基于BIM模擬128 m鐵路鋼桁梁原位拼裝技術(shù)研究

公彥良 田小路

(中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司 北京 101400)

1 引言

BIM技術(shù)作為信息技術(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展的重大成果，為橋梁工程設(shè)計施工企業(yè)科學(xué)經(jīng)營、精細(xì)管理提供了新的手段，成為企業(yè)發(fā)揮競爭優(yōu)勢的有效途徑。隨著行業(yè)內(nèi)各大集團(tuán)企業(yè)全面推行和倡導(dǎo)精細(xì)化管理理念，以BIM三維信息模型與管理平臺的應(yīng)用逐漸成為各企業(yè)落實精細(xì)化管理的重要舉措[1－4]。

鐵路鋼桁梁架設(shè)通常采用拖拉法或支架法原位拼裝的施工工藝[5－7]。對于初次接觸鋼桁梁的工程技術(shù)人員來說，沒有相應(yīng)的施工經(jīng)驗，對于整個鋼桁梁施工工序及過程沒有一個直觀的認(rèn)識，這就需要一種新型的技術(shù)來彌補施工經(jīng)驗的欠缺。隨著BIM技術(shù)的出現(xiàn)，工程技術(shù)人員可以使用計算機軟件對鋼桁梁桿件安裝進(jìn)行模擬施工，形象直觀地展示鋼桁梁桿件形狀樣式、安裝過程，提前消除施工中可能出現(xiàn)的不良影響，優(yōu)化施工順序，可大大提高鋼桁梁的安裝精度與速度。

2 工程概況

蒙華鐵路湖南段京廣鐵路特大橋在DK1424＋832.473(2＃～3＃墩之間)處上跨岳陽市岳陽樓區(qū)梅溪鄉(xiāng)通海路，斜交角度為24.56°，設(shè)計采用1－128 m簡支鋼桁梁跨越。鋼桁梁全長129.5 m，主桁采用無豎桿整體節(jié)點平行弦三角桁架下承式有砟橋面簡支鋼桁梁，節(jié)間長16 m，桁高16 m，主桁中心距12.4 m，寬跨比1/10.3。

通海路為城陵磯新港區(qū)到市區(qū)的主干道，人流量、車流量大，路面寬24 m，為雙向六車道，每車道寬4 m。通海路路面邊距跨京廣鐵路特大橋2＃墩承臺6.04 m，距 3＃墩承臺 6.2 m。 2＃、3＃墩墩高分別為8 m、7 m，鋼桁梁跨中梁底與通海路路面高差為7.4 m。鋼桁梁架設(shè)完成后實景見圖1。

圖1 128 m鐵路鋼桁梁跨越通海路

3 鋼桁梁施工方案選擇

本工程鋼桁梁架設(shè)方法在拖拉法和原位拼裝法兩種方案中進(jìn)行比選。鋼桁梁拖拉法施工需要在橋位大或小里程端搭設(shè)臨時支墩及拼裝平臺，同時要準(zhǔn)備大噸位拖拉設(shè)備及配套設(shè)備。考慮到一方面拖拉法施工周期長，后續(xù)鋪架工期緊張；另一方面橋位處大小里程均有房屋尚未拆遷，所以該鐵路鋼桁梁橋架設(shè)不宜采用拖拉法施工。

原位拼裝方案就是在橋跨原位外側(cè)搭設(shè)龍門吊軌道支架，實現(xiàn)龍門吊高空走行以提升和運送桿件；在橋跨原位內(nèi)側(cè)搭設(shè)鋼桁梁支撐架然后在支撐架上依次拼裝桿件。現(xiàn)場無需提供拼裝場地，邊跨可滿足臨時存放待吊裝鋼桁梁桿件。

經(jīng)比選本工程鋼桁梁拼裝采用支架法原位拼裝施工方案。

4 支架法原位拼裝方案

4.1 支架搭設(shè)

臨時支架為門式支架，分鋼桁梁支撐架和龍門吊走行軌支撐架兩部分(見圖2)。由于承受荷載不同，兩種支架分開設(shè)置。臨時支架主要由混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)、鋼管立柱、分配梁、貝雷梁四個部分組成。每個擴(kuò)大基礎(chǔ)上設(shè)置鋼管立柱，立柱間增設(shè)聯(lián)接系，立柱頂放置分配梁，分配梁上布置貝雷梁。

圖2 鋼桁梁原位拼裝支架體系

在跨京廣鐵路特大橋2＃～3＃墩之間設(shè)置鋼桁梁支架，支架支點位于相應(yīng)下弦節(jié)點處，共計18個支架節(jié)點。為調(diào)節(jié)鋼桁梁拼裝過程中的節(jié)點高程，可在支點上設(shè)置千斤頂，同時在千斤頂兩側(cè)增設(shè)木垛或工字鋼梁支承。

