優(yōu)化設(shè)計(jì)筑基礎(chǔ) 降本增效譜新篇

文｜王鑫 解莎莎

圖1 巴更大橋橋型布置圖

隨著人類社會(huì)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及信息化程度的不斷加深，信息技術(shù)在制造業(yè)、金融業(yè)等行業(yè)的有效應(yīng)用，極大地提升了這些行業(yè)的生產(chǎn)率，而作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的建筑行業(yè)，其信息技術(shù)的使用仍處于較低水平。在建筑業(yè)生產(chǎn)效率沒有得到本質(zhì)改善的同時(shí)，建筑項(xiàng)目卻變得更加復(fù)雜。建筑行業(yè)內(nèi)形成一致共識(shí)認(rèn)為必須采取有效的信息化手段提高建筑業(yè)的生產(chǎn)效率，擺脫以往粗放無序的生產(chǎn)模式。

近年來，BIM 技術(shù)作為一種領(lǐng)先的信息化手段，不論在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)際上都得到了飛速的發(fā)展，其影響也越來越廣泛，特別是在 “十二五”期間，國(guó)家明確提出要加快建筑信息模型(BIM)、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作等新技術(shù)在工程中的應(yīng)用，推動(dòng)信息化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，建筑施工行業(yè)迎來了信息化建設(shè)的新高潮。目前，BIM 技術(shù)在國(guó)內(nèi)大中型房屋建筑項(xiàng)目中成功應(yīng)用的案例越來越多，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但在橋梁工程施工組織與管理中的應(yīng)用尚處于探索階段。

橋梁工程作為交通土建工程的重要分支，它是構(gòu)成公共交通系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)物，橋梁承受行車動(dòng)荷載、受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)上異形構(gòu)件多，而且在施工過程中往往易受復(fù)雜環(huán)境條件制約，施工工藝特殊、施工裝備眾多、施工質(zhì)量要求高、施工難度大。傳統(tǒng)橋梁工程施工組織模式往往采用“人海戰(zhàn)術(shù)”“定人定點(diǎn)”的管理方式，質(zhì)量管控的好壞完全依賴于現(xiàn)場(chǎng)管理人員個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)及能力；橋梁工程屬于線性工程，施工戰(zhàn)線長(zhǎng)，如果各類施工信息、管理指令傳遞不及時(shí)，將導(dǎo)致各類機(jī)械設(shè)備及物料資源調(diào)動(dòng)不靈活。橋梁工程施工場(chǎng)地狹窄，垂直運(yùn)輸高度大，往往需要進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，布置大量施工輔助設(shè)施來滿足施工要求，故而發(fā)掘BIM 技術(shù)在橋梁施工領(lǐng)域的深入應(yīng)用，建立基于BIM技術(shù)的項(xiàng)目管理信息整合與發(fā)布平臺(tái)，推行基于網(wǎng)絡(luò)的施工生產(chǎn)協(xié)同組織新模式，對(duì)于改善傳統(tǒng)橋梁施工管理粗放無序，施工隨意性大的現(xiàn)狀非常有利。

工程概況

廣西百靖高速公路的修建響應(yīng)了國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略，大力發(fā)展西南縱深山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是廣西地區(qū)“四縱六橫三支線”高速公路網(wǎng)的重要組成部分，對(duì)改善革命老區(qū)交通條件，增進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)合作往來具有重要戰(zhàn)略意義。

巴更大橋是廣西百靖高速公路全線唯一一座跨越既有鐵路線的橋梁，橋址處屬碎屑巖區(qū)，沿線多維峰叢洼地，地質(zhì)條件復(fù)雜，綜合施工難度極大。橋梁主跨跨越德田鐵路線，鐵路通行對(duì)懸澆段施工造成干擾；施工場(chǎng)地狹窄，橋梁預(yù)制場(chǎng)地布置困難，T 梁預(yù)制及架設(shè)施工無法依常規(guī)方法實(shí)施（如圖1）。

