基于BIM的扁平型疊箱式剛構(gòu)渡槽掛籃設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李 果，范樹先，高 飛

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300222)

渡槽廣泛應(yīng)用于水利工程，在跨區(qū)域調(diào)水方面起到了重要的作用[1]。在眾多涉及渡槽的工程項(xiàng)目中，運(yùn)用到了掛籃施工[2]方案。針對掛籃的施工，眾多專家進(jìn)行了學(xué)術(shù)研究和工程實(shí)踐。

方小林等[3]研究了新型掛籃形式，并重點(diǎn)分析了掛籃的受力性能。該研究形成的新型掛籃滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，為工程的實(shí)踐提供了重要參考。曹支才等[4]針對大型掛籃施工利用有限元軟件模擬了力學(xué)表現(xiàn)規(guī)律，有效地保證了施工的安全性。程皓等[5]研究了面向掛籃的設(shè)計(jì)建立了數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，得到了保證受力安全前提下的最小用鋼量。趙銳[6]為了解決菱形掛籃施工過程的安全問題，分析了不利荷載作用下，結(jié)構(gòu)的位形和內(nèi)力，并給出了相應(yīng)的控制指標(biāo)。李洪坤等[7]探索了連續(xù)梁橋懸臂施工過程中，掛籃各桿件變形及受力的變化情況，并在施工過程中布置了多類監(jiān)控點(diǎn)以保證施工的安全性。

在掛籃施工過程中，對于構(gòu)件的力學(xué)性能的研究較為成熟，然而對于施工全過程的技術(shù)交底和精細(xì)化管理的研究相對較少。如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工的一體化建造，并高效的管控施工質(zhì)量和安全，形成掛籃設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化流程是本研究的重點(diǎn)。BIM技術(shù)為掛籃的智能化設(shè)計(jì)和高效施工管理提供了思路和工具。

段曉晨等[8]基于BIM技術(shù)提出地鐵車站土建工程施工進(jìn)度的三維動態(tài)優(yōu)化控制方法，該方法有效地輔助施工決策。鄧秋楠等[9]基于BIM技術(shù)形成了智慧工地的管理模式，規(guī)避了工程體量大帶來的作業(yè)復(fù)雜的問題。譚堯升等[10]借鑒BIM技術(shù)和信息模型理念形成了施工期多維信息模協(xié)作管理體系，精準(zhǔn)地控制了施工進(jìn)度和工程建設(shè)質(zhì)量。

針對掛籃施工的研究現(xiàn)狀，本研究基于BIM技術(shù)提出了智能化設(shè)計(jì)及高效施工管理方法。依托紅水河渡槽橋梁工程，總結(jié)了BIM技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值和流程。在設(shè)計(jì)過程中，形成了兩類掛籃形式的設(shè)計(jì)理念和族庫。面向施工過程，形成了全過程智能化管控方法，為類似工程的精細(xì)化管理提供了參考。

1 工程概況及難點(diǎn)

本研究中，以紅水河渡槽橋梁工程項(xiàng)目為例，形成了掛籃智能化設(shè)計(jì)及高效施工管理方法。本節(jié)中，分析了工程的概況，歸納了掛籃施工過程的主要步驟，并總結(jié)了設(shè)計(jì)及施工過程的重難點(diǎn)。

1.1 項(xiàng)目概況

紅水河渡槽橋梁段全長466.1m，渡槽橋梁設(shè)計(jì)有6跨7墩，最大跨徑為150m，其中2#、3#墩為主墩，位于紅水河河道中，墩高16.5m。橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用承臺+樁基的形式，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用83.55m+150m+83.55m雙幅變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+簡支梁的形式。主墩承臺為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，且嵌入河床巖層內(nèi)；2#墩、3#墩為雙肢薄壁墩，1#墩、4#墩為薄壁空心墩；主跨上部結(jié)構(gòu)施工采用掛籃分段懸臂對稱澆筑施工，兩端引槽段施工采用支架現(xiàn)澆法施工。紅水河渡槽橋梁平面及立面布置圖如圖1所示。

圖1 紅水河渡槽橋梁平面及立面布置圖

渡槽0#塊設(shè)計(jì)尺寸為：12.0m(長)×10.0/12.8m(底寬/頂寬)寬×9.96m(高)，如圖2所示。結(jié)構(gòu)形式屬于上下雙箱室結(jié)構(gòu)，其中下箱室凈高5.11m，上箱室凈高2.75m；底板寬10.0m，厚1.0m，腹板厚度為1.0m，中板厚0.55m，頂板寬12.8m，厚0.55m，頂板設(shè)置為雙向排水坡，坡度1%；橫隔板設(shè)置在下箱室內(nèi)，寬1.3m，人洞結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸為2.0m(高)×1.4m(寬)。