龍門吊走行軌支架采用貝雷梁作為受力主梁，鋼管柱作為受力立柱，在鋼管柱頂處的貝雷梁增加臨時豎桿，共計30個支架節(jié)點。龍門吊走形軌道安裝在貝雷梁頂，2 20a型鋼間距600做墊梁，鋼軌采用P43型，用卡具與墊梁固定牢固。

4.2 龍門吊安裝

支架法原位拼裝方案關(guān)鍵起重設(shè)備為龍門吊。為不影響通海路車輛通行，龍門吊需放置在支架上。根據(jù)最大桿件重量乘安全系數(shù)后確定龍門吊的起重能力。

鋼桁梁單根桿件最大重量為49 t(上弦桿A7A7′)，龍門吊使用安全系數(shù)1.2，選用60 t的龍門吊。龍門吊進(jìn)場后首先進(jìn)行檢查驗收，合格后開始拼裝。拼裝時利用三臺汽車吊進(jìn)行輔助作業(yè)，以確保安全。

4.3 桿件拼裝

鋼桁梁由2＃墩起向3＃墩方向拼裝，根據(jù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)形式及龍門吊的架設(shè)方法，同時遵循“拼裝時盡快形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)”的原則，每個節(jié)間鋼桁梁拼裝順序為:先拼裝兩邊下弦桿，再安裝橋面板，重復(fù)步驟一、步驟二完成鋼桁梁的下弦桿及橋面板安裝；在下弦平面形成平面框架，依次安裝斜腹桿、上弦桿、橫聯(lián)、上平縱聯(lián)，其余節(jié)間依次按順序進(jìn)行拼裝，完成所有節(jié)間拼裝。

4.4 車輛通行及安全防護(hù)措施

鋼桁梁跨越通海路不僅要考慮跨路施工的安全，還要考慮來往行人及車輛行駛的安全。在搭設(shè)臨時支架時，預(yù)留雙向通行的人行道和車行道(每側(cè)2×4 m寬)。為滿足行車的最低要求，橋下凈空按5.0 m控制。在人行道和行車道上方搭設(shè)防護(hù)棚，防止上方雜物墜落傷及行車或行人；在行車道兩側(cè)設(shè)置安全防護(hù)措施，避免車輛對基礎(chǔ)及支架的沖撞破壞。

5 鋼桁梁模擬拼裝技術(shù)

BIM技術(shù)作為一種新的信息化管理手段，利用其強大的可視化，幫助施工人員直觀觀察橋梁細(xì)部結(jié)構(gòu)，提前發(fā)現(xiàn)問題并解決。利用其可模擬性，幫助管理人員厘清施工工藝和流程。出色的信息化和可協(xié)同性，提高各專業(yè)間溝通效率，并對現(xiàn)場實際情況實時進(jìn)行反饋，幫助項目管理人員掌控施工各個環(huán)節(jié)[8－10]。

工程技術(shù)人員在鋼桁梁拼裝方案制定時，由于對鋼桁梁的實物結(jié)構(gòu)沒有直觀的認(rèn)識，對安裝過程沒有形象的了解而容易出現(xiàn)偏差，可能會影響安裝施工的安全、質(zhì)量和進(jìn)度。BIM技術(shù)的應(yīng)用使上述問題迎刃而解，工程技術(shù)人員可以利用計算機實現(xiàn)模擬拼裝，從而避免桿件或零件位置沖突，極大地提高了加工制造的精準(zhǔn)度和安裝施工的安全性[11－13]。

5.1 建立支架和鋼桁梁模型

5.1.1 建模思路

根據(jù)施工方案和施工圖紙標(biāo)注構(gòu)件各零件的尺寸，以零件名稱命名族文件名稱，依次創(chuàng)建相應(yīng)的零件族文件。

零件族創(chuàng)建以后，不直接載入項目文件，而是載入到新的族文件中，以桿件或節(jié)點為名稱創(chuàng)建桿件或節(jié)點族。

將零件做成單一族，將桿件做成組合族，這樣做的優(yōu)點是在項目文件中便于快速、精確地組裝成結(jié)構(gòu)的模型。

5.1.2 建模內(nèi)容

本項目基于Revit平臺，建立了包括支架基礎(chǔ)、鋼管柱、聯(lián)結(jié)系、分配梁、貝雷梁、墊梁、鋼軌等部分的模型，并建立龍門吊、鋼絲繩、吊具模型，形成了鋼桁梁模擬拼裝支架體系和起重體系的BIM模型(見圖3)。

圖3 鋼桁梁拼裝龍門吊體系模型

通過鋼桁梁節(jié)點族、桿件族、螺栓族的建立，將鋼桁梁的不同構(gòu)件BIM模型化，并完成鋼桁梁整體BIM模型的組裝和建立。

5.2 模擬拼裝工作流程

5.2.1 創(chuàng)建項目文件

在Revit軟件中選擇結(jié)構(gòu)樣板并新建項目文件，首先建立標(biāo)高和軸網(wǎng)。先建立路面、支架基礎(chǔ)、支架、鋼桁梁等標(biāo)高；其次建立2＃墩、3＃墩、線路中線及道路中線等軸網(wǎng)；為文件命名并保存。