巴更大橋計(jì)算行車速度為100Km/h，荷載公路Ⅰ級(jí)，橋?qū)捳w式 12.75m。橋孔布置為：6×30+5×30+5×30+(35+60+35)+ 30m， 全 橋共分5 聯(lián)，跨鐵路段采用（35+60+35）m 單箱單室截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁鋼構(gòu)體系，掛籃懸臂澆筑施工；其余采用30m 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T 梁，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)體系。

巴更大橋全橋混凝土總圬工約2.2 萬方；鋼筋約為3500 噸，土石方開挖約6200 方。橋梁施工過程結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換多、橋梁施工步驟多、質(zhì)量控制因素多、控制難度大。

在巴更大橋建設(shè)施工管理過程中引進(jìn)BIM技術(shù)，并推行以BIM 技術(shù)為核心的綜合項(xiàng)目管理方法，依托協(xié)同管理平臺(tái)，系統(tǒng)管理員根據(jù)各專業(yè)分工建立庫文件，項(xiàng)目BIM 人員在施工前完成巴更大橋信息模型的搭建，并且在施工過程中不斷錄入施工過程追溯性信息。業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)院、施工單位可在PW 平臺(tái)隨時(shí)查看處理權(quán)限內(nèi)允許查看的項(xiàng)目進(jìn)度、施工情況、信息反饋等內(nèi)容，

中冶天工集團(tuán)采用BIM 解決方案，以MicroStation 作 為 基 礎(chǔ) 設(shè) 計(jì) 平 臺(tái)， 應(yīng) 用AECOsim Building Designer、BridgeMaster、GEOPAK 等專業(yè)模塊建立三維模型，采用ProjectWise 作為數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，托管項(xiàng)目工作環(huán)境并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同共享；采用Navigator 軟件進(jìn)行模型發(fā)布及碰撞校驗(yàn)，對(duì)大型項(xiàng)目模型輕量化處理。通過各軟件的功能實(shí)現(xiàn)巴更大橋工程的BIM 建模、工程應(yīng)用等工作。

BIM 團(tuán)隊(duì)建設(shè)及BIM 技術(shù)應(yīng)用

圖2 巴更大橋BIM 團(tuán)隊(duì)組織架構(gòu)

圖3 通過BIM 模型協(xié)同施工各參與方

圖4 巴更大橋施工段三維地面模型

巴更大橋建設(shè)過程中，對(duì)傳統(tǒng)項(xiàng)目部人員組織架構(gòu)形式及工作流程進(jìn)行了較大程度的變革，除設(shè)置工程管理項(xiàng)目經(jīng)理負(fù)責(zé)對(duì)工程施工管理實(shí)施之外，另設(shè)置BIM 技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理一名，負(fù)責(zé)BIM 技術(shù)在本項(xiàng)目施工管理過程中的開展及應(yīng)用，同時(shí)增設(shè)BIM 小組作為“四部一室”的連接紐帶。傳統(tǒng)“四部一室”為執(zhí)行層，提出施工管理及BIM 技術(shù)應(yīng)用需求，BIM 小組為“四部一室”進(jìn)行施工管理提供必要數(shù)據(jù)信息支持（如圖2、3）。

建立三維地面模型及施工場(chǎng)地布置。施工現(xiàn)場(chǎng)采用GPS 測(cè)量施工線路的地形坐標(biāo)信息，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果，利用GEOPAK 軟件提取測(cè)繪數(shù)據(jù)信息，如DWG、DGN 格式的高程、等高線、坐標(biāo)等數(shù)據(jù)；模型涵蓋了坐標(biāo)、高程、洼地、地面起伏等施工難以控制的地理特征。GEOPAK 提供了方便的數(shù)據(jù)讀取功能，通過生成的數(shù)字地面模型（DTM）可以進(jìn)行土方開挖的設(shè)計(jì)、算量等。本工程地處峰叢洼地，高邊坡開挖、高填方施工段比較多，在GEOPAK 軟件中，通過開挖前后的測(cè)量數(shù)據(jù)生成地模，通過地模相對(duì)地模的方法能精確計(jì)算出土方開挖量、回填量、平衡量，極大地方便了施工規(guī)劃及路基開挖、回填施工算量（如圖4）。

