BIM技術在新白沙沱長江大橋鋼梁架設中的應用

劉宏剛 張海華 甘一鳴

(中鐵大橋局集團有限公司， 武漢 430000)

1 項目背景與工程概況

1.1 項目背景

新白沙沱長江大橋北部位于重慶市大渡口區(qū)跳磴鎮(zhèn)境內，南跨長江后進入重慶市江津區(qū)珞璜鎮(zhèn)境內，是渝黔鐵路客車線和貨車線引入重慶樞紐的重要過江通道，也是遠期渝湘鐵路的預留過江通道，如圖1所示。上世紀50年代末建成的渝黔鐵路既有白沙沱長江大橋距新橋上游100 m左右，由于運力不足且原設計通航水位較低，新橋建成后老橋將被拆除。

圖1 渝黔鐵路新白沙沱長江大橋地理位置與線路走向

渝黔鐵路新白沙沱長江大橋建成通車后，重慶至貴陽客車平均旅行時間將由現(xiàn)在的10 h縮短至2 h以內，成為重慶至貴陽間高效便捷的鐵路通道，并與蘭渝、貴廣鐵路實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)互通，對促進西南、西北地區(qū)經(jīng)貿(mào)發(fā)展與人文交流具有重要意義。

1.2 工程概況

新白沙沱長江大橋全長5 320.334 m，其中6線合建部分 2 098.78 m。主橋孔跨布置為(81+162+432+162+81) m，設計為雙塔雙索面6線鐵路鋼桁梁斜拉橋(如圖2所示)，是世界上首座采用雙層橋面布置的鐵路斜拉橋(如圖3所示)。其中上層為4線客運專線，包括渝黔鐵路雙線及預留渝湘鐵路雙線，設計速度200 km/h；下層為渝黔鐵路貨運雙線，設計速度120 km/h。大橋主梁采用N型桁架，桁寬24.5 m，桁高15.2 m，節(jié)間長度13.5 m[1]。

圖2 渝黔鐵路新白沙沱長江效果圖

圖3 渝黔鐵路新白沙沱長江大橋主梁雙層橋面布置方案(mm)

新白沙沱長江大橋作為渝黔鐵路控制性工程，是目前世界上跨度最大、荷載最重的鐵路斜拉橋，也是中國鐵路總公司批準立項的國內高速鐵路建設中首批采用BIM技術進行設計和施工的特大型鐵路橋梁試點項目之一。

2 大橋施工方案

2.1 施工環(huán)境

橋址區(qū)先后跨越重慶側構造剝蝕丘陵地貌區(qū)、河流侵蝕地貌區(qū)、河流堆積地貌區(qū)(長江階地)和貴陽側構造剝蝕淺丘地貌區(qū)，地面高程180～270 m，相對高差約90 m，地形起伏較大，居民住宅和工廠等建筑物密集。貴陽側主塔墩3號墩位于江中心，橋下河段通航繁忙，且處于“長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區(qū)”的緩沖區(qū)，環(huán)保要求較高。大橋有多處跨越既有公路或鐵路運輸干線，其中重慶側主塔墩2號墩邊跨鋼梁跨越3條既有線，如圖4所示。整個施工過程中限制條件較多、地形復雜、交通不便，現(xiàn)場施工組織和管理難度較大。

圖4 重慶側邊跨鋼梁施工場地

2.2 施工方案

為滿足環(huán)保要求，減少對長江水體及河床的擾動破壞和污染，主橋基礎鉆孔樁施工采用KTY及KPG系列大扭矩液壓動力頭旋轉鉆機[2]。配置泥漿分離器、泥漿運輸船等設備對泥漿進行循環(huán)利用和環(huán)保處理。承臺施工采用特大型雙壁鋼圍堰進行封底止水和支撐圍護，塔柱施工采用成熟的液壓爬模及混凝土垂直泵送澆筑技術。

鋼梁架設是該橋的施工難點，盡管采用了整體節(jié)點等先進的設計和加工技術，全橋鋼梁吊裝次數(shù)仍多達 1 428次，考慮鋼梁上岸、存放等施工過程中的轉運，鋼梁累計吊裝次數(shù)達 7 140次，吊裝構件最大平面尺寸13.5 m×11 m，重量為70 t。鋼桁梁結構復雜，工地連接為高強螺栓和焊接并用，制造及安裝精度要求較高，架設難度大。經(jīng)反復研究比選，確定了水路運輸、碼頭吊機及浮吊配合運梁臺車轉運、專用提升站及全回轉架梁吊機散拼安裝的方案，并修建了相應的碼頭、棧橋、存梁平臺等臨時設施。

2.3 風險控制

受復雜施工環(huán)境和各種條件制約，大橋施工過程中存在諸多安全風險，既要保障長江航運和既有線運營安全,又要保證大橋的施工安全和工期目標，為系統(tǒng)地對大橋施工安全風險進行分析、識別、評價和有效控制，項目組進行了專項研究，提出了包括項目建設規(guī)模、氣候環(huán)境、水文地質、地形地貌、橋位特征及施工工藝成熟度等橋梁整體風險評價指標，根據(jù)評價結果采取相應的風險控制技術。如：受既有線影響的施工便線的安全控制技術包括臨近既有線的爆破施工的檢查與安全防護、合理擬定施工便線過渡段施工方案及臨近營業(yè)線路結構施工安全風險評估等[3]。