5.2.2 搭建場地模型

將橋墩族文件、道路族文件載入到項目文件，創(chuàng)建橋墩族實例并布置于相應(yīng)的軸網(wǎng)上。

5.2.3 搭建支架模型

將支架基礎(chǔ)、立柱、橫梁、貝雷梁等族文件載入項目文件，根據(jù)施工方案，分別創(chuàng)建族實例并放置在項目文件中軸網(wǎng)相應(yīng)位置上。

5.2.4 搭建龍門吊模型

先將龍門吊零件族組合成整體族，龍門吊吊鉤族和鋼絲繩族不需組合到龍門吊整體族中，而是與龍門吊整體族文件分別載入到項目文件中，分別創(chuàng)建族實例并放置在項目文件中軸網(wǎng)相應(yīng)位置上。

5.2.5 搭建鋼桁梁模型

將鋼桁梁節(jié)點族、桿件族等族文件載入到項目文件，根據(jù)施工圖紙中節(jié)點或桿件的平面和標(biāo)高位置，在項目文件中創(chuàng)建族實例并放置在相應(yīng)的平面和標(biāo)高上。模型全部搭建完成后保存文件，并將文件導(dǎo)出為“文件名.nwc”格式。

5.2.6 模擬拼裝

打開Navisworks Manage軟件，將Revit中導(dǎo)出的“文件名.nwc”文件附加到Navisworks Manage中，利用該軟件Animator功能進(jìn)行桿件拼裝施工動畫模擬。

5.3 模擬拼裝工作效果

5.3.1 更清晰理解施工圖

BIM模型具有可視性、直觀性，工程技術(shù)人員將抽象的二維圖紙轉(zhuǎn)換為BIM模型，并基于“三維可視化模型”對其他管理和操作人員進(jìn)行圖紙技術(shù)交底，可使大家產(chǎn)生直觀的認(rèn)識，這對保證工程施工質(zhì)量起到關(guān)鍵性的作用(BIM模型見圖4)。

圖4 鋼桁梁支架法拼裝BIM模擬

5.3.2 進(jìn)一步優(yōu)化施工方案

(1)通過模擬鋼桁梁各節(jié)點、桿件的拼裝施工，可以檢查支架搭設(shè)寬度和高度是否合適。在拼裝過程中，當(dāng)拼裝第二節(jié)間時第一節(jié)間橫聯(lián)已經(jīng)安裝，斜桿起吊走行需從第一節(jié)間斜桿外側(cè)與龍門吊支腿之間的空間通過，因此，龍門吊的寬度和高度設(shè)置非常關(guān)鍵。通過模擬拼裝，最終確定龍門吊跨度為20 m，凈高度為25 m，滿足了吊具、吊繩、平聯(lián)桿件高度及吊裝走行的空間需要。

(2)檢查龍門吊提吊桿件行走的路線和障礙情況。通過在Navisworks Manage軟件中模擬鋼桁梁桿件安裝過程，可以檢查各個零件和桿件在拼裝過程中的行走狀況，可直觀地查看有無需要調(diào)整方案之處。

(3)審查支架施工方案有無“差錯漏碰”現(xiàn)象。建立直觀的BIM模型，可模擬在“模擬的現(xiàn)場”中漫游，從而可直觀地查看支架基礎(chǔ)、立柱、橫梁等之間空間位置情況，與識讀二維圖紙相比，可變抽象為形象，提高了技術(shù)人員以及管理人員的工作效率。

5.3.3 進(jìn)行可視化技術(shù)交底

鋼桁梁模擬拼裝施工模型建成后，工程技術(shù)人員或BIM工程師可分步開展可視化技術(shù)交底工作。比如交通導(dǎo)改方案可視化交底、支架基礎(chǔ)布置交底、支架搭設(shè)技術(shù)交底、龍門吊作業(yè)安全技術(shù)交底、鋼桁梁結(jié)構(gòu)與構(gòu)造技術(shù)交底、鋼桁梁節(jié)點安裝技術(shù)交底、桿件安裝技術(shù)交底等。將作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)流程、注意事項制作成三維動畫，改變以往抽象的文字交底方式為形象的可視化交底，作業(yè)人員尤其是操作工人們一看就懂，增強了交底效果。

6 結(jié)束語

通過應(yīng)用BIM模擬鋼桁梁架設(shè)技術(shù)，主要取得兩方面效果:一方面施工人員深刻理解了圖紙及設(shè)計意圖，以便能更加精確地指導(dǎo)完成桿件加工制造、拼裝作業(yè)；另一方面優(yōu)化了拼裝支架和龍門吊支架的搭設(shè)寬度和高度，使桿件吊裝、移動空間更加合理，增強了施工方案的科學(xué)性、合理性，為后續(xù)施工按期順利進(jìn)行創(chuàng)造了條件，實現(xiàn)了鋼桁梁桿件的精確加工和準(zhǔn)確安裝的目標(biāo)。