BIM技術在高速公路橋梁高墩施工中的應用

文｜中鐵長江交通設計集團有限公司 黃有為

高墩施工屬于公路橋梁建設的重難點，存在較高技術要求和施工難度，直接影響公路橋梁整體施工質量和運行安全。結合實際調研可以發現，公路橋梁高墩施工技術本身具備施工周期長、技術要求高等特點，為保證技術應用取得預期效果，正是本文研究的目標所在。在這個過程中可以利用到BIM 技術，對工程施工過程展開分析，實現動態化施工，從側面助力數據精確度得到提高，讓施工工作得到穩定落實。

1.適合BIM 技術應用公路橋梁高墩施工技術特點分析

1.1 施工周期長

一般公路高墩需要進行3m 左右高度的混凝土澆筑，很多施工高墩存在30m 以上的實際高度，受施工高度和復雜施工環節影響，高墩施工的周期往往較長。如存在出現故障的施工設備，施工周期將進一步拉長，這種情況在公路橋梁工程實踐中較為常見，圖1為典型的高墩施工流程[1]。

圖1 典型的高墩施工流程

1.2 設備需求大

受項目進度等因素影響，公路橋梁工程一般需要同時開展多個高墩施工，這對施工材料和施工設備提出較高要求，相應準備工作直接關系施工進度和施工質量。同時進行復數高墩施工會提升施工難度，施工設備和機械的投資也會同時增加。

1.3 技術要求高

公路橋梁高墩施工技術在應用中存在較高要求，這是由于高墩在橋梁結構中極為關鍵，會對橋梁整體質量造成影響。高墩施工本身存在較高難度，因此技術應用必須深入了解和把握要點，科學選用質量控制措施，保證工程建設目標順利實現[2]。

2.公路橋梁高墩施工技術的具體應用

在現代化信息技術飛速發展的今天，充分融入BIM 技術，從二維結構設計轉向三維結構設計，高效率、高質量完成公路橋梁高墩施工設計，不僅可以確保結構設計的科學性、安全性，也能夠讓高墩施工工程項目實現綠色環保要求，降低工程施工成本。最為關鍵的是，BIM 技術應用后，高墩施工中的數據管理、數據分析等環節也會受到其影響，讓建筑工程項目得到進一步優化。

2.1 工程概況

以某高速公路橋梁工程為例，該工程總長240m，設置于山谷地帶，施工區域存在較大的山谷落差，谷底與橋臺間存在60m 左右高差，這使得工程存在50m 長高墩。基于施工環境特征和工期要求，案例工程施工選擇多工作面、分段、分流水方式，分界線為15m。對于施工區域存在較為平緩地形的，通過吊車進行模板安裝并澆筑混凝土，支架搭接用于其他墩柱施工。案例工程的5#-8#號墩柱為典型高墩，常截面段長分別為37m、42m、46m、50m，變截面段長分別為35m、40m、40m、45m。

2.2 測量放樣

工程通過極坐標控制測量進行放樣，在高墩施工過程中，內外模位置內隔4～5m調整1 次，以此在5mm 內控制高墩柱誤差。在施工條件允許前提下，通過水準儀、全站儀測量和調整高墩高程，輔以嚴格開展的施工場地清理，混凝土澆筑可能出現的浮漿等問題實現有效預防。測量在工程項目中具有著重要作用，尤其是BIM 技術出現后，測量精確度得到了根本上的保證，根據施工圖紙可以確定具體的高墩樁分部情況，確定橋墩和裝樁基的相對位置，并且借助Pro Structure 軟件提供坐標提取功能，不僅可以提高施工坐標的精準性，通過具體的坐標提取為后續的工作奠定了良好的基礎。測量放樣中還可以利用BIM 技術玩車南工程量統計，通過對材料進行編號，導出鋼筋統計表，沒為后續的施工奠定良好的基礎。

2.3 模板施工

案例工程的模板制作加工在現場完成，之后需要審核其質量并向施工位置處運輸。施工用模板由工作平臺、橫豎背肋、拉桿、外模板、內模板組成，一套模板由四節模板構成，高度為1.5m，基于施工順序，施工人員需要依次拼接6 塊外模、12 塊內模，以此組裝一節模。施工過程中每次翻模3節，板面及模板間接縫需要及時調整，保證存在10mm 內的模板錯臺誤差。安裝模板完成后，通過檢測尺、全站儀等檢查安裝精準度并進行調整。傳統的二維圖紙設計的相對簡單，但利用BIM 技術可以實現3D輸出技術，而且出圖便捷，借助Bentley 自帶打印機，可以輸出3D-PDF 模型，在最短時間內取得具體的項目信息，包括剖面圖和透視圖。在這一技術的輔助下，可以在設計工作批量輸出二維圖紙，明確具體的數據。該施工團隊利用Revit 軟件實現BIM模型的構建，在這個過程中借助拉伸、融合、放樣等功能實現了高墩模型構建，將內外模板結合實際需求落實得參數化調解，其中內外模板可以借助梁體截面偏移獲得。根據不同構件的局部細節可以完成更好的拼裝，并且得到整體結構。但考慮到高墩施工技術本身的反復雜性，還需要對模型進行進一步的優化，落實參數化建模。采用了Python OCC 技術，針對內外模板、坐標信息進行創建，為后續的施工奠定基礎。

2.4 支架搭設施工

支架搭設屬于高墩施工技術應用重點，具體施工前需要對腳手架及基土性質開展校驗和調整，在施工要求滿足后搭設支架。搭設過程需要按照1.2m 控制立桿與橫桿距離，同時保證存在0.9m 左右的排間距。為保證高墩施工安全，需做好支架受力驗算，驗算過程應計算結構配件、立桿底段與地基自重，對比設計值和計算結果，施工質量將更好得到保障[3]。

