基于BIM的預制管片堆場存儲與定位研究

田文攀, 高新聞, 吳惠明

(1. 上海大學-上海城建建筑產業化研究中心， 上海 200072; 2. 上海大學土木工程系， 上海 200072;3. 上海大學機電工程與自動化學院， 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-上海城建建筑產業化研究中心， 上海 200072; 2. 上海大學土木工程系， 上海 200072;3. 上海大學機電工程與自動化學院， 上海 200072； 4. 上海隧道工程股份有限公司， 上海 200030)

針對上海地區預制管片堆場堆放層數不確定、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)技術相結合，通過對管片堆放層數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有限元軟件對預制管片堆場進行數值模擬以確定預制管片堆場每個堆位的管片堆放層數，再通過Revit、Navisworks等BIM軟件對預制管片堆場進行虛擬布局。在此基礎上提出一種基于BIM的混堆模式預制管片堆場定位新方法，該方法以BIM模型為核心，通過與二維碼物聯網技術和龍門吊智能化控制系統相結合來建立數據的轉換與融合，從而實現在BIM終端三維可視化界面下對堆場中的預制管片進行精確定位查找與龍門吊最優路線運輸作業。

預制管片； 有限元法(FEM)； BIM技術； 混堆模式

0 引言

預制管片堆場是城市地鐵管片的主要儲存場所，關系到管片的儲存、吊裝、運輸等關鍵環節，堆場的布局直接影響預制管片廠的運作效率。目前，由于各生產企業管片生產數量較多，加之上海地區土地資源稀缺，管片場地布局混亂，多余管片只能插空堆放，無法對管片進行系統編碼來進行精確定位查找。

國內外學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制生產過程。國外方面，VMT公司開發的文件系統(SDS)[1]從信息管理角度進行場地規劃并專注于分析管片從綁扎鋼筋到管片運輸全生命周期的生產信息采集過程；文獻[2-3]從管片力學角度出發，注重分析纖維混凝土管片在支模、存儲、運輸、拼裝期間的力學響應，解決了纖維混凝土管片在堆場存儲期間的一系列力學問題；文獻[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行了更深入的研究。國內方面，文獻[5]構建了基于BIM的三維可視化盾構施工平臺，實現盾構施工過程的可視化；文獻[6-7]將優化方案與仿真分析相結合進行集裝箱場地布局優化，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角度出發或者從信息化角度出發，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)相結合，嘗試對管片堆場進行布局優化，做到在三維可視化角度下精確定位管片所在位置，提高管片堆場的運作效率。

1 有限元法(FEM)確定堆放層數

合理的堆放層數不僅方便龍門吊吊裝運輸，而且可有效提高堆場空間利用率。預制管片堆放層數的確定以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、內徑5 900 mm、厚度350 mm。整環管片由6塊組成，分為1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L)、2塊標準塊(B)和1塊拱底塊(D)(如圖1所示)。

圖1 軌道交通18號線整環劃分參數

1.1 實際堆放時的管片力學分析

規范《預制混凝土襯砌管片生產工藝技術規程》[8]明確規定，相鄰管片之間的墊木應在一條直線上。然而，在實際堆放時(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生偏差ex從而使管片產生不必要的彎矩My。隨著堆放層數的增加，當管片下部受拉區混凝土強度大于其抗拉強度ft時，混凝土將由彈性階段轉為塑性階段，混凝土處于開裂狀態。開裂后的管片不能保證管片拼裝時的力學性能。為保證盾構施工期間管片拼裝時力學性能不受影響，在堆放期間管片不應有產生裂縫的可能性，也就是說，應該使混凝土結構處于彈性階段。

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)。考慮最不利載荷因素條件知第2層管片所受彎矩最大。實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，調查研究發現，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響應，實驗取偏心率e1=e2，數值為0.1、0.15、0.20、0.25 m[3]時進行分析，以便有利于獲取混凝土開裂時的實驗數據，通過對比分析來預測管片的實際堆放層數。

