田文攀, 高新聞, 吳惠明

(1. 上海大學(xué)-上海城建建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心， 上海 200072; 2. 上海大學(xué)土木工程系， 上海 200072;3. 上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院， 上海 200072； 4. 上海隧道工程股份有限公司， 上海 200030)

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基于BIM的預(yù)制管片堆場存儲與定位研究

田文攀1, 2, 高新聞1, 3, 吳惠明4

(1. 上海大學(xué)-上海城建建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心， 上海 200072; 2. 上海大學(xué)土木工程系， 上海 200072;3. 上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院， 上海 200072； 4. 上海隧道工程股份有限公司， 上海 200030)

針對上海地區(qū)預(yù)制管片堆場堆放層數(shù)不確定、堆場布局混亂、管片定位查找困難等問題,將有限元法(FEM)和建筑信息模型(BIM)技術(shù)相結(jié)合，通過對管片堆放層數(shù)仿真分析與管片定位研究，以期找到解決這些問題的方法。為此，先采用Abaqus有限元軟件對預(yù)制管片堆場進(jìn)行數(shù)值模擬以確定預(yù)制管片堆場每個堆位的管片堆放層數(shù)，再通過Revit、Navisworks等BIM軟件對預(yù)制管片堆場進(jìn)行虛擬布局。在此基礎(chǔ)上提出一種基于BIM的混堆模式預(yù)制管片堆場定位新方法，該方法以BIM模型為核心，通過與二維碼物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和龍門吊智能化控制系統(tǒng)相結(jié)合來建立數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與融合，從而實(shí)現(xiàn)在BIM終端三維可視化界面下對堆場中的預(yù)制管片進(jìn)行精確定位查找與龍門吊最優(yōu)路線運(yùn)輸作業(yè)。

預(yù)制管片； 有限元法(FEM)； BIM技術(shù)； 混堆模式

0 引言

預(yù)制管片堆場是城市地鐵管片的主要儲存場所，關(guān)系到管片的儲存、吊裝、運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)，堆場的布局直接影響預(yù)制管片廠的運(yùn)作效率。目前，由于各生產(chǎn)企業(yè)管片生產(chǎn)數(shù)量較多，加之上海地區(qū)土地資源稀缺，管片場地布局混亂，多余管片只能插空堆放，無法對管片進(jìn)行系統(tǒng)編碼來進(jìn)行精確定位查找。

國內(nèi)外學(xué)者在管片堆場存儲定位方面的研究較少，大部分偏重于研究管片預(yù)制生產(chǎn)過程。國外方面，VMT公司開發(fā)的文件系統(tǒng)(SDS)[1]從信息管理角度進(jìn)行場地規(guī)劃并專注于分析管片從綁扎鋼筋到管片運(yùn)輸全生命周期的生產(chǎn)信息采集過程；文獻(xiàn)[2-3]從管片力學(xué)角度出發(fā)，注重分析纖維混凝土管片在支模、存儲、運(yùn)輸、拼裝期間的力學(xué)響應(yīng)，解決了纖維混凝土管片在堆場存儲期間的一系列力學(xué)問題；文獻(xiàn)[4]通過考慮動載荷條件的影響，對管片在吊裝、存儲、拼裝期間的受力情況進(jìn)行了更深入的研究。國內(nèi)方面，文獻(xiàn)[5]構(gòu)建了基于BIM的三維可視化盾構(gòu)施工平臺，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工過程的可視化；文獻(xiàn)[6-7]將優(yōu)化方案與仿真分析相結(jié)合進(jìn)行集裝箱場地布局優(yōu)化，對于分析管片堆場布局有一定借鑒意義。上述研究成果或者從力學(xué)角度出發(fā)或者從信息化角度出發(fā)，分析方法相對單一。本文立足于管片堆場定位研究，把有限元法(FEM)與建筑信息模型(BIM)相結(jié)合，嘗試對管片堆場進(jìn)行布局優(yōu)化，做到在三維可視化角度下精確定位管片所在位置，提高管片堆場的運(yùn)作效率。

1 有限元法(FEM)確定堆放層數(shù)

合理的堆放層數(shù)不僅方便龍門吊吊裝運(yùn)輸，而且可有效提高堆場空間利用率。預(yù)制管片堆放層數(shù)的確定以2016年5月開建的上海軌道交通18號線管片為研究對象，其管片類型為上海軌道交通普遍采用的類型——外徑6 600 mm、內(nèi)徑5 900 mm、厚度350 mm。整環(huán)管片由6塊組成，分為1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L)、2塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B)和1塊拱底塊(D)(如圖1所示)。

