基于BIM的高鐵連續梁施工應力監控方案設計及應用

趙亞寧,王 浩,郜 輝,祝青鑫,王飛球,謝以順,

(1.東南大學混凝土與預應力混凝土結構教育部重點實驗室,南京 210096；2.中鐵二十四局集團江蘇工程有限公司,南京 210038)

1 概述

預應力混凝土連續梁橋具有受力合理、工藝成熟、橋面平整、行車舒適等優勢，是高速鐵路廣泛采用的橋型之一。平衡懸臂施工法是該類橋梁常用的施工方法，具有不影響橋下正常通航或行車、模板及施工機械利用率高等優點[1-3]。為保障橋梁施工階段和成橋狀態結構安全可控，應力指標滿足設計要求，有必要開展橋梁懸臂施工全過程的應力監測研究[4]。傳統橋梁施工監控方案的擬定與實施大多依賴于工程監測經驗與施工圖紙，傳感器編號和布設位置一般采用二維圖紙和文字記錄表達，在一定程度上能滿足連續梁橋平衡懸臂施工期間的應力監控需求。然而，在儀器安裝方案設計、線纜精細化排布、監測數據與橋梁節段施工關鍵節點信息關聯、監測數據自動預警等方面有待進一步優化與提升。

建筑信息模型(BIM)技術可將工程項目全生命周期不同階段的工程信息集中于三維數字化模型，具有三維可視化、數字信息集成與共享等優勢[5-7]，有助于解決工程領域勘察、設計、施工、運維等環節配合不利、效率低下等問題，已在工程領域得到廣泛應用。在橋梁工程領域，基于BIM技術重點研究了橋梁的正向設計及自動出圖[8-10]，施工模擬與可視化交底[11-14]，數字化運維[15-17]等，在橋梁施工監控方面開展了監控可視化和施工信息管理[18-19]等，但仍處于初步探索階段。

為此，以新建連徐高速鐵路跨沂河西大堤的連續梁橋工程為依托，借助BIM技術開展了高速鐵路連續梁橋的施工應力監控方案的設計及應用，其中重點研究了監測儀器布設、線纜精細化排布、應力監測數據與模型關聯，監測數據自動預警等，為預應力連續梁橋施工結構安全提供了可靠保障。

2 工程背景與BIM模型

2.1 工程背景

跨沂河西大堤連續梁屬新建連徐鐵路新沂河特大橋，上部結構為三跨預應力混凝土連續箱梁，跨徑組合為(40+72+40) m，施工示意如圖1所示，橋梁全長153.5 m(含兩側梁端至支座中心各0.75 m)。梁體采用變高度、變截面單箱單室預應力混凝土箱梁，0號塊臨時固結施工形成“T”構后進行對稱懸臂施工，每個“T”構共包括9個對稱懸臂節段。其中，0號節段長11.0 m，1號～4號節段長3.0 m，5號～9號節段長3.5 m，現澆段長5.75 m，跨中合龍段長2.0 m，無邊跨合龍段。

圖1 跨沂河西大堤連續梁施工示意(單位：mm)

2.2 BIM模型

BIM模型是施工監控體系實施和各項功能應用的基礎[20-22]，根據橋梁施工圖紙、機械設備以及監測設備，建立了LOD200級別的BIM模型。

2.2.1 連續梁模型

圖2為跨沂河西大堤連續梁的BIM模型，建模時0號塊單獨建立一個族文件，除0號塊的上部結構建立參數化箱梁通用族文件以滿足上部結構施工過程中的尺寸變化，下部結構建立橋墩、承臺、樁基一體化族文件。

圖2 跨沂河西大堤連續梁BIM模型族庫與整體模型

2.2.2 監測設備模型

傳感器、采集箱、攝像頭模型是監測方案擬定及儀器安裝方案設計的基礎。根據傳感器、采集箱、攝像頭的設備實物及尺寸，建立的監測設備模型如圖3所示。

圖3 監測設備模型

2.2.3 附屬設施模型

附屬設施模型包括如圖4所示三角掛籃、供電箱、線纜支架和通信天線，用以輔助應力監測設備的安裝與實施。附屬設施建模均采用非參數化族，為基于BIM技術的應力監控方案設計提供基礎。

