高灣特大橋工程鋼筋模塊化BIM技術的應用

江鵬飛，梁 建

（宏潤建設集團股份有限公司，上海市 200235）

1 工程概述

象山縣高灣特大橋屬于石浦高速公路新橋連接線的一部分，其包含一座主線橋及兩條匝道橋。

主線橋長1 683 m，橋面寬26～49 m，基本跨徑35 m，共布設48跨；采用鉆孔灌注樁基礎，設重力式橋臺及工字型承臺，墩柱采用微彎型雙柱式橋墩上接蓋梁，梁跨為預應力混凝土現澆連續箱梁，左右分幅設置。

兩條匝道橋長均為250 m，橋面寬10 m，基本跨徑35 m，各布設7跨；采用鉆孔灌注樁基礎，設樁柱式橋臺及矩形承臺，墩柱采用獨柱花瓶墩，梁跨為預應力混凝土現澆連續箱梁，單幅設置。

高灣特大橋工程中樁基、承臺、墩柱、蓋梁等結構，均采用了“鋼筋模塊化”施工技術。各構件鋼筋模塊最大尺寸分別為：樁基1.8 m×13 m、蓋梁19.6 m×2.6 m×2.4 m、立柱11.4 m×2 m×2.2 m、承臺9 m×7.5 m×3.5 m。單個鋼筋模塊最大重量約24 t。

2 鋼筋模塊化施工特點

“鋼筋模塊化”施工技術，是“建筑業10項新技術”中“建筑用成型鋼筋制品加工及配運技術”的提升。即先在鋼筋加工廠內定尺下料加工，并用定型胎架將分散的鋼筋制作成一個個獨立成型的構件模塊，再逐個運輸至施工現場進行組拼安裝，實現“集中化、工廠化、裝配化”的鋼筋施工工藝。

鋼筋模塊生產中，采用了“鋼筋籠滾焊機、數控鋼筋加工設備、定型胎架”等一系列專業設備及工藝，保證了“模塊化”的生產需要，并通過吊車、平板車進行運輸安裝，整個過程機械化程度高。

“鋼筋模塊化”技術，相較于傳統現場綁扎工藝，不僅改善了作業環境，減輕了勞動強度，降低了安全風險；還提高了鋼筋加工的質量，縮短了現場施工周期，提高了施工效率；使得施工管理更加集中高效。

但由于橋梁結構的鋼筋布設較為復雜，且鋼筋直徑較大，按照以往的鋼筋設計圖紙直接生產出來的鋼筋模塊，經常在其安裝過程中存在“鋼筋碰撞”的現象，見圖1。若在安裝現場再進行鋼筋調整，難度較大且影響作業效率和施工質量。

圖1 鋼筋碰撞示意圖

因此，需要在“鋼筋模塊”生產階段，就對各構件之間可能出現“鋼筋碰撞”預先進行處理，以降低現場模塊安裝的難度，從而才能讓“鋼筋模塊化”施工技術發揮出“高質、高效、安全”的優點。

3 三維建模優化

高灣特大橋工程“鋼筋模塊化”施工中，就應用BIM技術，先在計算機上模擬鋼筋模塊的內部構造以及各模塊之間的空間位置，并進行鋼筋碰撞校核，事先發現鋼筋模塊制作安裝過程中可能存在的問題。

同時通過BIM技術的三維建模，這種直觀的形式，能更加方便地與監理、設計、業主等參建各方進行溝通討論，有利于鋼筋局部設計變更的決策和鋼筋定尺加工細節的事前控制。

3.1 優化調整思路

三維建模優化調整的主要對象為“各模塊間相互關聯鋼筋的位置”，以及“模塊內鋼筋的布設”；調整的內容主要是鋼筋間距，此外還可能涉及個別鋼筋的增減和彎制。

優化調整前可先列出存在關聯的鋼筋對象，然后由可調度最少的構件開始，依次根據相鄰構件的鋼筋布置情況，逐個進行優化調整。

此外，鋼筋優化調整還應做到三個“盡量”：（1）盡量控制鋼筋間距基本均勻；（2）盡量保持原設計的鋼筋數量；（3）盡量減少對受力主筋的調整。

3.2 建模優化調整

針對高灣特大橋工程下部結構的鋼筋布設，鋼筋模塊安裝過程中，需要調整的交界面及構件對象為：樁基主筋與承臺底面鋼筋；承臺頂面鋼筋與墩柱主筋；墩柱主筋與蓋梁骨架、箍筋及預應力束之間。

（1）樁基主筋與承臺底面鋼筋

為了便于樁基鋼筋籠的節段對接以及滾焊機的加工，先按原設計圖確定樁基主筋為均勻等間距布置，再依據其作為基準參照，用以調整承臺的底面鋼筋的布設。

承臺底面鋼筋調整情況見表1、圖2。

表1 承臺底面鋼筋調整匯總表

（2）承臺頂面鋼筋與墩柱主筋

考慮到墩柱主筋下接承臺，上承蓋梁，且承臺頂面鋼筋與底面鋼筋之間無直接對應關系，為了減少調整量，因此先按原設計圖確定墩柱主筋為均勻等間距布置，用其作為主要基準參照(調整后的承臺底面鋼筋作為次要參照)，用以調整承臺頂面的鋼筋位置。

圖2 承臺底面鋼筋平面布設圖(調整后)

承臺頂面鋼筋調整情況見表2、圖3。

表2 承臺頂面鋼筋調整匯總表

圖3 承臺頂面鋼筋平面布設圖(調整后)