圖3 第2層管片受力情況

現以管片堆放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層管片為標準塊(B)。考慮吊裝過程中動載荷系數(取1.4)，實驗測得標準塊自重為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參數如表1所示。

表1 4種管片類型的力學參數

1.2 Abaqus的管片堆放層數仿真分析

Abaqus有限元仿真軟件對鋼筋混凝土非線性問題有超強的分析能力，其自帶的本構模型——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號線預制管片進行仿真分析。管片混凝土結構采用損傷塑性模型，其本構模型參數通過《混凝土設計規范》換算得來。

管片按照上海市隧道工程交通設計院設計圖紙進行建模操作，混凝土強度等級采用C55，管片鋼筋采用HRB400、HPB300鋼筋，外露鐵件采用防腐處理，抗滲等級大于P10，仿真時按照現實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律[11]。隨著管片(淺埋管片)堆積層數的增加(設此時堆放層數為n)，以第2層管片下部中央受拉區混凝土出現裂縫時(混凝土由彈性階段轉為塑性階段)為臨界值，此時實際堆放層數N=n-1。

從預制管片應力云圖(如圖4所示)中獲取淺埋管片受拉區在不同偏心條件下中心位置應力大小與時間步的關系圖，如圖5所示。可以看出，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開裂，此時管片的堆放層數為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分別為10層和13層。需要特別注意的是，當偏心率e0=0.2時，管片堆放到17層時管片中部受拉區混凝土雖然未出現裂縫，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力已超過混凝土抗壓強度設計值，此時管片的堆放層數為16層。

圖4 淺埋管片應力云圖(e0=0.5)

從管片塑性區域分布圖(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變值最大，混凝土提前開裂，故為保證接觸位置管片不出現應力集中現象，可采用抹布對墊木進行包裹處理來增加與管片底部的接觸面積。2)因為管片堆放時偏心距的存在，在彎矩的影響下，下部中央區域較其他區域(不考慮管片與墊木接觸時的應力集中現象)提前出現開裂。由此可以得出如下結論： 管片與墊木接觸位置和管片下部中央受拉區是管片容易開裂的薄弱區域，合理的堆放層數可以保證儲存過程中的管片不出現裂縫。

每層載荷時間步為500 s。

圖5 不同偏心條件下管片應力與時間步的關系圖

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

歸納總結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)的仿真分析結果，得出不同類型預制管片在不同偏心作用下的堆放層數(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狀

不同類型的管片堆放層數確定以后就可以對堆場進行精細化布局模擬優化。目前上海地區管片堆場布局規劃分混合堆放和分區堆放2種模式。混合堆放模式下沒有嚴格的場地劃分功能，各類管片插空堆放；分區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)進行分區堆放管理。管片2種堆放模式比較如表2所示。可以看出，2種傳統堆放模式各有自己的優缺點，并不能滿足目前管片堆場布局規劃的要求。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 淺埋管片塑性區域分布圖(e0=0.5)

2.2 提出管片堆場定位新方法

本文結合BIM (building information modeling)技術，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]運用到混堆模式中，結合智能化控制和二維碼物聯網技術實現預制管片堆場精細化定位布局管理。基于BIM的混堆模式包含2層含義： 1)繼續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)運用BIM技術把管片構件BIM模型數據庫與生產廠管片自身數據庫相融合，在三維可視化視角下查看運入管片所需的空閑堆位和運出管片所在的具體堆位，方便龍門吊和叉車進行定位裝卸作業，提高整個管片堆場的作業效率。

2.3 對管片堆場進行編碼布局

預制管片堆場管理系統以上海市下沙2號堆場為研究對象進行預制管片堆場布局優化[11]，2號堆場面積為120×100 m2。用Revit仿真軟件進行堆場布局優化，如圖8所示。

為方便車輛、叉車吊裝運輸，把堆場劃分為12個堆區，每個堆區堆放600塊管片。為了施工人員進入堆場進行管片二維碼掃描數據提取，堆位之間的間距取0.8 m。根據上文確定的管片堆放層數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層為標準塊，上部4層為鄰接塊)進行堆放，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進行編碼，縱向堆區從A到C編號，每個堆區縱向從A到E編號，每個堆位管片的堆放層數從1到8編號。例如堆位編碼可為BB-2-1、CD-25-3、BA-31-8。