3 應力監控框架與方案設計

3.1 應力監控框架

為實現橋梁施工時梁體應力數據的測量與預警，跨沂河西大堤連續梁橋施工應力監控的框架如圖5所示，包括監控方案設計與實施、橋梁節段施工、應力監測與安全預警3個部分。

圖4 附屬設施模型

在監控方案設計與實施方面，首先根據施工資料及應力監控需求搭建橋梁和監控系統的BIM模型，然后進行監控方案的設計及模擬，包括確定監控設備的布置方案、線纜排布方案等，并據此安裝傳感器、采集儀及視頻監控等設備。

在應力監測與數據安全預警方面，開發了傳感器BIM模型與應力監測數據關聯的功能，隨著橋梁節段施工的開展，傳感器采集梁體節段施工應力數據，視頻監控記錄施工過程。當應力監測數值超過設定閾值時，以軟件界面彈窗、短信、郵件等形式進行自動預警，預警內容包括監測數據、監測視頻和描述文字；當應力監測數值正常時，正常開展橋梁的階段施工，從而完成橋梁施工全過程的應力監控。

圖5 跨沂河西大堤連續梁橋施工應力監控框架

3.2 應力監測方案設計

3.2.1 測點布設

為監測橋梁在施工期間的應力狀態，本橋共選取了如圖6(a)所示的10個測量斷面。每個測量斷面布置5個應力傳感器，共布設50個傳感器。測點布置方案如圖6(b)所示，其中測點1～測點3與箱梁上頂板距離為上頂板混凝土保護層厚度，測點4～測點5到箱梁下底板距離為下底板混凝土保護層厚度。

圖6 應力測量斷面與測點布置方案

3.2.2 采集系統布置方案

根據測點布設方案，擬定3種采集箱、儀器接線和供電設計的布置方案，圖7為4號測量斷面的代表性測點不同方案的布置示意。

圖7 采集箱、儀器接線和供電設計布設方案比選

如圖7所示，方案1的采集箱放置于0號塊頂板處的電箱旁，通訊天線直接安裝在采集箱上；測點4的儀器電纜由腹板引出至頂板，同測點1和測點2的電線通過梁體頂板一起接入采集箱。方案2的采集箱放置于0號塊過人孔處，設備供電由頂板處電箱引出并通過施工孔引至設備；通訊天線伸出檢查孔，就近接入采集箱；測點1和測點2的儀器電纜由腹板引至底板，與測點4電線一起從箱梁底板上緣接入采集箱。方案3的采集箱放置位置、供電設計和通信天線設計與方案2一致，測點1和測點2的儀器電纜由腹板引至底板，與測點4從梁體底板引出后通過線纜支架從梁體側壁引至采集箱。

對比圖7各布置方案可知，方案1實施方便，線纜長度相對較短，通信質量好，但是采集箱和線纜均暴露在橋梁頂板上，易受環境和節段施工影響；方案2和方案3中采集箱和儀器電纜均在梁體內，避免了施工環境造成的不良影響；但方案2的儀器電纜順著梁底板頂面布設，易被臨時施工物資和設施破壞。方案3相比方案1和方案2實施較煩瑣，但是避免了施工對采集箱和供電線影響。因此，為避免應力測量的數據質量不受環境和橋梁施工的影響,方案3為實際施工中最為可行的布設方案。

為保證信號傳輸質量和供電穩定性，儀器電纜和供電線應盡量減少接頭，監測前應對線纜長度進行設計。以方案3的4號測量斷面各測點的儀器電纜和采集箱供電線為例，表1給出了基于BIM模型計算的線纜長度，施工長度為儀器電纜和供電線考慮冗余后取整，作為實際施工的參考依據。

表1 4號測量斷面儀器電纜及供電線長度 m

綜上可知，依托BIM模型可以完成所有測點排線設計，并統計出儀器電纜和供電線長度指導實際施工。

根據確定的方案3儀器及排線布設方案，依托BIM模型完成所有測點排線設計，并統計出儀器電纜和供電線長度以指導實際施工。

3.3 視頻監控設計

視頻監控應清晰記錄節段施工過程，便于工程技術人員依托視頻分析應力數據。特別是應力數據超過設定閾值時，有助于工程技術人員及時了解現場施工。視頻監控應覆蓋節段施工作業面，因此施工掛籃為最優載體。基于掛籃模型可選擇合適的攝像頭安裝位置，為確保安裝過程安全性和便利性，同時考慮現場掛籃的攀爬護欄，視頻攝像頭安裝位置如圖8所示，可見，監控視角可覆蓋整個施工作業面。