圖1 軌道交通18號線整環(huán)劃分參數(shù)

1.1 實(shí)際堆放時的管片力學(xué)分析

規(guī)范《預(yù)制混凝土襯砌管片生產(chǎn)工藝技術(shù)規(guī)程》[8]明確規(guī)定，相鄰管片之間的墊木應(yīng)在一條直線上。然而，在實(shí)際堆放時(如圖2所示)受人為、龍門吊等因素的影響，相鄰管片之間的墊木不可避免會產(chǎn)生偏差ex從而使管片產(chǎn)生不必要的彎矩My。隨著堆放層數(shù)的增加，當(dāng)管片下部受拉區(qū)混凝土強(qiáng)度大于其抗拉強(qiáng)度ft時，混凝土將由彈性階段轉(zhuǎn)為塑性階段，混凝土處于開裂狀態(tài)。開裂后的管片不能保證管片拼裝時的力學(xué)性能。為保證盾構(gòu)施工期間管片拼裝時力學(xué)性能不受影響，在堆放期間管片不應(yīng)有產(chǎn)生裂縫的可能性，也就是說，應(yīng)該使混凝土結(jié)構(gòu)處于彈性階段。

圖2 偏心影響下的管片堆放情況(單位： mm)

Fig. 2 Segment stacking state under influence of eccentricity(mm)

在管片儲存時，底層管片放置在固定的混凝土樁上，墊木軸線到混凝土樁軸線之間的偏心率e0=e1，而第2層管片上下墊木軸線之間的偏心率e0=e1+e2(如圖3所示)?？紤]最不利載荷因素條件知第2層管片所受彎矩最大。實(shí)際在管片堆存過程中，受施工工人操作不確定因素的影響，偏心率e0并不是固定值，調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，管片堆放期間e1、e2的偶然值接近0.1[2]。為評估管片在不同偏心率條件下管片的力學(xué)響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)取偏心率e1=e2，數(shù)值為0.1、0.15、0.20、0.25 m[3]時進(jìn)行分析，以便有利于獲取混凝土開裂時的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對比分析來預(yù)測管片的實(shí)際堆放層數(shù)。

圖3 第2層管片受力情況

現(xiàn)以管片堆放8層時為例，說明其受力分析過程。取第2層管片進(jìn)行受力分析(e1=e2=0.25 m，L0=1.6 m)，頂部4層管片為鄰接塊(L)，底部4層管片為標(biāo)準(zhǔn)塊(B)?？紤]吊裝過程中動載荷系數(shù)(取1.4)，實(shí)驗(yàn)測得標(biāo)準(zhǔn)塊自重為38.91 kN,鄰接塊自重為39.96 kN，則:

F=(38.96×4+38.91×3)×1.4=381.60 kN。

均布自重W=38.91×1.4/3.55=15.35 kN/m。

V=F+(W×0.775)=381.60+(15.35×0.775)=393.50 kN。

M=F×0.2+(W×0.9752)/2=381.60×0.2+15.35×0.9752/2=83.62 kN·m。

上海軌道交通18號線生產(chǎn)的管片類型分淺埋管片、中埋管片、深埋管片、超深埋管片4種，不同類型管片的主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 4種管片類型的力學(xué)參數(shù)

1.2 Abaqus的管片堆放層數(shù)仿真分析

Abaqus有限元仿真軟件對鋼筋混凝土非線性問題有超強(qiáng)的分析能力，其自帶的本構(gòu)模型——損傷塑

性模型[9-10]能很好地模擬混凝土材料的抗拉、抗壓性能。基于此，采用Abaqus對上海軌道交通18號線預(yù)制管片進(jìn)行仿真分析。管片混凝土結(jié)構(gòu)采用損傷塑性模型，其本構(gòu)模型參數(shù)通過《混凝土設(shè)計規(guī)范》換算得來。

管片按照上海市隧道工程交通設(shè)計院設(shè)計圖紙進(jìn)行建模操作，混凝土強(qiáng)度等級采用C55，管片鋼筋采用HRB400、HPB300鋼筋，外露鐵件采用防腐處理，抗?jié)B等級大于P10，仿真時按照現(xiàn)實(shí)情況中管片逐層累計堆放方式來施加載荷(考慮動載荷因素)，利用載荷振幅建立加載規(guī)律[11]。隨著管片(淺埋管片)堆積層數(shù)的增加(設(shè)此時堆放層數(shù)為n)，以第2層管片下部中央受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫時(混凝土由彈性階段轉(zhuǎn)為塑性階段)為臨界值，此時實(shí)際堆放層數(shù)N=n-1。

