山嶺地區高速公路橋頭路基預制梁場優化布置

中國葛洲壩集團三峽建設工程有限公司，湖北 宜昌 443000

山區高速公路一般地處高山深谷，依山區山勢而建。在建設過程中，由于交通運輸不便，而沿線的大中小橋梁較多，受山區地形條件限制，預制梁場多設置在橋頭路基上。橋梁工程中，預制梁場合理的布置和科學的規劃對保證橋梁工程進度、控制成本、消除安全隱患有著非常重要的意義。山嶺地區高速公路預制梁場布置優化技術，是針對狹窄的橋頭路基上的預制梁場，結合靜態與動態、定性與定量的優化布置方法，綜合考慮建設投資費用、施工進度需求、整體性因素、空間因素、流動性因素和安全因素等，在相對狹窄的地形、地勢條件下，對基于經驗條件下的預制梁場布置進行優化，不僅減少了施工成本、滿足施工進度需要，還便于施工管理、降低安全風險，可為同類型項目提供借鑒。

1 山嶺地區高速公路橋頭路基預制梁場布置

橋頭路基的預制梁場通常采用長寬比較大的單列布置方式，根據現場實際情況，既需要從建設投資費用、施工進度需求、整體性因素、空間因素、流動性因素和安全因素等方面對局部進行適當調整，也需要增加或減少部分區域。

橋頭路基的預制梁場具體的布置如下：（1）預制梁場場地設置在橋位區橋頭路基或橋尾路基。（2）預制T梁所需的混凝土自混凝土攪拌站（預制梁場外）經運輸罐車運至預制梁場。（3）預制梁場的區域設置包括從遠離所述橋位區到靠近所述橋位區依次設置預制區、存梁區、架橋機安裝區，還包括運輸通道、龍門吊、生活區、鋼筋制作區。（4）預制梁場的區域設置還包括以下內容：生活區、鋼筋制作區設置在路基外場地；運輸通道可設置于預制梁場中間位置，也可設置于預制梁場側邊位置；運輸通道沿架橋方向穿過預制區、存梁區；預制區、存梁區均勻分布在運輸通道兩側；架橋機安裝區設置在存梁區與橋位區之間。（5）預制梁場布置中生活區、鋼筋制作區根據現場情況可設置在路基外場地，可避免龍門吊運轉、運輸通道行車過程中的人員傷亡；如果地形狹窄且路基旁邊地勢陡峭，鋼筋制作區也可布置在路基上，布置在近制梁區旁邊，遠離存梁區。（6）架橋機安裝區設置于存梁區與橋位區之間，極大地減少了將存梁區的預制梁體運輸吊裝至施工地點的距離。在以上預制場布置時，還需要綜合考慮動態的施工工序與進度計劃安排。

2 橋頭路基預制梁場優化布置

2.1 需求不均衡條件下的預制梁場制梁臺座定量優化計算

確定預制梁場制梁臺座數量的傳統計算方法假定預制T梁需求是均衡的，因此這種傳統計算方法僅適用于預制T梁需求均衡的情況，而這種情況在實際生產與施工過程中是不可能存在的，可見傳統計算方法計算結果不夠精確。

需求不均衡條件下的預制梁場制梁臺座定量優化問題描述如下：預制梁場制梁任務總數量為D，架梁總工期為T，共分為n次架梁過程，其中第i次架梁所需預制T梁的數量為di，而第i次架梁和第（i-1）次架梁的時間間隔為ti；設單獨一片預制T梁整個施工工序需要的時間，即制梁周期為T1，模板的周轉周期為T2，進而合理地確定預制制梁臺座規模數量和模板數量。

該問題還具有如下特點：（1）n次架梁過程可以看作n個階段的生產工程，第i次架梁的預制T梁數量就是第i階段的T梁需求量，第i階段的總工期為ti；（2）第i階段的預制T梁需求量di可以是在第i階段生產所得，也可以是在第1～（i-1）階段內的任意時間生產所得；（3）第i階段生產產出成品梁的數量不僅來自第i階段的生產數量，還可能來自第（i-1）階段的成品梁剩余數量。

需求不均衡條件下的預制梁場制梁臺座定量優化計算就是基于上述問題的分析，從第1階段到第k階段（1≤k≤n），分階段建立預制T梁總需求數量、階段的需求數量、成品梁需求率、最大需求率、單位預制臺座的周轉次數以及生產數量和生產天數的數學模型，通過迭代的方式求得最優解，該結果即為需求不均衡條件下的預制梁場制梁臺座數量。

