jì)標(biāo)高，但對(duì)臨時(shí)墩的承載要求更高，會(huì)增加地基處理的成本，頂推方案中臨時(shí)墩高度增加會(huì)增加一些費(fèi)用，總體來(lái)說(shuō)，兩種方案在臨時(shí)支墩的成本也相當(dāng)。

架橋機(jī)方案中架橋機(jī)的使用成本為135萬(wàn)元，頂推方案中鋼導(dǎo)梁的材料及加工成本為100萬(wàn)元左右。

5.4 工期對(duì)比

兩種方案所消耗的工期，均為3個(gè)月左右。

5.5 方案選定

總體而言，兩種方案在經(jīng)濟(jì)性和工期消耗方面相差不大，但頂推方案的安全性和施工質(zhì)量更勝一籌，且在施工方案的選擇上，安全性應(yīng)優(yōu)先于經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行考慮。

綜上所述，應(yīng)選擇頂推方案作為該鋼箱梁的施工方案。

6 結(jié) 論

本文以射埠樞紐互通鋼箱梁架設(shè)為工程背景，利用BIM技術(shù)對(duì)架橋機(jī)吊裝、頂推安裝兩種施工方法進(jìn)行模擬。BIM模型在兩種方案的比選中發(fā)揮了重要的指導(dǎo)作用，其準(zhǔn)確參數(shù)為方案中的各種測(cè)算提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。BIM建模進(jìn)行臨時(shí)工程的正向設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單又便捷，可為工程技術(shù)人員理解方案提供了重要助力。