3 BIM實施

新白沙沱長江大橋地處艱險山區(qū)和長江天塹，施工場地受限，環(huán)境復雜，跨多條既有線，安全問題突出。每次要點只有2 h，工序必須緊湊，因此需采用BIM技術對每一工序步驟進行詳細模擬，檢驗其可行性、安全性，以便科學制定工序流程和作業(yè)組織方式，確保施工過程安全、高效。

3.1 應用方向與應用點

為充分發(fā)揮BIM技術的優(yōu)勢，將技術難度最大、施工風險最高的重慶側邊跨鋼梁架設方案研究及實施過程控制作為該橋BIM應用的重點，以保證鋼梁架設安全、質量、效率、成本、環(huán)保等施工目標。具體應用內容如圖5所示。

圖5 鋼梁架設施工中BIM應用點

其中，對主體結構設計BIM模型的處理主要是指將設計院提供的成橋狀態(tài)的BIM模型按確定的施工方案進行必要的分節(jié)、分段或構件編組并賦予時間及狀態(tài)屬性，使其能夠在后續(xù)應用中按不同工況模擬和呈現(xiàn)施工過程及狀態(tài)，屬于施工階段BIM應用的前處理工作。

3.2 資源配置

3.2.1 人員配置

BIM研究團隊由若干名技術骨干人員組成，分為3個小組：策劃組、設計組、實施組。

策劃組負責BIM應用的策劃、督導、效果評估及應用價值研究。設計組負責采用BIM技術進行施工方案研究、計算分析、過程模擬、成果管理等。實施組負責方案實施、技術協(xié)調、監(jiān)測監(jiān)控及問題反饋等。

3.2.2 軟件配置

為與設計模型對接，采用了Dassault V5系列BIM軟件，軟件配置如表1所示。

表1 BIM軟件配置

3.2.3 硬件配置

CATIA等軟件對運行環(huán)境要求較高，硬件配置如表2所示。

表2 BIM硬件配置

3.3 初步方案

重慶側邊跨鋼梁須跨越3條既有鐵路線，且部分鋼梁侵入山體，陸上交通不具備進場條件，為解決鋼梁運輸難題，并保證列車運行和鋼梁施工安全，提出了在支架上拼裝鋼梁，采用同步頂推技術完成跨線段鋼梁架設的施工方案，施工方案總布置如圖6所示。以減少跨線施工時間，降低安全風險[4]。

貴陽側主塔墩位于長江主河槽內，鋼梁架設擬采用對稱懸臂拼裝的方案，棧橋前端設置一座固定式提升站，在主塔墩施工期間通過水路運輸將鋼梁運至3號塔旁，由專用提升站將鋼梁提升至施工平臺上的運輸臺車，經(jīng)棧橋運輸至預拼場存放，后期鋼梁架設時通過棧橋運輸至主塔墩鋼梁提升站下方，再由架梁吊機提升至橋面進行拼裝架設。

圖6 重慶側邊跨鋼梁拼裝與跨線施工方案總布置圖(mm)

3.4 BIM建模與組裝

建模是開展BIM應用的準備工作之一。由于大橋結構復雜，施工臨時設施設備較多，除對主體結構模型按施工方案要求進行處理外，還需要完成各種臨時設施及場地的建模(如圖7所示)。利用軟件模擬鋼梁桿件等材料吊裝、運輸、存放等過程的空間需求，合理布置場地。這些模型由BIM團隊根據(jù)分工完成各單體模型創(chuàng)建，再利用軟件的裝配功能按照統(tǒng)一的全局坐標系組裝成一個整體(如圖8所示)。由于模型精確地反映了結構尺寸及相對位置，能夠全面地模擬各構件安裝過程和干涉情況，消除各種設計缺陷和人為錯誤，對提高設計工作質量起到了重要作用。

圖7 施工臨時設施建模

圖8 組裝后的大橋主體結構、臨時設施及場地布置

設計過程中采用CATIA的BOM表功能快速統(tǒng)計模型中各構件的材料數(shù)量，提高了統(tǒng)計效率，配合出圖功能完成二維圖紙設計，且可輸出為EXCEL表格[5]，便于對物資部門對材料的管理工作，為工程的材料采供和備料提供準確數(shù)據(jù)。材料統(tǒng)計與報表輸出示例如圖9所示。

3.5 方案模擬與優(yōu)化

鋼梁架設中涉及到大量的起重作業(yè)，這些作業(yè)大多在高空或水上進行，存在較大的安全風險，在吊裝過程中需要考慮吊機的站位、吊臂長度與角度、工作幅度、空間關系與安全距離等因素，使用傳統(tǒng)平面設計方法不能準確和全面地描述整個吊裝方案。根據(jù)設備參數(shù)建立的施工機械模型以實現(xiàn)精確控制，通過定義模型的機構運動方式，能夠模擬和驗證鋼梁吊裝方案。

