BIM技術(shù)在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁0#塊支架施工中的應(yīng)用

戴培義

(中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司，四川 重慶 400700)

我國是橋梁大國，預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋施工屬于成熟技術(shù)，利用現(xiàn)有技術(shù)完成其0號塊支架設(shè)計(jì)、計(jì)算并不困難，但存在工作量大、方案難以得到有效優(yōu)化、各任務(wù)間協(xié)同性差、效率低、決策時(shí)間長等問題。

廣清城際北延項(xiàng)目位于廣東省清遠(yuǎn)市城區(qū)，線路全長19.7 km，其中橋梁里程18.34 km，有15座三跨或四跨連續(xù)梁，其中一座(50+80+80+50)m連續(xù)梁橋需要跨越北江，基礎(chǔ)采用鋼套箱圍堰施工。所有連續(xù)梁采用懸臂施工方法澆筑，涉及相關(guān)的0號塊及邊直段支架搭設(shè)。由于該項(xiàng)目位于清遠(yuǎn)市城區(qū)，現(xiàn)場施工條件復(fù)雜多樣，在滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范的前提下，常規(guī)工作流程為：針對每座橋梁每個(gè)0號塊及邊直段的現(xiàn)場技術(shù)條件選擇合適的支架方案，進(jìn)行幾次十幾次甚至更多力學(xué)計(jì)算與評估判斷，通過工程算量計(jì)算與成本分析，完成施工詳圖設(shè)計(jì)及施工技術(shù)交底等相關(guān)工作，最后以文檔、圖紙的形式提交相關(guān)技術(shù)成果，并指導(dǎo)連續(xù)梁支架施工。

BIM技術(shù)作為當(dāng)今一項(xiàng)熱點(diǎn)技術(shù)，已經(jīng)在橋梁工程領(lǐng)域得到了比較廣泛的重視和應(yīng)用，并已成為橋梁智能建造發(fā)展戰(zhàn)略的一項(xiàng)基礎(chǔ)門類。但現(xiàn)有的BIM技術(shù)在橋梁臨時(shí)支架工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要還體現(xiàn)在支架三維翻模、可視化交底及動畫展示等方面[1-3]，還難以實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在連續(xù)梁支架工程領(lǐng)域的深度應(yīng)用，本文將對此展開針對性研究，以促進(jìn)該技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級。

1 0號塊支架方案選擇

方案的優(yōu)劣體現(xiàn)了橋梁臨時(shí)支架工程技術(shù)水平。一個(gè)好的支架方案，既需要考慮既有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、相關(guān)工程技術(shù)規(guī)范，還需要參考作業(yè)隊(duì)的施工經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平、現(xiàn)場地形地質(zhì)條件，盡可能地選擇易于操作、作業(yè)時(shí)間短、材料易于周轉(zhuǎn)和裝配且施工成本盡可能低的技術(shù)方案。0號塊支架通常采用盤扣支架、三角托架、鋼管立柱支架等常見型式。考慮到本項(xiàng)目位于主城區(qū)，墩高一般在25 m以下，施工環(huán)境對城市交通影響較大，如果采用盤扣支架，則構(gòu)件多、堆放搬運(yùn)困難；三角托架成本相對較高且安裝困難；而鋼管支架施工簡單，可裝配性好，易于材料周轉(zhuǎn)使用，對于多座連續(xù)梁施工時(shí)，綜合成本較低。綜合考慮后決定采用鋼管支架方案。

由于鋼管立柱支架方案可能因0號塊的差異存在多樣化鋼管立柱布置方式，現(xiàn)場通常采用的四類鋼管立柱方案見圖1。

圖1 0號塊鋼管立柱支架布置方案

上述四類方案的共同特征是，鋼管立柱支撐于承臺或條形基礎(chǔ)上，鋼管立柱上端設(shè)置大橫梁，其規(guī)格一般為2I36a～2I45a；橫梁上支撐承重縱梁或承重桁架，規(guī)格可以選擇I16～I(xiàn)25a工字鋼。四類鋼管支架的主要區(qū)別在于：

(1)方案I的橫梁頂面不在同一高程，承重縱梁為工字鋼縱梁，該方案施工簡單、焊縫少、易于操作；但0號塊外模需要在大橫梁位置切割，以便外側(cè)模板安裝時(shí)，可以穿過大橫梁。

(2)方案II則需要設(shè)置10片左右的承重桁架支撐于大橫梁上，其上再鋪設(shè)橫向方木和底模；該方案存在的主要問題在于承重桁架的加工麻煩，精度要求高，標(biāo)高定位困難。