從預(yù)制管片應(yīng)力云圖(如圖4所示)中獲取淺埋管片受拉區(qū)在不同偏心條件下中心位置應(yīng)力大小與時間步的關(guān)系圖，如圖5所示?？梢钥闯?，淺埋管片在偏心率最大情況下e0=0.5時，管片堆放到第9層時管片混凝土出現(xiàn)開裂，此時管片的堆放層數(shù)為N=n-1=9-1=8(層)。在偏心率e0=0.4和0.3條件下管片堆放層數(shù)分別為10層和13層。需要特別注意的是，當(dāng)偏心率e0=0.2時，管片堆放到17層時管片中部受拉區(qū)混凝土雖然未出現(xiàn)裂縫，但此時管片與墊木接觸位置處混凝土已被壓裂，管片在墊木支座處所受的壓應(yīng)力已超過混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，此時管片的堆放層數(shù)為16層。

圖4 淺埋管片應(yīng)力云圖(e0=0.5)

從管片塑性區(qū)域分布圖(如圖6所示)可以看出： 1)在墊木與管片接觸位置混凝土的塑性應(yīng)變值最大，混凝土提前開裂，故為保證接觸位置管片不出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，可采用抹布對墊木進(jìn)行包裹處理來增加與管片底部的接觸面積。2)因?yàn)楣芷逊艜r偏心距的存在，在彎矩的影響下，下部中央?yún)^(qū)域較其他區(qū)域(不考慮管片與墊木接觸時的應(yīng)力集中現(xiàn)象)提前出現(xiàn)開裂。由此可以得出如下結(jié)論： 管片與墊木接觸位置和管片下部中央受拉區(qū)是管片容易開裂的薄弱區(qū)域，合理的堆放層數(shù)可以保證儲存過程中的管片不出現(xiàn)裂縫。

每層載荷時間步為500 s。

圖5 不同偏心條件下管片應(yīng)力與時間步的關(guān)系圖

Fig. 5 Relationships between segment stress and time step under different eccentricities

歸納總結(jié)上下偏心距和塔吊動載荷影響下4種類

型管片(淺埋管片、中埋管片、深埋管片、超深埋管片)的仿真分析結(jié)果，得出不同類型預(yù)制管片在不同偏心作用下的堆放層數(shù)(如圖7所示)。

2 基于BIM的混堆模式下的堆場定位研究

2.1 目前管片堆場布局現(xiàn)狀

不同類型的管片堆放層數(shù)確定以后就可以對堆場進(jìn)行精細(xì)化布局模擬優(yōu)化。目前上海地區(qū)管片堆場布局規(guī)劃分混合堆放和分區(qū)堆放2種模式?；旌隙逊拍Ｊ较聸]有嚴(yán)格的場地劃分功能，各類管片插空堆放；分區(qū)堆放下按照管片類型(淺埋管片、中埋管片、深埋管片、超深埋管片)進(jìn)行分區(qū)堆放管理。管片2種堆放模式比較如表2所示?？梢钥闯?，2種傳統(tǒng)堆放模式各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，并不能滿足目前管片堆場布局規(guī)劃的要求。找到一種既能充分利用空缺堆位，又能快速查找所需管片的位置，是目前堆場需要解決的問題。

圖6 淺埋管片塑性區(qū)域分布圖(e0=0.5)

2.2 提出管片堆場定位新方法

本文結(jié)合BIM (building information modeling)技術(shù)，提出一種基于BIM的混堆模式，目的是將BIM三維可視化方法[9]運(yùn)用到混堆模式中，結(jié)合智能化控制和二維碼物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)制管片堆場精細(xì)化定位布局管理?；贐IM的混堆模式包含2層含義： 1)繼續(xù)采用混堆模式是為了充分利用空缺堆位，提高堆位利用率； 2)運(yùn)用BIM技術(shù)把管片構(gòu)件BIM模型數(shù)據(jù)庫與生產(chǎn)廠管片自身數(shù)據(jù)庫相融合，在三維可視化視角下查看運(yùn)入管片所需的空閑堆位和運(yùn)出管片所在的具體堆位，方便龍門吊和叉車進(jìn)行定位裝卸作業(yè)，提高整個管片堆場的作業(yè)效率。

