BIM技術在山區峽谷大型鐵路橋梁施工中的應用

袁 帥

(中鐵十八局集團有限公司 天津 300222)

1 引言

建筑信息模型building information modeling、building information model(BIM)是“在建設工程設施全生命期內，對其物理和功能特性進行數字表達，并依此設計、施工、運營的過程和結果的總稱”[1]2。經過十余年的發展，在我國已從最初的示范應用與推廣引導階段升級到全面推進及多政策融合發展階段[2]。

在鐵路領域，BIM技術作為數字鐵路、鐵路工程建設信息化的主要技術發展方向[3]，自2014年以來，國家鐵路集團有限公司組織進行了標準研究與制定以及鐵路BIM應用實踐，在設計階段多個專業協同、全專業交付等方面取得系列成果[4]，受限于各種條件，多階段協同應用尚未取得大的突破。因此，施工階段的BIM應用基本采用基于工程實踐的BIM應用方式P-BIM進行[1]20，在橋梁、隧道、站場、四電[5-7]等專業方向，通過試點探索總結出系列施工過程BIM應用價值點。

本文基于大瑞鐵路怒江特大橋，利用BIM技術進行施工組織策劃、施工方案編制與優化、施工工藝模擬，旨在總結出一套橋梁技術BIM應用解決方案，推動我國橋梁數字化施工技術的發展。

2 工程概況及施工重難點

2.1 工程概況

新建大理至瑞麗鐵路怒江四線特大橋位于云南省保山市施甸縣與龍陵縣交界處，橋梁全長1 024.2 m，橋面寬24.9 m，橋上設會車站。全橋孔跨布置采用(7×41)m連續鋼混結合梁+(14×37.2)m連續鋼箱梁+(5×41)m連續鋼混結合梁(見圖1)，主橋采用490 m上承式鋼桁拱橋跨越怒江[8]。

圖1 怒江特大橋效果圖

2.2 工程實施難點

(1)施工環境惡劣

①地勢條件

橋位處為典型的構造剝蝕高中山陡坡地貌，左右岸最大高差820 m，江面到橋面230 m，高空作業多。怒江水流湍急，無航運條件，也無滿足施工生活、生產條件的場地。

②交通條件

距離橋位1.4 km的主要道路為老滇緬公路，山路崎嶇、道路狹窄、轉彎半徑小，需對近50 km道路、橋梁進行加寬加固。

③氣象條件

橋位地區雨霧、雷暴、大風天氣多，日內溫差最大超過20℃，全年極端溫差達37.1℃；局地最高風速達21 m/s，姿態及線形控制困難，高空作業安全風險高。

(2)結構及工藝復雜

主橋是全橋施工的重點，其中主拱圈采用上承式提籃4片桁拱結構，內傾3.657 8°，由926根桿件通過73萬顆螺栓連接組成，重達27 000 t。4片桁每2片組成1肋，每肋的2片桁間距3.4 m，通過橫桿連接成整體；主桁為N型桁架，節間水平投影長12.4 m。拱頂處主桁中心距18 m，拱角處主桁中心距32 m(見圖2)。

圖2 拱肋標準節段

3 BIM應用策劃

BIM策劃立足于解決項目需求，以此為基礎實現橋梁技術數字化升級，推動“數字鐵路”在施工階段的落地。

3.1 團隊組成

十八局集團籌建BIM技術暨智能建造中心，派專人負責實施，內外聯動組建BIM攻關團隊，內部3個小組為專業技術組、BIM實施組、IT支持組；外部顧問團隊為BIM咨詢及橋梁專家。

3.2 應用方向

(1)施工組織是工程建設的重要環節，關系著進度、質量、安全等多方面的工作成效[9]。山區地形大型鐵路工程大多環境復雜、施工管理難度大，存在現場調查效率低、場地規劃粗放等問題。采用BIM+GIS技術進行總平面布置，確保場地規劃和臨建布置信息完整、精確[10]。

(2)主橋施工總體順序為錨碇→拱腳支架法施工→懸臂拼裝→合龍→拱上結構。纜索吊系統及斜拉扣掛系統的布置直接影響全橋施工的關鍵線路。

(3)鑒于峽谷地形不具備整節段吊裝條件，只能采用單件或組合起吊的方式施工。桿件起吊到位后需調整仰角、內傾角及桿件自身的旋轉角，然后插入對接，桿件間隙僅為2 mm。因此桿件組合方式、起吊順序是可視化模擬的關鍵，而且桿件起吊、運輸、調整、就位的路徑和姿態模擬必須實現參數化操作和交底。

(4)由于橋位處氣象條件極端惡劣，高空作業時間長、頻次多、安全風險大，因此對工班進行可視化技術交底也是BIM應用的重點，尤其是桿件對接、纜索吊橫移、扣錨索安裝及拆除等重難點工藝應進行詳實的可視化、參數化描述。

(5)以BIM技術為基礎，探索與物聯網、大數據乃至智能建造等技術融合，總結橋梁數字化施工技術。

3.3 資源配置

(1)軟件配置

根據應用目標，建模、模擬主軟件采用達索3D Experience平臺，綜合考慮地形處理、可視化渲染等需求配置軟件，如表1所示。

表1 軟件配置

(2)硬件配置

配置專業工作站，為了確保數據安全及網絡可靠，軟件服務器設置在集團總部，通過VPN專線與現場項目部協同。硬件配置見表2。

表2 硬件配置

4 BIM實施與分析

4.1 模型創建

(1)主體模型

BIM模型是應用的基礎條件，對應BIM應用目標和范圍，必須有明確對應的模型細度，對于動輒數拾GB的BIM施工模型，“夠用就好”是BIM應用的基本策略[11]。

在利用Catia軟件建模時，一般利用知識工程模板通過參數化快速建模，但是建模的邏輯與工程施工方法不相符。因此建模前必須根據工程EBS分解以及施工方法制定統一的模型命名規則與制圖標準，明確施工組織、施工方案、施工工藝不同需求的模型精度。

