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      基于BIM技術(shù)的市政工程智慧建造技術(shù)研究

      2021-03-19 01:27:20羅利袁弘毅李巖松劉欽佩王偉
      四川建筑 2021年6期
      關(guān)鍵詞:拱橋管廊橋梁

      羅利 袁弘毅 李巖松 劉欽佩 王偉

      文章研究了BIM 技術(shù)在大型市政工程施工中的應(yīng)用方法,探索BIM 技術(shù)在市政橋梁、城市綜合管廊工程智慧建造中的應(yīng)用與實踐。采用 Revit軟件建立了橋梁及綜合管廊模型,應(yīng)用Midas Civil進行結(jié)構(gòu)分析,利用TEKLA軟件進行橋梁鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計,并采用Navisworks軟件進行了施工模擬及軟硬空間碰撞檢測等。創(chuàng)新開發(fā)了聯(lián)動鋼構(gòu)件精加工技術(shù),模擬全橋現(xiàn)場拼裝過程,保證施工安全可靠。采用BIM+高精全站儀的空間測量模式,提高了測量精度及測量效率。通過BIM技術(shù)在市政橋梁與管廊施工中的成功應(yīng)用,積累了市政工程智慧建造成功經(jīng)驗,為類似工程提供參考。

      BIM; 市政工程; 綜合管廊; 景觀橋梁; 智慧建造

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      [定稿日期]2021-03-12

      [作者簡介]羅利(1978~),男,本科,高級工程師,從事市政道路、橋梁方面的技術(shù)管理工作。

      大型市政工程具有點多面廣、專業(yè)分項多、工程總占地面積大、施工分散、工程量大、工期緊等特點,同時需與城市景觀相協(xié)調(diào),營造美好環(huán)境,為此對市政構(gòu)筑物的施工建造提出了更高要求。BIM(Building Information Model,三維建筑信息模型)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ),集成了建設(shè)工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型[1]。通過三維建筑模型,可實現(xiàn)工程監(jiān)理、物業(yè)管理、設(shè)備管理、數(shù)字化加工、工程化管理等功能,被業(yè)界視為繼CAD 之后建筑行業(yè)的第二次革命[2]。BIM 技術(shù)在建筑領(lǐng)域起步較早,且已取得了一定的成效,但在市政工程領(lǐng)域的應(yīng)用和研究卻相對較少。本文結(jié)合天府新區(qū)創(chuàng)意路等五個項目中蠟梓路跨貓貓溝橋、科智路跨貓貓溝橋、科學(xué)城北路東段跨鹿溪河大橋及大型多艙綜合管廊工程探索BIM技術(shù)在市政工程智慧建造的應(yīng)用實踐。

      1 工程概況

      天府新區(qū)創(chuàng)意路等五個項目,位于成都市天府新區(qū),工程包括市政道路、景觀橋梁、綜合管廊等,道路全長4 871 m,景觀橋梁共三座。其中上承式空腹鋼筋混凝土五跨連續(xù)拱橋位于興隆湖東側(cè)貓貓溝濕地公園,橋梁長315 m,寬40 m,采用鋼筋混凝土擴大基礎(chǔ)。橋梁與貓貓溝河道景觀融為一體,與公園城市、人文情懷和融統(tǒng)一盛景(圖1)。

      科智路跨貓貓溝橋為水滴形拱梁分離系桿拱橋,橋梁全長160 m。橋梁主橋為拱圈凈跨2×65.666 m的水滴狀異型鋼箱系桿拱橋,主拱肋為異型變截面拱圈,兩側(cè)拱圈在拱頂交匯后繼續(xù)往下彎至橋面處交匯,形成水滴狀(圖2)。

      魚腹式雙曲面鋼結(jié)構(gòu)智慧生態(tài)大橋大橋位于鹿溪智谷濕地公園內(nèi),跨越現(xiàn)狀鹿溪河景觀帶,大橋長390 m,寬43~49 m,橋梁采用變高變寬魚腹式雙曲面鋼結(jié)構(gòu),平面為弧線布置,橋墩采用Y型圓弧橋墩,共分為9跨。橋面設(shè)置休憩觀景空間,流線型的設(shè)計如行云流水一般,簡潔輕盈,與鹿溪智谷景觀形成完美和諧的統(tǒng)一(圖3)。