圖2 0#塊斷面圖

1.2 工程難點(diǎn)

施工過程中，橋面箱梁采用掛籃懸臂澆筑方式，其中掛籃分為三角掛籃和菱形掛籃兩種。施工過程中，掛籃的施工主要分為了拼裝、行走和拆除3個主要工序。在每個工序中需要進(jìn)行混凝土的澆筑，各類構(gòu)件的連接，同時(shí)滿足各類工況的受力性能的規(guī)范要求。施工過程中，掛籃的安裝如圖3所示。

圖3 掛籃的安裝

在掛籃施工過程中，由于建造體量大，水文和氣候條件復(fù)雜，導(dǎo)致項(xiàng)目管理方面存在著設(shè)計(jì)要素多、施工工藝復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高3個難點(diǎn)。

1.2.1設(shè)計(jì)要素多

在本項(xiàng)目的施工中，在初始階段，掛籃的拼裝長度為12m，該部分掛籃需要牢靠地錨固在成形態(tài)的墩頂構(gòu)件上。掛籃的設(shè)計(jì)過程按照最大梁承受的荷載進(jìn)行受力性能的評估，此類掛籃屬于無平衡重自行式掛籃。其中，單端自重不超過130t(含模板及小型機(jī)具)，設(shè)計(jì)最大承載能力不小于270t。在掛籃中主要存在著主桁架系統(tǒng)、底籃系統(tǒng)、行走及錨固系統(tǒng)、模板系統(tǒng)和懸吊系統(tǒng)。各個系統(tǒng)之間交互關(guān)系復(fù)雜，受力性能不易判斷，需要在設(shè)計(jì)過程中考慮各個構(gòu)件之間的連接，以及是否滿足施工工藝的要求。

1.2.2施工工藝復(fù)雜

在掛籃施工過程中，存在著拼裝、預(yù)壓、行走和拆除4個主要步驟。由于大型掛籃存在的構(gòu)件多，因此在整個施工過程中，涉及的施工工藝較為復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)對全過程的精細(xì)化管理。同時(shí)，施工工序較多不利于施工質(zhì)量的控制，給施工過程的橋面成型帶來了困難。

1.2.3安全風(fēng)險(xiǎn)高

掛籃施工過程中管理的精細(xì)化水平較低，容易導(dǎo)致構(gòu)件的安裝強(qiáng)度和穩(wěn)定性的不足。另外，施工過程中涉及的構(gòu)件和工序較多，施工工藝復(fù)雜，因施工質(zhì)量不足容易造成安全事故。

2 BIM及其在設(shè)計(jì)施工中的應(yīng)用

針對掛籃施工過程存在的難點(diǎn)問題，本研究在BIM技術(shù)的驅(qū)動下形成了智能化設(shè)計(jì)及施工管控方法。本節(jié)中，總結(jié)了BIM技術(shù)的特點(diǎn)及其在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用價(jià)值，面向掛籃設(shè)計(jì)與施工，建立了BIM技術(shù)的融合機(jī)理。

2.1 BIM技術(shù)特點(diǎn)

BIM技術(shù)具有參數(shù)化、信息化、可視化的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)建造全過程虛實(shí)交互的紐帶[11]。在掛籃設(shè)計(jì)與施工過程中，BIM技術(shù)存在可視化程度高、施工動態(tài)展示和誤差自動檢查的特點(diǎn)[12]。

2.1.1可視化程度高

BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對施工全要素的三維建模，相較于傳統(tǒng)二維建模技術(shù)，具備更高的可視化程度。在BIM技術(shù)的驅(qū)動下，可以更加高效地保證設(shè)計(jì)的可行性和施工過程的合理性?；诳梢暬娜S模型，可以更直觀清楚的分析設(shè)計(jì)的不足和施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2施工動態(tài)展示

基于三維可視化模型，在BIM技術(shù)的驅(qū)動下，還可以進(jìn)行施工過程的復(fù)雜工藝動態(tài)展示?；趧討B(tài)展示直觀有效地進(jìn)行施工工序和復(fù)雜工藝的技術(shù)交底。