(3)方案III、IV的橫梁頂面位于同一高程，承重縱梁需要焊接豎向型鋼支腿以調(diào)節(jié)縱梁斜面標(biāo)高(本文將該承重縱梁簡稱調(diào)節(jié)縱梁)；調(diào)節(jié)縱梁上可以設(shè)置I16工字鋼小橫梁，其上再設(shè)置縱向方木和底模板，此時(shí)調(diào)節(jié)縱梁在橫向的數(shù)量需要4～5片。施工的關(guān)鍵在于需要根據(jù)大橫梁的實(shí)際標(biāo)高，精密確定調(diào)節(jié)縱梁的幾何尺寸，不但易于實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)縱梁的裝配式施工，并可方便適應(yīng)不同的0號塊底板斜坡情況。也可以取消I16橫向工字鋼，而直接布置10 m×10 cm小橫梁，此時(shí)要求調(diào)節(jié)縱梁在10片左右，但需要注意的是較多的調(diào)節(jié)縱梁數(shù)量會導(dǎo)致調(diào)節(jié)縱梁的精密控制工作量的加大。

參考作業(yè)隊(duì)伍的經(jīng)驗(yàn)，并綜合考慮安裝、定位、可裝配性及施工成本等因素，最后選擇方案III、IV作為廣清北延項(xiàng)目連續(xù)梁0號塊鋼管支架方案。

2 0號塊支架力學(xué)計(jì)算與信息模型構(gòu)建

傳統(tǒng)的0號塊支架力學(xué)計(jì)算步驟是：首先選擇結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器、MIDAS或ANSYS等有限元軟件，根據(jù)規(guī)范計(jì)算主梁自重荷載、模板荷載、人群荷載、混凝土振搗沖擊等組合荷載，再根據(jù)支架幾何布置、構(gòu)件鏈接及構(gòu)件材料規(guī)格描述單元節(jié)點(diǎn)信息及支座約束信息，再進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，查詢并評估相應(yīng)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性指標(biāo)；當(dāng)不滿足要求時(shí)，調(diào)整相應(yīng)支架構(gòu)件的幾何布置或型鋼構(gòu)件規(guī)格，反復(fù)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算及評估，直到滿足要求為止。構(gòu)件的有限元力學(xué)模型可以是三維有限元模型也可以依據(jù)等效結(jié)構(gòu)法建立平面桿件有限元模型，而要完成鋼管立柱支架的三維幾何建模，則需要將鋼管支架模型采用諸如Tekla、Bentley、Revit、CATIA等國際品牌建模，通過其構(gòu)件的繪制和編輯得到[4-6]。實(shí)際上，以上鋼管立柱支架的力學(xué)計(jì)算和三維BIM模型構(gòu)建是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過程。本文采用RBCCE+Revit聯(lián)合建模的策略，可以快速實(shí)現(xiàn)0號塊鋼管支架的力學(xué)計(jì)算和三維BIM模型的構(gòu)建，具體操作步驟如下：

步驟1，建立用二維圖形表達(dá)的內(nèi)含三維模型信息的混凝土連續(xù)梁和橋墩立面模型及某一橫斷面模型。

步驟2，通過繪制簡單的特征符號線來表達(dá)鋼管支架幾何布置，并通過特征線屬性來描述構(gòu)件材料規(guī)格，相應(yīng)的模型用來構(gòu)成鋼管立柱支架的力學(xué)計(jì)算信息模型。

步驟3，進(jìn)行支架力學(xué)計(jì)算、查詢并評估相應(yīng)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性指標(biāo)，不滿足要求時(shí)，調(diào)整支架特征線的幾何布置或特征線材料屬性參數(shù)，再進(jìn)行相應(yīng)力學(xué)計(jì)算和計(jì)算結(jié)果評估，直到得到滿意的結(jié)果為止。

步驟4，利用RBCCE與國際品牌Revit的鏈接功能，將上述鋼管立柱支架信息模型自動轉(zhuǎn)化為Revit的三維BIM模型。

圖2、圖3為本項(xiàng)目中青欖海大橋(61.8+64.7)m二跨連續(xù)梁橋立面圖和橫斷面圖。主墩連續(xù)梁的0#塊分別位于67#墩墩頂，0#塊結(jié)構(gòu)尺寸為：梁長14 m,梁底寬5.86 m,梁頂寬11.2 m(兩邊翼板2.67 m寬)，跨中梁高4.2 m，最大截面高6.8 m；梁頂板厚0.65～0.40 m,底板厚1.5～0.4 m，腹板厚0.4～0.9 m。