2.5 鋼筋施工

完成支架搭設驗算后，需開展鋼筋施工，墩身模板選擇定制定型鋼模板，墩身能夠由此具備更高負荷承載力水平。按照1.5m 內控制模板高度，吊裝由大噸位吊車負責，模板的中部和頂部通過風纜繩緊固處理，豎直方向的模板剛度能夠得到保障。安裝鋼筋環節需要首先安裝豎向主筋，之后依次安裝環向水平筋、加勁箍、倒角筋，拉結筋最后安裝。關于勁性骨架，安裝前需做好放樣準備工作，定位角鋼安裝位置需要在內層位置準確定位。綁扎水平箍筋過程需要基于確定的主筋綁扎位置，在4.5m內控制綁扎高度，之后的豎筋綁扎施工按照從下而上順序開展，同時這一過程需保證鋼筋保護層厚度不會受到損害。豎筋外側需要設置混凝土墊塊，該墊塊的強度等級相同，具體按照每平方米4 個墊塊的比例設置，固定處理由雙股扎絲和鋼筋負責，具體布置采用梅花狀設計。

2.6 混凝土施工

混凝土澆筑施工同樣屬于案例工程高墩施工技術應用的重要環節，該環節同樣會對工程整體施工質量造成直接影響，具體施工需關注以下幾方面要點：第一，嚴格控制混凝土配比。在拌和混凝土的過程中，混凝土配比必須得到嚴格重視和科學控制，以此遵循配比原則，優選施工用混凝土攪拌機，案例工程混凝土澆筑使用的攪拌機為常用的強制式攪拌機；第二，施工交底。在混凝土澆筑施工開始前，施工單位結合澆筑技術和要點開展了針對性的技術交底，施工在保證技術達標的前提下開展，同時混凝土攪拌的顏色質量和時間控制要求也能夠滿足設計及規范要求；第三，混凝土運送。基于二級泵站運送方式運送混凝土，運送過程需保證其嚴密性得到最大程度保證，在全面的準備工作支持下，混凝土澆筑得以順利完成。澆筑過程中，施工質量得到較好控制，案例工程在之后的混凝土養護環節也投入大量精力并取得預期成果。利用大數據技術可以更加順利的完成混凝土配合比設計，在實際應用過程中，借助配合比數據庫和keras 開源深度學習框架完成了多目標需求的計算分析，可以獲得候選最優配合比。根據施工工程項目具體的強度要求和單方生產成本、單方生產碳排放量、混凝土材料等方面指標參數，就可以輸出最為合適的配合比數據。借助這一人工智能模型設計相應的混凝土配合比，先要輸入配合比要求和具體的水泥型號、細集料、粗集料、減水劑等方面的數據，從實際應用性能效果來看，在實際發展過程中借助隨機森林算法和keras 開源深度學習框架完成了配合比優化設計，充分考慮到不同目標之間的關聯性。這種模型不僅可以完成高精度的預測，還可以根據公路橋梁高墩施工工程的要求給出最優配合比參數。在人工智能模型設計下，會根據不同的公路橋梁高墩需求找到相對應的配合比參數，根據物理實驗試拌的結果來看，配合比優化后抗壓強度和給定值相近，不會出現強度不足或者強度冗余等問題。

2.7 施工質量評估

為保證高墩施工技術更好服務于案例工程橋梁施工，需圍繞該技術應用開展針對性的施工質量評估，由此開展的穩定性評估公式為：

式（1）中的A、q、γ 分別為橋墩橫截面面積、高墩單位長度、混凝土容重，c、r 分別代表高墩的周長、半徑，γ 為高墩穩定系數，結合式（1）進行計算，可得到高墩常截面（表1）與常變截面自體穩定結果（表2）。

結合表1和表2進行分析可以發現，受增加的墩身高度影響，存在逐漸降低的穩定系數，因此案例工程在施工過程中重點調整高墩荷載以及節段施工誤差，高墩結構的剛度和穩定性因此得到保證，工程整體施工質量也得以大幅提升。綜合來看，BIM 技術在該高速公路橋梁施工過程中，實現了深層次的應用，不進件解決了反復施工的問題，也降低了施工成本。尤其是在技術交底階段，BIM 技術最大程度避免了工件丟失問題，切實強化施工坐標的精確性，還需要借助工程量展開統計，從根本上控制施工構件，設計邊界條件、添加荷載，展開有限元計算，減少誤差。以高墩施工微彈力，橋墩實心段和空心段的應力相對較大，尤其是在澆筑進行過程中，橋墩和承臺對流條件各不相同，橋墩散熱降溫較慢，很容易導致局部溫差過大，借助BIM 技術可以有效避免這一情況出現，減少開裂風險發生。

表1 高墩常截面穩定性

表2 高墩常變截面穩定性

從后期養護角度來看，BIM 技術也發揮著不可替代的作用，可以實現可視化管養體系，針對高墩施工落實荷載管控，可以在平臺上添加專項檢查和荷載試驗記錄，記錄檢查信息，將橋梁總體技術狀況評定為下拉菜單，還可以在開展周期性監測和養護措施。借助BIM 技術可以全面系統的保存高墩施工技術的相關信息，包括理論高程、實測高程，明確混凝土澆筑時間、橫縱鋼束壓漿時間，以此為后續的包養工作開展情況奠定良好的基礎。

3.結論

綜上所述，公路橋梁高墩施工技術在應用中需關注多方面因素影響。在此基礎上，本文涉及的測量放樣、模板施工、支架搭設施工、鋼筋施工等內容，則提供了可行性較高的施工技術應用路徑。為更好滿足公路橋梁高墩施工需要，軸線控制、特殊施工平臺建設、施工方案模擬等方面同樣需要得到重視，