2.1.3誤差自動檢查

BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各專業(yè)、各流程的協(xié)同工作。因此，針對項(xiàng)目設(shè)計(jì)及施工過程存在的碰撞、誤差等現(xiàn)象，可以及時(shí)精準(zhǔn)識別，有效地提高施工方案的可行性。

2.2 BIM的應(yīng)用價(jià)值

在本項(xiàng)目中，存在著設(shè)計(jì)要素多、施工工藝復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高3個難點(diǎn)。BIM技術(shù)具有3個顯著的特點(diǎn)，因此在本工程中應(yīng)用BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)掛籃的智能化設(shè)計(jì)和施工的智能化管控。

在設(shè)計(jì)過程中，依托BIM技術(shù)進(jìn)行三維可視化建模，精準(zhǔn)識別構(gòu)件之間的連接關(guān)系，并評估設(shè)計(jì)方案的可行性。同時(shí)BIM技術(shù)的應(yīng)用以直觀的方式對比構(gòu)件與規(guī)范的區(qū)別，規(guī)避了掛籃結(jié)構(gòu)中受力不合理的現(xiàn)象。

在施工過程中，依托BIM技術(shù)進(jìn)行施工動態(tài)模擬，可以動畫的形式進(jìn)行復(fù)雜工序和工藝的技術(shù)交底。本項(xiàng)目中，掛籃體量較大，施工環(huán)節(jié)眾多，在BIM技術(shù)的驅(qū)動下以更直觀的形式對施工工人技術(shù)交底，有效地保證了施工的質(zhì)量和安全。

2.3 BIM技術(shù)與掛籃設(shè)計(jì)與施工的融合機(jī)理

BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)與施工階段起到了信息共享和傳輸?shù)淖饔肹13-15]。在掛籃的施工過程中，由BIM技術(shù)制作出掛籃的施工動畫為現(xiàn)場施工管理提供依據(jù)。在施工的過程中，根據(jù)現(xiàn)場的操作和偏差修正BIM模型。最終在BIM模型中進(jìn)行安全和質(zhì)量的評估，及時(shí)規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)。BIM與掛籃設(shè)計(jì)、施工的融合機(jī)理如圖4所示。

圖4 BIM與掛籃設(shè)計(jì)、施工的融合機(jī)理

3 剛構(gòu)渡槽掛籃的智能化設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目中，掛籃分為了三角掛籃和菱形掛籃。在BIM技術(shù)的驅(qū)動下，進(jìn)行三維建模。在此過程中，將掛籃分為了5個系統(tǒng)，即主桁系統(tǒng)、行走及錨固系統(tǒng)、底籃系統(tǒng)、模板系統(tǒng)和懸吊系統(tǒng)。本研究基于BIM技術(shù)進(jìn)行可視化建模，形成掛籃構(gòu)件的族庫，為施工過程建立高精度模型。

3.1 基于BIM的三角掛籃的設(shè)計(jì)

本研究中，在BIM技術(shù)的驅(qū)動下進(jìn)行了掛籃的三維建模。針對三角掛籃形成了相應(yīng)的構(gòu)件族庫，并以三維立體模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)可行性評估，為施工管理提供了依據(jù)。

3.1.1三角桁架系統(tǒng)

三角桁架是掛籃的承重結(jié)構(gòu)，在箱梁的腹板位置布置了兩篇桁架，并由角鋼進(jìn)行連接，如圖5所示。其中桁架弦桿均采用槽鋼組焊而成，桁架中的各類桿件采用銷栓連接。為保證結(jié)構(gòu)的安全，在桁架的前端節(jié)點(diǎn)布置了一根橫梁，該橫梁將兩片主桁架連接成為了整體。

圖5 主桁架布置圖

3.1.2底籃系統(tǒng)

三角掛籃中的底籃系統(tǒng)包括底模縱梁、前下橫梁、后下橫梁及底模板。底?？v梁采用工字鋼，前下及后下橫梁由槽鋼組焊而成。前上、下橫梁通過吊桿連接，同時(shí)吊桿還連接了后下橫梁與現(xiàn)澆梁截面底板。底模采用大塊復(fù)合鋼模板制作，在墊層中用到槽鋼以便于脫模施工。

3.1.3懸吊系統(tǒng)

懸吊系統(tǒng)由吊桿和承重吊架組成。在懸吊系統(tǒng)中，將懸臂灌注的混凝土重量及模板重量分別傳至主桁架和已澆注的混凝土梁段上。本研究基于BIM技術(shù)建立了前吊桿系統(tǒng)和后吊桿系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，明確了連接構(gòu)件和橫梁的位置關(guān)系，如圖6所示。