由于巴更大橋所處的地理特征原因，施工現(xiàn)場(chǎng)各類設(shè)施布置十分困難，本項(xiàng)目利用三維數(shù)字地面模型進(jìn)行施工總平面布置，設(shè)計(jì)多套布置方案，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形情況及方案比選結(jié)果確定在橋梁1#墩～7#墩左側(cè)設(shè)置預(yù)制梁場(chǎng)，在橋梁10#墩～14#墩右側(cè)設(shè)置項(xiàng)目部辦公大臨區(qū)、鋼筋加工場(chǎng)及木工棚，此種布置方案最為方便經(jīng)濟(jì)，并且可以減少耕地占用面積。（如圖5）

我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)速度不斷加快，在一定程度上推動(dòng)了農(nóng)村房地產(chǎn)市場(chǎng)的改革。《不動(dòng)產(chǎn)登記條例》已經(jīng)得到了有效實(shí)施，但在登記集體土地不動(dòng)產(chǎn)的過程中，依然存在著一些問題[1]。

圖5 施工場(chǎng)地布置

圖6 T 梁模板設(shè)計(jì)模型

深化設(shè)計(jì)

T 梁模板設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目主橋采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T 型梁，由于制作要求精度高，且橫截面形式多變，綜合多方面考慮，T 梁制作采用定型鋼模版。鋼模板的拼接采用多段式，為了便于橫坡調(diào)整，采用可調(diào)整的支撐螺桿來實(shí)現(xiàn)翼緣板的坡度。項(xiàng)目考慮到T 梁制作工藝的關(guān)鍵性，為保證施工質(zhì)量，采用MicroStation軟件對(duì)T 梁定型鋼模板進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，模板構(gòu)件采用定型化，對(duì)面板、背筋槽鋼、模板支架、橫坡調(diào)整支撐螺桿、橫隔板等建立構(gòu)建模型，模型精準(zhǔn)，且結(jié)構(gòu)合理。模板制作加工準(zhǔn)確，且符合規(guī)范要求模板平整度，減少制作誤差。（如圖6）

圖7 提升站模型設(shè)計(jì)

山嶺地區(qū)的T 梁運(yùn)輸是本項(xiàng)目的施工難點(diǎn)之一，由于地形復(fù)雜，常規(guī)運(yùn)輸車輛無法運(yùn)梁，因此采用AECOsim Building Designer 軟件進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，在梁場(chǎng)與橋梁墩柱之間采用一種垂直運(yùn)梁的提升站方式進(jìn)行施工。成功解決了預(yù)制梁場(chǎng)場(chǎng)地狹小、周邊地形情況復(fù)雜情況下的T 梁運(yùn)輸問題。提升站的架體采用鋼結(jié)構(gòu)拼裝而成，通過AECOsim 軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊，可以方便快捷的調(diào)取鋼結(jié)構(gòu)材料構(gòu)件，如工字鋼、槽鋼、角鋼等型材，另外可以自定義添加特殊的節(jié)點(diǎn)構(gòu)件。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過BIM 方案模擬，在方案設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)提升架的寬度寬于梁板吊裝孔的寬度，為解決此施工問題，BIM 人員利用AECOsim 軟件設(shè)計(jì)添加在T 梁兩端用于垂直起吊的提梁扁擔(dān)。通過精細(xì)化建模，并動(dòng)畫模擬鋼絲繩穿過吊裝孔、牢牢套住T 梁的兩端并將鋼絲繩兩端與鋼扁擔(dān)連接、插銷子固定的施工過程，確保T 梁平穩(wěn)提升，解決了提升站提升架梁的技術(shù)難題。