圖9 材料統(tǒng)計與報表輸出

施工過程的模擬主要在DELMIA仿真平臺[6]中進行，通過對鋼梁各構件和吊裝單元賦予時間屬性、定義運動軌跡和顯示控制，能夠生成連續(xù)的生長動畫以表達主體結構的安裝過程。

由于重慶側邊跨鋼梁拼裝與頂推交替進行，施工輔助設計較多、工序復雜，設計人員根據(jù)成橋狀態(tài)下各段鋼梁的最終位置推導出該段鋼梁的拼裝順序，采用BIM技術對鋼梁構件的存放、運輸、吊裝，以及吊機的運動軌跡、鋼梁的頂推過程等進行了全面模擬，如圖10所示。

圖10 重慶側邊跨鋼梁拼裝與跨線頂推施工原始方案模擬

在最初的架設方案中，首先在3號墩主塔下橫梁上拼裝架梁吊機臨時支架，然后拼裝額定起重能力為70 t的360°全回轉架梁吊機，再利用該吊機拼裝首段鋼梁，之后架梁吊機走行至鋼梁上，拆除架梁吊機臨時支架，再轉身從棧橋上取梁架設其他節(jié)間鋼梁。

經(jīng)過DELMIA動態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)，原設計方案中存在諸多影響鋼梁架設安全及拼裝效率的問題，如架梁吊機在取梁狀態(tài)與拼裝狀態(tài)吊機扒桿變幅角度變化過大、起吊過程中架梁吊機扒桿無法旋轉過主塔、無法拆除下橫梁上的臨時支架、360°全回轉優(yōu)勢難以發(fā)揮、轉桿件提升狀態(tài)與頂推支架之間安全距離過小等問題。經(jīng)過項目技術人員研究討論決定對鋼梁架設方案修改，并對修改后的方案進行重新模擬和優(yōu)化處理，有效解決了安全隱患、提高了作業(yè)效率，并據(jù)此制定出詳細的作業(yè)流程和施工步驟，保證了施工方案的順利實施。優(yōu)化后的2號主塔墩邊跨鋼梁架設方案如圖11所示。

按照同樣的流程，對貴陽側3號主塔墩鋼梁拼裝與掛索過程進行模擬，并根據(jù)各工況的計算分析和模擬中發(fā)現(xiàn)的問題進行優(yōu)化處理，鋼梁架設過程如圖12所示。

3.6 監(jiān)測監(jiān)控

為保證施工安全，大橋施工中采取了多種技術手段如全站儀、 傳感器、攝像機等設備對鋼梁線形、斜拉索應力狀態(tài)、頂推千斤頂工作狀況、人員分布情況等進行監(jiān)測監(jiān)控，并根據(jù)所處工況與設計時的計算分析數(shù)據(jù)實時對比，對異常情況及時進行處理，使整個鋼梁架設過程順利完成[7]。

圖11 重慶側邊跨鋼梁拼裝與跨線頂推施工優(yōu)化后方案模擬

圖12 貴陽側3號主塔墩鋼梁雙懸臂對稱拼裝施工模擬

以索力監(jiān)測為例，在大橋施工的不同階段其索力設計值不同，需隨工程進展檢測出索力的實際值并與設計計算值對比，發(fā)現(xiàn)異常須及時處理。本項目將拉索索力與桿件應力監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM模型相集成，將索力傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹IM應用平臺數(shù)據(jù)中，并通過圖形平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，為橋梁安全管理提供信息支持，發(fā)揮了重要作用。索力監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理如圖13所示。

圖13 索力監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理

4 結束語

該橋由于體量龐大、結構復雜、所處環(huán)境條件惡劣等原因，施工中面臨著各種困難和挑戰(zhàn)，通過實施BIM技術對施工過程和方案設計細節(jié)進行預先演練和分析，證明了施工方案的可行性，細化了作業(yè)流程和技術控制要點，確保了施工安全，特別是在跨線頂推施工過程中，必須在要點時間內完成頂推工作，BIM技術在優(yōu)化施工方案、加強安全控制、提高作業(yè)效率等方面發(fā)揮了巨大作用。

施工過程中大量的高空和水上作業(yè)對所有參建人員都是一個嚴重考驗，通過可視化交底對技術和勞務人員進行培訓，使其充分理解各工序作業(yè)內容、技術要點，各自的責任分工、配合方式、安全注意事項等，消除了勞務人員在工作中的盲目性和恐懼心理，增強了其參與意識和責任意識，有效提高了工作效率并降低了安全風險。

盡管可視化設計與施工只是BIM應用的一個方面，但由于緊貼現(xiàn)場需求，仍然取得了較好的效果。與該項BIM應用同時實施的還有面向施工管理的4D BIM系統(tǒng)[8]，其4D進度模擬及安全、質量、成本管理、物料跟蹤等功能也在本項目進行了有益的探索。