2.3 對管片堆場進(jìn)行編碼布局

預(yù)制管片堆場管理系統(tǒng)以上海市下沙2號堆場為研究對象進(jìn)行預(yù)制管片堆場布局優(yōu)化[11]，2號堆場面積為120×100 m2。用Revit仿真軟件進(jìn)行堆場布局優(yōu)化，如圖8所示。

為方便車輛、叉車吊裝運(yùn)輸，把堆場劃分為12個堆區(qū)，每個堆區(qū)堆放600塊管片。為了施工人員進(jìn)入堆場進(jìn)行管片二維碼掃描數(shù)據(jù)提取，堆位之間的間距取0.8 m。根據(jù)上文確定的管片堆放層數(shù)并綜合考慮龍門吊高度約束和施工的安全性，4種管片類型全部按照每個堆位堆放8層(下部4層為標(biāo)準(zhǔn)塊，上部4層為鄰接塊)進(jìn)行堆放，不同堆位之間采用混堆模式(不同堆位可堆放不同類型的管片)，堆場橫向從1—60進(jìn)行編碼，縱向堆區(qū)從A到C編號，每個堆區(qū)縱向從A到E編號，每個堆位管片的堆放層數(shù)從1到8編號。例如堆位編碼可為BB-2-1、CD-25-3、BA-31-8。

2.4 管片堆場定位系統(tǒng)架構(gòu)

管片堆場數(shù)據(jù)庫由管片進(jìn)入堆場數(shù)據(jù)庫、管片運(yùn)出堆場數(shù)據(jù)庫、BIM子模型庫、龍門吊裝卸系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫4部分構(gòu)成。在管片堆場的施工人員通過掃描貼在管片上的二維碼進(jìn)行堆場數(shù)據(jù)庫的錄入，系統(tǒng)以BIM模型庫為核心建立數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與融合，通過與二維碼物聯(lián)網(wǎng)編碼和龍門吊智能化控制系統(tǒng)相結(jié)合來建立數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與融合，通過BIM 終端三維可視化界面查看堆場管片的布局情況，進(jìn)而指導(dǎo)龍門吊師傅進(jìn)行管片裝卸作業(yè)。管片堆場數(shù)據(jù)庫架構(gòu)如圖9所示。

(a) 淺埋管片

(b) 中埋管片

(c) 深埋管片

(d) 超深埋管片

Fig. 7 Stacking layers of four types of segments under different eccentricities

表2 管片2種堆放模式比較

圖8 管片堆場布局優(yōu)化

圖9 管片堆場數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

2.4.1 二維碼數(shù)據(jù)層

管片堆場數(shù)據(jù)庫通過掃描二維碼采集信息[12]，二維碼與RFID芯片[13]相比因成本低、譯碼能力強(qiáng)、方便掃描等優(yōu)點(diǎn)在預(yù)制構(gòu)件廠廣泛應(yīng)用。二維碼包含管片的類型、生產(chǎn)日期、交付日期、堆場堆位、材料信息，這些信息構(gòu)成管片唯一的ID編碼，也就是管片的“身份證”，通過手持端掃描儀、手機(jī)、平板掃描管片上的二維碼進(jìn)行管片堆場位置與入庫時間錄入。管片二維碼編碼規(guī)則如圖10所示。

圖10 管片二維碼編碼規(guī)則

由于管片水養(yǎng)、起吊進(jìn)入堆場后還需1周左右的灑水養(yǎng)護(hù)方可外運(yùn)進(jìn)行管片拼裝操作，在網(wǎng)頁端設(shè)置自動推送功能提醒管片堆場施工員定位查找管片進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。若管片需要外運(yùn)時掃描管片上的二維碼，系統(tǒng)會自動刷新堆場堆位信息。以上采集的信息構(gòu)成了管片運(yùn)出和運(yùn)入的數(shù)據(jù)層，通過網(wǎng)頁端管片ID編碼信息的檢索可以快速查找管片所在堆場的具體堆位，具體堆位再通過BIM模型層清晰直觀地呈現(xiàn)在用戶面前，真正實(shí)現(xiàn)管片堆場三維可視化定位管理。掃描二維碼獲取預(yù)制管片信息如圖11所示。