      科學(xué)城北路東段綜合管廊總長3 913 m,最大截面為15.2 m×4.35 m,目前為全國最大斷面單層多艙綜合管廊。分別有單艙、兩艙、三艙、四艙和五艙5種斷面,包括天然氣艙、綜合艙、高壓電力艙和雨污水艙等4種艙體。

      2 項目重難點

      (1)管廊施工場地范圍廣,土方挖填量大,預(yù)埋件數(shù)量多、預(yù)埋件安裝精度高。

      (2)水滴形拱梁分離系桿拱橋結(jié)構(gòu)形式全國首創(chuàng),鋼箱梁體量大加工制作精度要求高,水滴拱多點定位同步合龍安裝難度大。

      (3)五連拱拱橋原設(shè)計施工順序不合理,拱肋在懸臂狀態(tài)下澆筑上部掛梁,豎向荷載、水平推力大,對支架力學(xué)要求高。

      (4)現(xiàn)場施工障礙多,地塊交叉施工多,進度管理難度大。

      3 BIM技術(shù)在大型市政工程智慧建造中的應(yīng)用

      3.1 BIM工作組織與策劃

      (1)BIM實施范圍:以三座景觀橋梁、科學(xué)城北路東段管廊管廊模型為載體開展項目的BIM綜合應(yīng)用與實踐。

      (2)應(yīng)用目標:通過發(fā)現(xiàn)圖紙問題、工程量分析、碰撞檢測、工藝模擬、場地模擬等BIM技術(shù)的應(yīng)用,以數(shù)字化、信息化和可視化的方式提升項目建設(shè)水平,做到精細化管理。同時,以項目為試點,培養(yǎng)企業(yè)BIM人才,組建優(yōu)秀BIM團隊。通過BIM系統(tǒng)的部署,建立配套的管理體系,包括BIM標準、流程、制度、架構(gòu)、競爭體系等。

      (3)組織結(jié)構(gòu):項目設(shè)1名BIM負責人,負責管理BIM土建組、BIM機電組、BIM造價組、協(xié)同平臺組四個小組。

      (4)軟硬件配置:配備BIM臺式電腦2臺,筆記本電腦2臺;軟件主要分為BIM建模軟件、BIM應(yīng)用軟件、協(xié)同應(yīng)用平臺三大類,具體配置如表1。

      3.2 BIM應(yīng)用實踐

      BIM技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面:其一,模型搭建展示。其二,施工流程優(yōu)化管理。橋梁工程及綜合管廊施工中的應(yīng)用的主要內(nèi)容包括三點,分別是三維建模、場地布置以及施工模擬[3]。

      3.2.1 模型創(chuàng)建

      在三維建模中,BIM人員以工程設(shè)計圖紙為依據(jù),搭建三維立體模型[3]。通過創(chuàng)建三座景觀橋梁、科學(xué)城北路東段管廊管廊模型及相應(yīng)的項目場地布置模型,依據(jù)模型對橋梁工程及管廊工程的整體結(jié)構(gòu)以及工程占地情況進行充分掌握。其中水滴形拱梁分離系桿拱橋上部結(jié)構(gòu)建模精度須達到LOD400,其余二座景觀橋梁、管廊與場地模型精度須達到LOD300。項目模型劃分為土建模型、機電模型、鋼結(jié)構(gòu)模型(圖4)。

      3.2.2 BIM基礎(chǔ)應(yīng)用

      3.2.2.1 圖紙審查

      對于復(fù)雜橋梁、大型綜合管廊等結(jié)構(gòu)物,在設(shè)計時往往由于各分項工程設(shè)計師之間溝通不夠及時充分,導(dǎo)致出現(xiàn)相互之間的碰撞問題。因此,圖紙審核是復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工中的重點內(nèi)容。采用BIM技術(shù)可以大大提高施工圖審核的效率和效果,通過BIM模型在建造前對各分項工程的碰撞問題進行協(xié)調(diào)分析,生成碰撞數(shù)據(jù),使得設(shè)計與施工緊密結(jié)合。通過科學(xué)城北路東段跨鹿溪河大橋BIM模型,發(fā)現(xiàn)圖紙重大問題3項,與設(shè)計及時溝通并得到支撐,減少施工損失27萬元,如圖5所示。