圖2 連續(xù)梁所處位置立面(單位：m)

圖3 連續(xù)梁橫斷面(單位：m)

圖4為采用RBCCE構(gòu)建的青欖海大橋0號塊鋼管支架力學(xué)信息模型，圖中顯示了主梁立面、主梁上某一橫斷面，用來描述鋼管支架縱向和橫向布置的特征線，主要包括鋼管立柱及大、小橫梁、調(diào)節(jié)縱梁特征線，特征線包含了相應(yīng)構(gòu)件的材料規(guī)格信息。

圖4 青欖海大橋0號塊托架力學(xué)計(jì)算信息模型

基于上述力學(xué)信息模型，即可方便創(chuàng)建大小橫梁計(jì)算模型、調(diào)節(jié)縱梁計(jì)算模型，再進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算和計(jì)算結(jié)果查詢。結(jié)構(gòu)計(jì)算所需要的組合荷載信息、單元節(jié)點(diǎn)信息及約束信息，RBCCE會從所構(gòu)建的鋼管支架力學(xué)信息模型中自動提取、加工和轉(zhuǎn)化自動得到。如通過大、小橫梁及調(diào)節(jié)縱梁的計(jì)算模型及部分計(jì)算結(jié)果，可以便捷得到滿足強(qiáng)度、剛度和鋼管立柱壓桿穩(wěn)定性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果，見圖5。

圖5 各構(gòu)件計(jì)算模型及最大正應(yīng)力(尺寸單位：m,應(yīng)力單位：MPa)

3 鋼管支架三維構(gòu)造模型的構(gòu)建

力學(xué)模型構(gòu)建并計(jì)算完成后，再根據(jù)上述0號塊鋼管支架力學(xué)信息模型中的特征線位置，創(chuàng)建相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征線和結(jié)構(gòu)模板[7]，它們共同構(gòu)成了鋼管支架的三維構(gòu)造信息模型。圖6調(diào)節(jié)縱梁、橫聯(lián)及縱聯(lián)均為結(jié)構(gòu)模板，帶有箭頭的特征線為結(jié)構(gòu)模板或大、小橫梁的空間定位線。結(jié)構(gòu)模板的屬性中還包含有橫向布置等信息，見圖7。利用這些信息模型，RBCCE可以自動生成相應(yīng)的Revit三維圖，各結(jié)構(gòu)模板所對應(yīng)的Revit族、族實(shí)例及其在Revit具體空間位置由系統(tǒng)自動生成；0號塊托架的Revit三維圖見圖8。

圖6 鋼管立柱特征線及結(jié)構(gòu)模板 圖7 調(diào)節(jié)縱梁布置信息

4 鋼管支架詳圖設(shè)計(jì)

鋼管立柱三維模型創(chuàng)建后，還需要利用Revi的剖切、視圖樣板創(chuàng)建、可見性/圖形，明細(xì)及圖紙功能，利用自動生成的0號塊鋼管支架三維模型，便捷得到精細(xì)和規(guī)范的二維施工詳圖及工程量明細(xì)表等。青欖海大橋0號塊鋼管立柱支架設(shè)計(jì)的部分施工詳圖見圖9。

圖8 鋼管立柱支架三維模型

圖9 鋼管支架部分施工詳圖

5 鋼管支架的可視化交底

由于鋼管支架從設(shè)計(jì)計(jì)算到三維BIM模型構(gòu)建，繪制最后的施工詳圖，既有三維圖形，可以看清鋼管支架各構(gòu)件之間的相互位置關(guān)系，局部構(gòu)造處理也會配有相應(yīng)的局部向三維或二維詳圖；再配以相應(yīng)的施工工藝安排、施工風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)說明或注意事項(xiàng)，即可完成鋼管支架施工的精細(xì)、直觀、易懂的可視化交底文件，以指導(dǎo)連續(xù)梁鋼管支架的施工，實(shí)現(xiàn)鋼管支架現(xiàn)場施工的精準(zhǔn)管控，鋼管支架調(diào)節(jié)縱梁的交底見圖10。

圖10 調(diào)節(jié)縱梁局部三維顯示

6 結(jié)束語

本項(xiàng)目BIM技術(shù)在0號塊鋼管支架工程中的成功應(yīng)用，可為今后其它類似工程提供有益經(jīng)驗(yàn)和參考。