圖6 懸吊系統(tǒng)

3.1.4模板系統(tǒng)

利用鋼板和鋼框組焊合成箱梁的外側(cè)模。兩條滑梁在模板中起到了支撐的作用，滑梁分為了內(nèi)外兩組并由H型鋼焊接。外滑梁由前上橫梁和現(xiàn)澆箱梁翼板通過吊桿懸掛。由鋼板和鋼框組焊形成內(nèi)模，內(nèi)模桁架吊在兩根內(nèi)滑梁上，內(nèi)滑梁吊在前上橫梁和已澆梁段的頂板上，內(nèi)模脫模后可沿滑梁前行[16]。

3.1.5掛籃走行系統(tǒng)

走行系統(tǒng)分為桁架走行系統(tǒng)，底模、外模走行系統(tǒng)及內(nèi)模走行系統(tǒng)。在兩片桁架下的箱梁頂面鋪設(shè)兩根軌道，軌道頂面放置前后支座，支座用螺栓與桁架節(jié)點(diǎn)板連接，前支座沿軌道滑行，后支座以反扣輪的形式在軌道頂板滑動。

3.2 基于BIM的菱形掛籃的設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目的施工過程中，還用到了菱形掛籃。在BIM技術(shù)的驅(qū)動下同樣進(jìn)行了5個系統(tǒng)的立體化設(shè)計(jì)。與三角掛籃的主要不同點(diǎn)在于主桁架系統(tǒng)。主桁架由4片桁架和1片上橫梁組成。主桁架由平聯(lián)和前后橫梁連成整體，組成掛籃主要受力結(jié)構(gòu)。菱形掛籃的主桁架系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 主桁架系統(tǒng)

4 BIM技術(shù)驅(qū)動的剛構(gòu)渡槽掛籃施工的智能化管控

4.1 掛籃施工全過程智能化管控流程

在BIM技術(shù)的驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn)了掛籃的智能化設(shè)計(jì)，并建立了三維立體模型。在施工過程中，基于BIM技術(shù)形成了智能化管控流程，面向拼裝、行走和拆除3個階段[17-18]，建立了輔助施工的動畫，有效地降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)并提高了施工質(zhì)量。在BIM模型中，形成施工全過程的動畫，以可視化的形式進(jìn)行技術(shù)交底，指導(dǎo)施工全過程。在施工過程中，存在著眾多工序和工藝，容易產(chǎn)生施工誤差。將施工過程的掛籃狀態(tài)與BIM模型對比，修正BIM模型，并進(jìn)行后續(xù)施工的模擬。由此實(shí)現(xiàn)施工方案的可行性分析，提高了施工質(zhì)量并規(guī)避全風(fēng)險(xiǎn)?；贐IM的掛籃施工全過程智能化管控流程如圖8所示。

圖8 基于BIM的掛籃施工全過程智能化管控流程

4.2 基于BIM的掛籃拼裝控制

4.2.1拼裝掛籃主桁

基于BIM模型形成了掛籃主桁架的拼裝過程，如圖9所示。主梁的前支腿和后支腿放在運(yùn)行軌道上，然后主梁被定位和錨定，再將主梁用螺栓固定在前支腿和后支腿。立柱的底座用長螺栓臨時(shí)固定在主梁上，然后將中心梁定位。立柱用螺栓固定在主梁上。由于傾斜桿是通過銷桿連接到立柱和主梁上的，所以要用千斤頂來安裝銷桿，必須調(diào)整傾斜桿的位置，使其在插入銷桿后處于銷桿的中心。在安裝過程中，各根桿件的偏位應(yīng)滿足規(guī)定要求。

圖9 掛籃主桁的拼裝

4.2.2安裝掛籃錨固系統(tǒng)

錨固系統(tǒng)主要由掛籃錨和行走錨組成，兩者均由平梁和細(xì)軋鉸接點(diǎn)錨固。當(dāng)懸掛管的后錨定點(diǎn)被設(shè)置時(shí)，應(yīng)盡可能地靠近后支撐柱或后梁的中心，在施工過程中對錨定點(diǎn)的任何調(diào)整都應(yīng)根據(jù)這一原則來進(jìn)行。同時(shí)，軌道上相鄰錨固點(diǎn)之間的最大距離不應(yīng)超過設(shè)計(jì)要求。在走籃過程中，應(yīng)不斷調(diào)整錨點(diǎn)的位置，使錨點(diǎn)之間的距離符合要求。