2.2 基于BIM技術的動態模擬優化布置

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型的基礎，進行三維建筑模型的建立，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。BIM技術可以三維建筑模型為基礎進行項目規劃、設計、施工和運營管理，形象直觀地展示項目的設計效果、模擬施工過程，進行可視化指導施工等，項目設計、施工、運營均在可視化狀態下進行，提高了工程效率和質量。

基于BIM技術的可視化與模擬性，在確定制梁、存梁臺座規模數量的前提下，依據傳統的平面布置通過對建立的山嶺高速公路預制梁場的靜態三維模型以及不同施工狀態時的動態三維模型進行動態建模、模擬，優化調整以獲得山嶺地區高速公路橋頭路基預制梁場最優場地布置。

首先，根據預制梁場各個功能區域的施工工序，確定各個功能區域，包括功能區域內的各個構件，處于不同施工狀態時的施工作業對空間的影響范圍，即確定對功能區域或者構件周圍水平、豎直空間的影響距離，并通過給模型賦予一定的形式表征影響范圍。需要說明的是，表征影響范圍的一定形式，就是在功能區域或者構件的外圍空間距離內設置一種固定材質的框架來表征三維模型的影響范圍。然后，通過直觀可視化的方式，利用BIM技術的碰撞檢查功能，針對不同施工狀態時的動態三維模型進行模擬，核對檢查預制梁場各個功能區域，包括功能區域內各個構件的三維模型之間的交切情況，即三維模型體之間是否存在重疊區域或接觸距離超過限制值。通過動態調整各個功能區域，包括功能區域內各個構件的三維模型屬性參數，修改三維模型之間的水平、豎直距離，針對調整后的三維模型重新進行交切模擬，達到三維模型不再存在交切情況的目標。最后，獲取預制梁場的最優場地布置，利用BIM技術建立三維模型。

基于BIM技術的動態模擬優化布置考慮動態的施工工藝與施工區域的影響，很好地滿足了山嶺高速公路預制梁場的合理布置需求，減少了臨建返工率，極大地提高了施工效率，節省了費用，充分考慮了施工狀態下的工序干擾與區域干擾，顯著降低了施工安全風險。

3 實例應用

巴通萬高速公路地處四川盆地北東緣大巴山區，屬于典型的山嶺地區高速公路。某一預制梁場的預制T梁任務總數為485片，制梁總工期為260d，分6次架梁，需求不均衡條件下的某預制場架梁安排見表1。

表1 需求不均衡條件下的某預制場架梁安排表

已知單片T梁整個施工工序需要的時間為10d，模板的周轉周期為1d。在滿足橋梁工程建設進度、施工質量的前提下，分別通過傳統計算方法和需求不均衡條件下的預制梁場制梁臺座定量優化計算方法的計算結果對比如下：傳統算法、優化算法計算的制梁臺座數量分別為30座、20座，模板數量均為3套，總生產能力分別為780片、500片，剩余生產能力分別為295片、15片。由此可知，優化算法節約制梁臺座10座，不僅減少了制梁臺座的建設費用，還節省了預制梁區的占地面積，從而為預制梁場的設計和生產創造了更有利的條件。根據現場實際情況，基于BIM技術的動態模擬優化布置結果，布置預制梁場制梁臺座20座，分5行4列布置，橫向間距為3.8m，縱向間距為5m；布置存梁臺座為40座，分8行4列布置，縱向間距為5m；運輸通道設置在中間，寬度為5m，制梁臺座和存梁臺座沿道路兩側布置；生活區、鋼筋制作區布置在路基外，緊鄰制梁區；布置4臺龍門吊；混凝土采用罐車通過混凝土拌和站運輸至預制梁場。

4 結論

（1）山嶺地區高速公路橋頭路基預制梁場采用需求不均衡條件下的預制梁場制梁臺座定量優化算法，綜合考慮了預制梁場主要因素，分階段構建了數學模型，迭代求解最優解確定了制梁臺座規模數量，相較傳統算法，結果更加精確且更符合實際情況。（2）基于BIM技術的動態模擬優化布置，在傳統平面布置的前提下，考慮動態的施工工藝與施工區域的影響，減少了返工率，提高了施工效率，節省了費用，充分考慮了施工狀態下的工序干擾與區域干擾，極大地降低了施工安全風險。（3）山嶺地區高速公路橋頭路基預制梁場優化布置技術在巴通萬高速公路預制梁場布置中獲得了較好的應用效果，結合靜態與動態、定性與定量的優化布置方法確定最優布置，并依據BIM技術建立了三維可視化模型，可供后續同類型項目參考。