安全防護(hù)設(shè)計(jì)。本工程跨鐵路線施工段采用懸澆施工法，懸澆段0#塊施工時(shí)，由于施工高度距離地面30 多米，安全施工是確保工程順利進(jìn)行的前提條件，本項(xiàng)目利用BIM 技術(shù)對(duì)0#塊采用三維建模手段，合理設(shè)計(jì)了施工平臺(tái)及防護(hù)欄桿、臨時(shí)施工樓梯的空間布置，并驗(yàn)算符合安全要求。

跨越鐵路線橋梁施工段為避免對(duì)列車行駛造成干擾，同時(shí)避免鐵路接觸網(wǎng)高壓電壓（2.75萬伏）對(duì)掛籃施工的影響，確保通車及施工安全。本項(xiàng)目通過BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)在跨線區(qū)域設(shè)置沿鐵路線的安全防護(hù)棚，對(duì)鐵路線路實(shí)現(xiàn)封閉式防護(hù)。防護(hù)棚采用混凝土基礎(chǔ)、鋼管支撐柱，頂棚設(shè)置絕緣材料，充分保障了施工及通行安全。

施工模擬主要體現(xiàn)在工序及工藝兩方面，為保證工程質(zhì)量，本工程以BIM 技術(shù)為依托，采用工序、工藝模擬施工進(jìn)行三維技術(shù)交底，利用MicroStation 軟件的三維可視化功能進(jìn)行三維動(dòng)畫模擬。由于T 梁制作工藝復(fù)雜，而且T 梁的質(zhì)量好壞直接影響橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性和美觀性，故T 梁制作質(zhì)量控制需做到精細(xì)化；架橋機(jī)架梁施工是本工程質(zhì)量控制的重點(diǎn)，提高T 梁架設(shè)精度、架橋機(jī)行走移動(dòng)的安全控制等，通過BIM 技術(shù)將工程施工中可預(yù)見的和不可預(yù)見的問題進(jìn)行三維施工模擬，為項(xiàng)目提供了極大的技術(shù)支持。

動(dòng)畫模擬是通過模型元素得以實(shí)現(xiàn)，模型建立采用AECOsim 軟件。首先通過三維精確定位來確定模型相對(duì)位置關(guān)系，再建立預(yù)制梁場(chǎng)、龍門吊、天車、T 梁、模板、橋臺(tái)、墩柱、架橋機(jī)等三維模型。T 梁鋼筋模型采用ProStructures 軟件完成鋼筋的布置，當(dāng)各素材文件建立完成后進(jìn)行動(dòng)畫編輯；MicroStation提供了一套完整的動(dòng)畫編輯器，通過簡(jiǎn)單的操作可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫制作效果。本工程根據(jù)施工工藝及工序定義素材角色，利用關(guān)鍵幀編輯角色動(dòng)畫時(shí)長(zhǎng)，動(dòng)畫編輯完成后，可通過軟件的輸出功能直接輸出視頻，也可渲染輸出圖片序列，通過第三方軟件生成視頻效果。

工程量統(tǒng)計(jì)

本項(xiàng)目橋梁采用BridgeMaster 軟件建立模型，通過信息模型，巴更大橋施工實(shí)現(xiàn)了材料量精確控制、材料預(yù)提、過程控制、結(jié)算等方面全部在BIM 信息模型基礎(chǔ)上進(jìn)行。模型搭建完成后，即可實(shí)現(xiàn)工程量輸出。

在施工管理過程中可以通過模型信息處理，對(duì)鋼筋進(jìn)行編號(hào)，鋼筋報(bào)表控制材料進(jìn)場(chǎng)量，減少浪費(fèi)及材料過載堆放，鋼筋下料、制作可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)精確施工。混凝土材料量統(tǒng)計(jì)精準(zhǔn)高效，施工前輸出即將澆筑部位混凝土量，合理計(jì)劃每次澆筑方量，避免不必要的材料損耗。