4.2.3安裝掛籃懸吊系統(tǒng)

本項(xiàng)目施工過程中懸吊系統(tǒng)吊桿均采用精軋螺紋鋼。將上橫梁與主梁栓結(jié)固定，同時(shí)將前吊帶錨固扁擔(dān)梁與上前橫梁栓結(jié)固定。利用吊車提升前吊桿，穿進(jìn)錨固扁擔(dān)梁，并用吊帶承重銷錨固。BIM模型驅(qū)動的掛籃懸吊系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 懸吊系統(tǒng)安裝

4.2.4外模板安裝

掛籃外側(cè)模板采用箱梁0號塊外模，從0號塊縱移就位，如圖11所示。首先安裝一側(cè)模板滑梁(另一側(cè)模板滑梁待一側(cè)模板滑移就位后再安裝)，將滑梁與模板栓結(jié)固定，安裝前端滑梁分配梁以形成整體，卸落模板，用兩個葫蘆牽引模板前移就位。

圖11 模板安裝

4.3 BIM驅(qū)動的掛籃行走

在掛籃行走前，確認(rèn)行走吊桿錨固的牢靠性，同時(shí)檢查各項(xiàng)保險(xiǎn)是否安裝齊備。行走前在軌道上從前支座處開始使用石筆每10cm畫一標(biāo)記。掛籃準(zhǔn)備行走前狀態(tài)如圖12所示。

圖12 掛籃準(zhǔn)備行走前狀態(tài)

掛籃行走時(shí)，需保持主桁架同步向前行進(jìn)，掛籃行進(jìn)時(shí)根據(jù)軌道上刻畫好的尺寸，主桁前后位置偏差最大不得大于10cm。掛籃行走過程中，應(yīng)派人巡視是否有模板吊桿與混凝土或鋼筋有刮碰現(xiàn)象。

本項(xiàng)目中，考慮到箱梁綁扎鋼筋施工方便，內(nèi)模不需與掛籃同步行走的，因此，施工過程中將內(nèi)模用兩臺2t以上手拉葫蘆拉出就位。解除內(nèi)滑梁尾端滾動吊具錨固，移動滾動吊具到預(yù)留孔處，重新穿吊桿，等待下一次行走。由此完成第一次行走，如圖13所示。

圖13 掛籃行走到位

4.4 掛籃的高效拆除

在本項(xiàng)目中，所有的懸臂式混凝土都已澆筑完成，吊籃可以被拆除。首先，在橫梁頂部的四個葫蘆將被用來提升下籃，拆除前后懸掛帶，然后將下籃降到地面。外層模板也應(yīng)采用將整個模板降至地面并拆除的方法進(jìn)行拆除。拆除箱體的內(nèi)模板后，應(yīng)手動將其移至梁頂，然后吊至地面?；@子的上半部分是用起重機(jī)拆卸的。包括支撐梁、支撐及其平腿、主梁及其平腿、前后梁、前梁、中梁和后梁、前后腿和走道等。整個過程中，基于BIM技術(shù)進(jìn)行拆除的可行性分析，有效地規(guī)避了施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

本研究針對渡槽施工過程中，存在的安全風(fēng)險(xiǎn)高、管理模式粗放等問題，提出了基于BIM的扁平型疊箱式剛構(gòu)渡槽掛籃智能化設(shè)計(jì)及高效施工管理方法。

(1)針對紅水河渡槽的施工項(xiàng)目的概況和重難點(diǎn)，總結(jié)了BIM技術(shù)的特點(diǎn)及其在掛籃施工中的應(yīng)用價(jià)值，形成了BIM技術(shù)與掛籃設(shè)計(jì)施工的融合機(jī)理，為施工過程的高精度管理提供了理論支撐；

(2)針對兩類掛籃(三角掛籃和菱形掛籃)，形成了基于BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，并建立的相應(yīng)的族庫和五類關(guān)鍵系統(tǒng)，為類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供了參考；

(3)面向施工全過程，建立了BIM技術(shù)驅(qū)動智能化管控機(jī)制。在該機(jī)制中實(shí)現(xiàn)了掛籃拼裝、行走和拆除的高效精準(zhǔn)實(shí)施。

本研究形成的理論方法為提高了施工過程安全、質(zhì)量管理的信息化水平，保證了施工的精度和效率，為類似的工程實(shí)踐提供了可靠的參考。