圖11 掃描二維碼獲取預(yù)制管片信息

2.4.2 BIM模型層

BIM技術(shù)不是僅用來建立可視化模型，BIM核心技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)全生命周期中的信息共享。預(yù)制管片堆場布局管理系統(tǒng)把通過二維碼掃描得到的管片ID信息數(shù)據(jù)庫通過數(shù)據(jù)融合機(jī)制實(shí)現(xiàn)與BIM模型數(shù)據(jù)庫之間的信息轉(zhuǎn)換，通過BIM數(shù)據(jù)集成實(shí)現(xiàn)IFC模型數(shù)據(jù)[14-15]讀取、提取、顯示等。通過IFC模型數(shù)據(jù)讀取調(diào)用BIM子模型零件庫中對應(yīng)組件(如： 標(biāo)準(zhǔn)塊B1、B2，鄰接塊L1、L2)，按照事先編碼規(guī)律進(jìn)行虛擬堆場布局，在終端可視化界面可查看已滿堆位和空缺堆位。對于已滿堆位，通過輸入二維碼編碼信息可精確定位到具體堆位位置(如圖12紅色區(qū)域)，再通過龍門吊吊裝系統(tǒng)應(yīng)用層的最優(yōu)路線選取來進(jìn)行吊裝運(yùn)輸作業(yè)。

圖12 Revit三維可視化管片精確查找

2.4.3 龍門吊吊裝應(yīng)用層

通過BIM三維可視化精確定位到所需管片后還需要龍門吊進(jìn)行管片吊裝運(yùn)輸，不同管片所在的堆位不同導(dǎo)致龍門吊產(chǎn)生迂回和倒流。龍門吊的運(yùn)輸路線問題關(guān)系管片堆場的整體效率。通過遺傳算法編程建立的龍門吊最優(yōu)路線吊裝系統(tǒng)可以解決不同堆位的管片路線運(yùn)輸問題。

3 結(jié)論與建議

1)在綜合考慮施工安全和龍門吊吊裝高度限制2種客觀因素下得出4種類型管片的堆放層數(shù)以8層為宜(下部4層為標(biāo)準(zhǔn)塊，上部4層為鄰接塊)。

2)針對傳統(tǒng)混堆模式和分區(qū)模式各自存在的缺點(diǎn)，提出基于BIM的混堆模式下的堆場布局規(guī)劃，通過開發(fā)預(yù)制管片堆場管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在BIM三維可視化平臺下達(dá)到精確定位查找管片的目的。

3)開發(fā)的預(yù)制管片堆場管理系統(tǒng)是對已有上海軌道交通預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理系統(tǒng)的補(bǔ)充，平臺通過掃描二維碼進(jìn)行信息采集，并將BIM三維可視化技術(shù)與龍門吊智能算法系統(tǒng)有機(jī)組合在一起，共同實(shí)現(xiàn)基于BIM的三維可視化混堆模式優(yōu)化，可大大提高堆場的整體化、智能化、系統(tǒng)化，對盾構(gòu)隧道管片堆場管理具有一定的指導(dǎo)意義。

本文研究了管片內(nèi)弧面向上的堆放層數(shù)和定位方法，對于側(cè)立堆放的管片因受龍門吊高度限制、編碼困難等問題未做進(jìn)一步分析，建議長時間在堆場儲存的管片采用側(cè)立堆放，側(cè)立堆放時的堆放層數(shù)按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行堆放。

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Analysis of Storage and Positioning of Precast Segments Based on BIM

TIAN Wenpan1, 2, GAO Xinwen1, 3, WU Huiming4

(1.SHU-SUCGResearchCenterforBuildingIndustrialization,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;2.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;3.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;4.ShanghaiTunnelEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200030,China)

The precast segment storage yards in Shanghai have many disadvantages, such as uncertain stacking layers of segment, disordered layout and difficult segment positioning. As a result, finite element method (FEM) and building information model (BIM) technology are adopted. Analysis and study are made on simulation of segment stacking layer number and positioning of segment. The precast segment storage yard is numerically simulated by finite element software Abaqus so as to determine the number of segment stacking layers of every stack. And then the precast segment storage yard is simulated by BIM softwares Revit and Navisworks. Finally, a new segment positioning method based on BIM mixed stacking mode is presented. The above-mentioned method is cored on BIM and uses technology of two-dimensional code internet of things and intellectualized control of gantry crane. In return, accurate positioning of precast segment and the optimal route of transportation and operation of gantry crane showed on 3D visualization interface of BIM terminal can be realized.

precast segment; FEM; BIM technology; mixed stacking mode

2016-11-07；

2017-01-08

田文攀(1993—)，男，河南洛陽人，上海大學(xué)建筑與土木工程專業(yè)在讀碩士，主要研究方向?yàn)槎軜?gòu)BIM技術(shù)開發(fā)應(yīng)用。E-mail: 1668270630@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.013

U 45

A

1672-741X(2017)04-0469-07