      3.2.2.2 模型深化

      根據(jù)模型的使用范圍采取建立不同精度的模型,確定各類別構(gòu)件拆分要求和精細度要求,避免過度建模。通過管廊全專業(yè)模型的建立,提前發(fā)現(xiàn)土建、機電碰撞問題;針對管廊預(yù)埋件安裝精度高,深化預(yù)埋件安裝圖紙,確定每一個機電支架位置,保證其安裝精度。五連拱Y型墩柱至下而上每根環(huán)形箍筋尺寸都在變化,利用BIM模型對箍筋逐根放樣,確保箍筋尺寸精確。魚腹式鋼結(jié)構(gòu)橋異型墩柱采用定型鋼模板,鋼模板在加工過程中采用BIM模型進行了輔助放樣,有效提高了模板尺寸的精確性(圖6)。

      3.2.2.3 BIM+無人機應(yīng)用

      管廊施工存在區(qū)域線路長,周邊既有道路少,工期緊張,多點同時開工等難題。在管廊施工前,使用高精度無人機采用傾斜攝影技術(shù),對地形、地貌進行勘測,測定原始高程數(shù)據(jù),進行實景建模,對模型進行抓取,明確場地平整挖填方量,選取最優(yōu)施工便道,提高測量工作效率。采用無人機傾斜攝影技術(shù),結(jié)合BIM模型,突破時空限制,實現(xiàn)未來產(chǎn)品與現(xiàn)狀地形的無縫對接,優(yōu)化臨設(shè)布置和設(shè)計方案(圖7)。

      3.2.2.4 三維場地布置

      管廊區(qū)域現(xiàn)場施工障礙多,拆遷工作量大,地塊交叉施工多,施工場地狹窄,利用三維模擬周邊環(huán)境與項目部的空間關(guān)系,綜合考慮場地布置的制約因素。合理規(guī)劃項目部、鋼筋加工棚、安全體驗區(qū)、1∶1地下綜合管廊模型區(qū)等區(qū)域,最大限度地滿足文明施工安全生產(chǎn)要求(圖8)。

      3.2.2.5 三維可視化交底

      綜合管廊進行1∶1三維建模,通過BIM模型對各預(yù)埋件、各部位進行詳細展示,現(xiàn)場工人可按此施工;對科智路跨貓貓溝拱梁分離系桿拱橋,橋面吊裝進行動畫演示,工人對橋面拼接順序進行掌握,提供施工時的溝通效率。通過BIM模型對各預(yù)埋件、各部位進行詳細展示,對現(xiàn)場管理人員進行技術(shù)交底。

      3.2.2.6 協(xié)同平臺

      將橋梁工程、綜合管廊工程等BIM模型集成于該平臺,由技術(shù)、工程、質(zhì)量、安全等多系統(tǒng)在施工全過程實施BIM協(xié)同管理[4](圖9)。

      3.3 基于BIM技術(shù)的創(chuàng)新與實踐

      3.3.1 聯(lián)動鋼構(gòu)件精加工

      科智路跨貓貓溝拱梁分離系桿拱橋,其結(jié)構(gòu)形式為全國首創(chuàng),空間異形節(jié)點結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對其施工圖進行深化,依據(jù)深化圖紙進行鋼構(gòu)件精確加工下料,使構(gòu)件加工和安裝精度滿足要求。

      (1)基于建立的LOD400Revit模型導(dǎo)入3DS Max進行可視化模擬,后場加工和現(xiàn)場安裝人員進行充分討論和規(guī)劃精加工技術(shù)路線,發(fā)現(xiàn)錯漏并避免材料浪費(圖10)。

      (2)利用BIM模型導(dǎo)入Midas和Ansys進行有限元分析,完成成橋階段內(nèi)力和應(yīng)力驗算,以及重要節(jié)點受力分析,保證鋼構(gòu)件拼裝方案的合理性和實施過程安全(圖11)。

      (3)有限元軟件分析過程結(jié)果反饋回BIM模型進行深化設(shè)計,采用學(xué)思自動套料軟件實現(xiàn)加工精準提料,結(jié)合SigmaNEST軟件數(shù)控技術(shù)對鋼構(gòu)件進行精加工。

      (4)模擬全橋現(xiàn)場拼裝過程,保證施工順序安全可靠(圖12)。

      3.3.2 基于BIM技術(shù)的漸變截面斜鋼拱精準測量

      水滴型拱屬于漸變截面,且多肋交會合攏到中間水滴結(jié)構(gòu),測量精度要求高,采用傳統(tǒng)的坐標系-投影測量方式無法滿足精度要求,且效率低下。為保證測量精度及提高測量效率,在測量過程中采用BIM+高精全站儀的空間測量模式[5]。主拱結(jié)構(gòu)利用CAD 3D3S將曲線方程控制的斜拱軸線擬合,再根據(jù)設(shè)計提供的數(shù)據(jù)參數(shù)化建立漸變截面雙曲五邊形斜拱弧形輪廓,模型與設(shè)計建筑模型合模修正。并根據(jù)施工過程的荷載參數(shù)增加預(yù)拱值,得到主拱結(jié)構(gòu)施工控制模型。