2.4 管片堆場定位系統架構

管片堆場數據庫由管片進入堆場數據庫、管片運出堆場數據庫、BIM子模型庫、龍門吊裝卸系統數據庫4部分構成。在管片堆場的施工人員通過掃描貼在管片上的二維碼進行堆場數據庫的錄入，系統以BIM模型庫為核心建立數據的轉換與融合，通過與二維碼物聯網編碼和龍門吊智能化控制系統相結合來建立數據的轉換與融合，通過BIM 終端三維可視化界面查看堆場管片的布局情況，進而指導龍門吊師傅進行管片裝卸作業。管片堆場數據庫架構如圖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 管片堆場布局優化

圖9 管片堆場數據庫架構

2.4.1 二維碼數據層

管片堆場數據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、方便掃描等優點在預制構件廠廣泛應用。二維碼包含管片的類型、生產日期、交付日期、堆場堆位、材料信息，這些信息構成管片唯一的ID編碼，也就是管片的“身份證”，通過手持端掃描儀、手機、平板掃描管片上的二維碼進行管片堆場位置與入庫時間錄入。管片二維碼編碼規則如圖10所示。

圖10 管片二維碼編碼規則

由于管片水養、起吊進入堆場后還需1周左右的灑水養護方可外運進行管片拼裝操作，在網頁端設置自動推送功能提醒管片堆場施工員定位查找管片進行灑水養護。若管片需要外運時掃描管片上的二維碼，系統會自動刷新堆場堆位信息。以上采集的信息構成了管片運出和運入的數據層，通過網頁端管片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在用戶面前，真正實現管片堆場三維可視化定位管理。掃描二維碼獲取預制管片信息如圖11所示。

圖11 掃描二維碼獲取預制管片信息

2.4.2 BIM模型層

BIM技術不是僅用來建立可視化模型，BIM核心技術是實現建筑行業全生命周期中的信息共享。預制管片堆場布局管理系統把通過二維碼掃描得到的管片ID信息數據庫通過數據融合機制實現與BIM模型數據庫之間的信息轉換，通過BIM數據集成實現IFC模型數據[14-15]讀取、提取、顯示等。通過IFC模型數據讀取調用BIM子模型零件庫中對應組件(如： 標準塊B1、B2，鄰接塊L1、L2)，按照事先編碼規律進行虛擬堆場布局，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紅色區域)，再通過龍門吊吊裝系統應用層的最優路線選取來進行吊裝運輸作業。

圖12 Revit三維可視化管片精確查找

2.4.3 龍門吊吊裝應用層

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行管片吊裝運輸，不同管片所在的堆位不同導致龍門吊產生迂回和倒流。龍門吊的運輸路線問題關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路線吊裝系統可以解決不同堆位的管片路線運輸問題。

3 結論與建議

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以8層為宜(下部4層為標準塊，上部4層為鄰接塊)。

2)針對傳統混堆模式和分區模式各自存在的缺點，提出基于BIM的混堆模式下的堆場布局規劃，通過開發預制管片堆場管理系統實現在BIM三維可視化平臺下達到精確定位查找管片的目的。

3)開發的預制管片堆場管理系統是對已有上海軌道交通預制構件生產管理系統的補充，平臺通過掃描二維碼進行信息采集，并將BIM三維可視化技術與龍門吊智能算法系統有機組合在一起，共同實現基于BIM的三維可視化混堆模式優化，可大大提高堆場的整體化、智能化、系統化，對盾構隧道管片堆場管理具有一定的指導意義。

本文研究了管片內弧面向上的堆放層數和定位方法，對于側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一步分析，建議長時間在堆場儲存的管片采用側立堆放，側立堆放時的堆放層數按規范規定進行堆放。

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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，上海大學建筑與土木工程專業在讀碩士，主要研究方向為盾構BIM技術開發應用。E-mail: 1668270630@qq.com。

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

U 45

A

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