圖8 視頻攝像頭布設示意

4 應力監測方案實施

根據設計的應力監測方案，開展了跨沂河西大堤連續梁橋施工過程的應力監控。為避免供電線受施工設備及物資堆放的影響，利用絕緣電工套管保護線路，如圖9(a)所示。圖9(b)為施工現場儀器設備及電線的布置情況，由圖9(b)可以看出，方案3設計的沿梁體側壁的排線方式避免了施工方木堆放對儀器電纜的影響；從采集箱旁的儀器電纜可以看出，基于BIM模型計算出的儀器電纜長度考慮施工因素后，可以滿足施工布線要求，僅少部分線纜有結余。

圖9 應力監測系統現場照片

根據視頻監控設計方案，在掛籃主桁豎桿上安裝視頻攝像頭，如圖10所示。視頻畫面清晰，實際視角與BIM方案視角相似且覆蓋了整個施工作業面，為施工作業管理提供了實時畫面，避免了傳統安裝需要實地測試調整。

圖10 視頻監控現場照片與視頻畫面

5 應力數據處理及分析

5.1 模型與數據關聯

傳統監測技術在信息共享和傳遞過程中難以實現儀器測點和應力監測數據的直觀對應。為此，利用Autodesk Revit提供的API接口，開發了傳感器模型與監測數據的關聯功能并集成于附加模塊，其操作界面如圖11所示。通過勾選對話框中的傳感器編號或者點選BIM模型中傳感器模型，便可自動讀取指定路徑所對應的監測數據文件，并在操作界面繪制出應力數據曲線，便于工程技術人員及時了解測點的應力數據。相比傳統方式不僅可以基于BIM模型直觀檢查測點數據，而且方便各測點對比以及時了解梁體受力。

圖11 應力監測數據與傳感器模型關聯

5.2 應力監測預警

預應力混凝土連續梁橋施工期間，梁體混凝土壓應力和拉應力均應滿足設計要求。然而，傳統監測技術的監測數據處理存在滯后性，而且需要依賴技術人員判讀監測數據是否滿足設計要求，當數據異常時難以做到及時預警，甚至導致工程事故發生；此外，傳統監測技術由于缺乏施工視頻監控和監測數據關聯，監測數據異常時技術人員難以直觀了解現場，可能會引起事故的進一步擴大。為保證施工過程的安全性，依托現場布設的施工視頻監控，開發如圖12所示的應力監測預警模塊，并嵌入Autodesk Revit軟件。

圖12 安全預警模塊

預警模塊自動讀取采集箱4G傳輸模塊回傳的應力數據，與設定的應力閾值對比，若應力監測數值超過設定閾值，則依據監測數據對應的時間自動截取攝像頭記錄的施工視頻并存檔，同時將傳感器編號、超限數值等信息通過彈窗、短信、郵件分發給技術人員。為測試該功能，設置應力預警值為6.8 MPa，圖12中界面即彈出警告彈窗。該功能將監測數據與閾值實時對比，避免了傳統方式數據處理滯后的不足，同時施工視頻可為超限數據分析提供參考。

5.3 應力數據分析

應力數據由傳感器采集的應變數據和混凝土實測彈性模量計算得出，傳感器應變讀數包含結構真實受力應變和非荷載作用應變，非荷載作用主要包括溫度效應、混凝土收縮徐變、測試初值的設定，故應力數據計算分析時需剔除其影響。測量斷面5即0號塊根部的應力監測數據與理論應力對比如圖13所示。

圖13 0號塊應力對比(負值為壓應力)

由圖13可知：0號塊截面各個施工階段下的應力實測值與有限元計算的理論值變化趨勢基本一致，應力數值較為接近，0號塊截面在施工過程中全截面受壓，實測壓應力最大值在8.0 MPa以內，遠小于梁體C50混凝土應力允許值。

6 結論

基于BIM技術開展了連徐鐵路跨沂河西大堤連續梁施工應力監控方案設計及應用研究，重點開展了儀器方案設計、線纜精細化排布、監測數據與模型關聯、監測數據預警等方面的研究，主要結論如下。

(1)應力監測數據表明：橋梁受力狀態與設計基本相符，施工期間梁體混凝土均處于受壓狀態且小于材料設計值，梁體施工安全可靠。

(2)利用BIM軟件建立了連續梁及監測設備模型，直觀展示監測儀器布設，輔助決策線纜排布，實現了預應力混凝土連續梁施工應力監控方案的可視化與精細化設計。

(3)通過對BIM軟件Autodesk Revit二次開發，實現了應力監測數據與傳感器模型關聯。開發的應力監測預警模塊，實現了橋梁施工過程的應力數據實時讀取與預警。