圖8 跨鐵路線懸澆段安全防護(hù)棚設(shè)計(jì)

圖9 T 梁預(yù)制施工模擬

在經(jīng)營(yíng)算量方面實(shí)現(xiàn)了快速提取、快速輸出工程量清單，包含工程量、供貨方、施工方、進(jìn)場(chǎng)日期、施工日期、型號(hào)等，清單內(nèi)容詳細(xì)且與工程聯(lián)系緊密，形成了系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)庫，有助于項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理、外包采購管理、溝通協(xié)調(diào)管理等多方面。

基于BIM 模型的施工過程質(zhì)量驗(yàn)收管理

圖10 架橋機(jī)架梁施工模擬

在巴更大橋施工中，中冶天工集團(tuán)有限公司發(fā)揮BIM 技術(shù)優(yōu)勢(shì)全過程采用信息化管理模式。以BIM 模型為數(shù)據(jù)信息載體，三維模型整合集成施工管理必要信息，最終發(fā)布在ProjectWise 服務(wù)器，項(xiàng)目參建方依據(jù)各自權(quán)限，實(shí)時(shí)調(diào)用信息模型、提取信息。通過PW 平臺(tái)，保證“一個(gè)模型，各方通用”，從而確保施工信息傳遞的一致性，實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同作業(yè)。

在每一部位施工之前，先由BIM 小組利用BIM 建模軟件根據(jù)施工圖紙建立BIM 模型，建模過程中施工圖數(shù)據(jù)信息就集成于三維模型中，并且還可以根據(jù)施工需要，方便的為橋梁施工部位定制添加各類施工信息。施工員可以利用模型生成構(gòu)件信息表，甚至可以很方便的利用手機(jī)、IPAD 等便攜設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)用模型，查閱施工信息，從而提高工作效率，避免誤查、漏查等情況的發(fā)生。

圖11 利用IPAD 等手持設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)用模型

構(gòu)件施工完成后，利用模型超鏈接功能，對(duì)施工過程中如鋼筋、混凝土批次、施工時(shí)間、工序驗(yàn)收等追溯性信息進(jìn)行二次錄入，對(duì)每一個(gè)施工部位進(jìn)行標(biāo)簽化管理，建立構(gòu)件施工過程管理檔案，實(shí)現(xiàn)了施工過程動(dòng)態(tài)管理，每個(gè)施工環(huán)節(jié)都可以追溯，當(dāng)施工出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)，可以隨時(shí)分析查找問題原因，切實(shí)提高施工質(zhì)量。

本項(xiàng)目通過BIM 技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，項(xiàng)目實(shí)施全過程通過模型屬性信息進(jìn)行管理，改變了傳統(tǒng)的管理模式，從而提高了項(xiàng)目施工效率，節(jié)約了大量施工成本。并對(duì)構(gòu)件采用cell 單元庫管理模式，形成了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫文件，方便模型調(diào)取。

同時(shí)，BIM 技術(shù)為項(xiàng)目提出最佳的優(yōu)化設(shè)計(jì)解決方案，通過模擬施工、精確算量，為項(xiàng)目決策層提供可靠的技術(shù)依據(jù)，本項(xiàng)目?jī)H在巴更大橋T 梁垂直提升架設(shè)一項(xiàng)上，節(jié)省經(jīng)濟(jì)效益15 萬元，工期縮短56 天。本項(xiàng)目以BIM 技術(shù)為依托，其中蓋梁施工、一種山區(qū)橋梁梁體模板、養(yǎng)護(hù)噴淋系統(tǒng)、掛籃移位裝置、跨鐵路防電棚等獲得了六項(xiàng)專利授權(quán)；“山嶺地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)高速公路工程綜合技術(shù)研究與應(yīng)用”榮獲2013年度中國(guó)施工企業(yè)管理協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)科技創(chuàng)新成果二等獎(jiǎng)；“大型橋梁蓋梁抱箍法施工”獲得了冶金行業(yè)部級(jí)工法。