（3）墩柱主筋與蓋梁鋼筋及預應力束

由于蓋梁設有成片的骨架鋼筋以及預應力束，因此先按照原設計圖確定預應力束的位置，再接合考慮墩柱主筋，去調整蓋梁骨架鋼筋以及其箍筋的位置。

蓋梁鋼筋調整情況見表3、圖4、圖5。

由于墩柱個別主筋與蓋梁預應力束之間存在位置上的沖突，因此需要對其進行截短，調整情況見圖6。

4 鋼筋模塊制作及安裝

通過BIM技術三維建模，對鋼筋模塊進行優化布筋，從理論層面上保證了鋼筋模塊組拼時的匹配性，基本能避免模塊安裝時鋼筋的沖突碰撞。

圖4 蓋梁骨架立面布設圖（調整后）

圖5 蓋梁箍筋立面布設圖(調整后)

圖6 墩柱主筋與蓋梁預應力束沖突調整

但要真正實現BIM技術優化布筋的效果，更重要的是通過保證鋼筋制作及安裝的精度。

本工程通過采用專業的機具設備和嚴格的工藝標準，保證了鋼筋模塊，從加工制作，到吊裝運輸，再到安裝到位，全過程的施工精度，基本實現“三維模型”的具象化，達到優化布筋的實際效果。

4.1 鋼筋模塊加工制作

本工程鋼筋模塊在專門的鋼筋加工廠內集中制作，通過采用數控鋼筋彎曲中心和數控彎弧機，確保了鋼筋原材下料、彎制的統一性和準確性，并利用鋼筋籠滾焊機（適用于圓柱體模塊）和定尺胎架（適用于立方體模塊），滿足了鋼筋布設、固定的要求，實現了鋼筋模塊的批量化生產，見圖7。

圖7 承臺鋼筋模塊

4.2 鋼筋模塊運輸吊裝

為了控制鋼筋模塊從加工廠內吊裝運輸至安裝現場的過程中的變形，實現“減少彈性變形，不產生塑性變形”的目的，需要根據鋼筋模塊后期的受力形態和受力點，進行吊點布設和構造強化。

對于承臺、蓋梁等不需要翻轉的鋼筋模塊，按構造支撐點布設吊耳，并保證起吊合力作用于模塊重心；對于樁基、墩柱等需要進行翻轉的鋼筋模塊，除了優化吊點外，還通過增設環向加強箍，以滿足模塊吊運過程中的剛度要求。

同時在運輸過程中，保證支點與吊點的對應，并通過臨時固定（捆綁、點焊等）、控制運輸車速等措施，減少顛簸和振動，降低對鋼筋模塊的影響，見圖8。

4.3 鋼筋模塊安裝定位

為了實現“三維模型”模擬的工況，鋼筋模塊安裝時，需要從樁基開始，依據不同構件的特點進行精確的定位和臨時固定，而其中最關鍵的就是樁基鋼筋籠的定位和固定。

圖8 墩柱鋼筋模塊吊運

首先在樁基開鉆前，就應做好護筒的固定，成孔過程中注意垂直度的控制，在最后一節鋼筋籠下放時，于擱置梁上測放出四個鋼筋籠吊筋的點位后（注意相對轉角），再采用直螺紋套筒接頭的吊筋，固定好鋼筋籠。灌樁時控制澆筑速度，并做好鋼筋籠后續的定位保護。

保證樁基鋼筋籠定位后，隨后的承臺、墩柱、蓋梁的鋼筋模塊安裝，方可按計劃落位。每個部位的鋼筋籠落位后，均進行測量復合，并采用焊接、纜索、支撐等方式進行臨時固定。

此外，本工程承臺、墩柱、蓋梁等構件均采用定型鋼模板，除了保證構件澆筑外觀質量外，還能通過保護層墊塊，利用鋼模板的自身剛度，起到臨時固定鋼筋籠的作用，見圖9。

圖9 蓋梁鋼筋模塊安裝

5 建議與要點

根據BIM技術在高灣特大橋工程“鋼筋模塊化”中的實踐經驗，主要歸納出以下幾個建議：

（1）根據鋼筋模塊制作及安裝的實際情況，其施工精度基本在±5 m m的級別，因此在BIM建模優化布筋時，可按1 cm為數量級進行調整定位。

（2）建模優化布筋時，應與參建各方進行充分的溝通，對于需要進行較大調整的，或調整難度較大的，可直接通過設計變更的形式進行簡化。

（3）對于優化調整后的布筋情況，應進行全面地交底，讓質檢員、班組長、作業工人均清楚鋼筋模塊的布筋要求，保證技術方案的落實。

（4）要實現BIM技術模擬的效果，最關鍵的還是實際制作安裝精度的控制，因此要重視“定尺胎架、滾焊機、數控機具”等設備的維護保養，以及操作人員的技藝水平。

（5）若前一構件的鋼筋模塊安裝存在偏差，應根據實際情況進行回調，下一鋼筋模塊可采用預留出個別鋼筋不進行固定，在安裝過程中再靈活調整的方式，以保證整體安裝的順利。

6 結語

高灣特大橋工程采用BIM技術輔助“鋼筋模塊化”工藝，加工了近10 000 t鋼筋，生產了樁基鋼筋籠1 500節、承臺鋼筋籠128個、墩柱鋼筋籠128個、蓋梁鋼筋籠48個。橋梁結構施工基本順利，工程質量良好。

“建筑工業化”是我國建筑業的發展方向，今后將它通過“標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理和智能應用”的方式，改變傳統建筑業的生產方式。

“建筑用成型鋼筋制品加工及配運技術”以及“鋼筋模塊化”作為體現“建筑工業化”的一方面，也將成為今后的發展趨勢。本工程通過靈活利用BIM技術，優化布筋，保證的施工現場鋼筋模塊安裝的便利性，真正地發揮“鋼筋模塊化”的優點，為工程質量、安全、進度，提供了有力的保障。