      3.3.3 五連拱拱橋施工方案模擬

      原設(shè)計施工順序為從墩頂向兩側(cè)對稱施工三分之一拱肋的“Y”型澆筑方式,然后在拱肋懸臂狀態(tài)下直接施工掛梁,最后再合攏拱圈。該設(shè)計方案要求拱肋支架必須一次性搭設(shè)完畢。而拱肋及掛梁荷載對支架要求極高,任何變形及沉降均會使拱肋提前受力導(dǎo)致開裂,影響結(jié)構(gòu)安全。通過Revit模型接入MidasCivil進行方案比選分析[6],決定采用先合龍完整拱,再施工頂部掛梁的施工順序(圖13)。

      反復(fù)施工模擬后確定如下施工順序:

      (1)下部結(jié)構(gòu)澆筑,增加橋墩回填土高度以提高橋墩側(cè)向抗推能力防止拱腳在施工中因非對稱力而破壞。

      (2)回填土表層硬化,逐層搭建盤扣式腳手架,搭設(shè)模板,沿兩側(cè)橋墩向中間分段澆筑混凝土,合攏成拱。

      (3)拱圈上縱向間距預(yù)埋鋼筋,然后澆筑“臺階狀混凝土”,為掛梁支架的施工提供可靠水平支撐面,以保證施工安全”。

      (4)搭建掛梁支架,依次鋪設(shè)工字鋼、圓鋼管、方木和模板,并澆筑掛梁混凝土,直至完成全橋。

      優(yōu)化工序后拱肋先合攏形成穩(wěn)定的拱圈結(jié)構(gòu),有效規(guī)避結(jié)構(gòu)安全風險。原方案所需的支架體系需一次性投入約5 000 t,工序優(yōu)化后先形成拱圈,可單跨組織施工,支架體系多次重復(fù)周轉(zhuǎn)使用,減少支架投入約1 700 t,效果顯著。

      4 結(jié)束語

      該項目包含了典型市政項目的所有特征,施工范圍內(nèi)障礙物多、施工區(qū)域狹窄、工期緊、文明施工要求高等。利用無人機技術(shù)與三維場布模型對施工便道、施工場地合理規(guī)劃解決了施工區(qū)域狹窄等問題。利用仿真分析與數(shù)控加工等手段解決了系桿拱橋拱肋吊裝分段劃分以及異形鋼構(gòu)件精加工難題,節(jié)約了鋼材并保障施工安全;利用仿真分析驗證五連拱拱橋調(diào)整的施工方案,以此作為支撐確保了方案可行性。通過BIM技術(shù)的應(yīng)用,大量減少了綜合管廊機電安裝管道、設(shè)備之間的碰撞,提高了橋梁鋼結(jié)構(gòu)加工制作精度。項目實施中全過程質(zhì)量安全在線管理,極大地提高了施工效率,通過BIM管理節(jié)約成本237萬元,節(jié)約工期60 d。

      參考文獻

      [1] 李若濤.基于BIM技術(shù)的矮塔斜拉橋智慧建造應(yīng)用研究[J].建筑建材裝飾.2018(12):61-62.

      [2] 張建平,李丁,林佳瑞,顏鋼文.BIM在工程施工中的應(yīng)用[J].鐵道標準設(shè)計,2012,41(371):10-11.

      [3] 藺文峰.基于BIM技術(shù)的橋梁可視化施工應(yīng)用探討[J].人民交通.2018(14):55-56.

      [4] 趙洋帆.BIM技術(shù)在城市綜合管廊建設(shè)中的應(yīng)用探討[J].建材發(fā)展導(dǎo)向,2019(5):188.

      [5] 謝興定,王振宇.高速鐵路系桿拱橋BIM技術(shù)研究[J].價值工程,2018,37(18):163-165.

      [6] 陳家勇,賴亞平,肖奎等.景觀橋梁BIM設(shè)計及應(yīng)用實踐—以合川渠江景觀大橋為例[J].公路工程2018,43(6):102-107.

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