(2)臨時設施模型

大型橋梁施工采用的吊具、模板系統等一部分來自既有機械設備模型庫，與新建部件構成設施模型構件庫，建成纜索吊裝系統、斜拉扣掛系統，結合計算分析可形成臨時設施三維正向設計能力。

(3)模型集成

土建、鋼結構、臨時設施模型由各組分部建模后在統一坐標系內集成，實現施工過程建模協同，如圖3所示。

圖3 主體及設施模型集成

4.2 基于BIM+GIS的場地規劃

工程實施階段所需的GIS數據可分為低、中、高三種精度。針對不同的需求采用對應精度的數據與BIM模型結合，解決項目策劃中的實際問題。

受地形限制，橋位處沒有鋼構件制造及試拼場地。通過低精度GIS數據配合實地查勘，在50 km外建廠，進行加工制造后用汽車運至橋位，低精度GIS數據一般來源于谷歌地球、衛片數據、電子地圖等。

通過無人機搭載多鏡頭傾斜攝影相機采集進場便道影像，生成點云文件，經過多次處理形成三維場景[12]。導入至Fuzor軟件，可模擬道路運輸情況(見圖4)，發現拱腳部位下弦桿太長導致車輛無法過彎，最終將該桿件優化為2根組合式，確保運輸暢通。

圖4 桿件優化前后道路通行對比

4.3 施工方案模擬

(1)斜拉扣掛總體方案

主拱圈采用“支架+懸臂拼裝”方式施工，斜拉扣掛系統承受最大荷載約為23 000 t，共設27層108束扣錨索。因后錨布設點有限，引橋施工與錨索存在空間沖突。經過模擬確定5#橋墩第1層橫梁以下先作為輔助扣塔施工(見圖5)，待斜拉扣塔體系拆除后再完成全部墩身，保證了全橋施工進度和安全。

(2)標準節段吊裝方案

主拱圈由41個標準節段和1個合龍段組成，標準段吊裝順序依照“先內后外、先下后上”的原則。經過模擬、優化，總結出最優的組合吊裝順序，即內下弦、下平聯、內斜腹、內豎腹、內上弦、橫聯斜撐、上平聯、外下弦、外斜腹、外豎腹、外上弦，相對單桿件吊裝方案減少吊裝156次，節約工期78 d，且避免了桿件就位沖突碰撞。

(3)拱腳支架安裝方案

拱腳預埋段與0#、1#節段采用鋼管支架拼裝，預埋段底部設置碼板，通過橫、豎向千斤頂精調定位，最后施工混凝土，確保了精度及線形(見圖6)。

圖5 扣塔與5#墩空間沖突及工序優化

圖6 拱腳支架段施工模擬

(4)拱圈合龍方案

依照標準吊裝順序，合龍段上弦、上平聯需臨時存放在扣塔頂部，再依次進行桿件吊裝。為保證平臺及桿件之間連接滿足安全施工要求，臨時存放平臺與桿件之間采用導鏈捆扎固定。

4.4 重難點工藝

采用Delmia對仰角、傾角、路徑進行調整，實現每次吊裝的路徑規劃和姿態調整、對接就位。

4.5 基于BIM的管理

4.5.1 進度管理

大型橋梁工程往往施工周期長，且施工進度受各種因素影響較大。采用BIM技術能更直觀反映進度計劃與實際進展動態關系，找出關聯因素，便于及時調整施工計劃。

4.5.2 安全質量管理

BIM應用于安全質量管理，一般分兩種模式：一種是采用BIM技術進行安全質量風險源的模擬和交底；另一種是基于BIM項目管理平臺的安全質量業務流程管理。

(1)高空操作平臺優化

通過模擬人員高空裝配螺栓時的三維空間關系，在高空狹窄空間條件下依據安全性、經濟性、易操作性原則優化操作平臺，確保人員安全。

(2)不利工況模擬

將BIM模型與力學模型融合，模擬桿件在極端風荷載情況下的運動軌跡和碰撞干涉情況，為鄰近拱圈的桿件在吊裝施工時遭遇突發大風這一不利工況提供安全風險分析和應急預案參考。

(3)3D激光雷達虛擬預拼

采用3D激光雷達對鋼板、桿件進行掃描，經過處理后生成三維模型與BIM模型驗證進行質量驗收，并進行虛擬預拼以消除累計誤差。

5 結束語

怒江特大橋在項目實施過程中充分利用BIM技術可視化、參數化的優勢，對技術管理包含的施工組織、施工方案、施工工藝、安全質量控制要點進行全方位、標準化模擬，在防范安全風險、強化質量控制、提高作業效率等方面發揮了極大作用，總結出鋼桁拱橋數字化施工技術和適合山嶺地形的橋梁施工全階段BIM技術解決方案。

建筑信息技術已經歷自動化、數字化、網絡化走向智能化[13-14]，但目前BIM技術應用還存在模型與信息隔離、不同階段分離的“孤島現象”。從施工方的視角，至少有三方面的工作值得深入：一是擺脫軟件桎梏，分領域形成BIM應用綜合解決方案；二是轉換思維，推動以施工方法和單元為核心的BIM標準貫穿全生命階段，真正實現“一模到底”；三是基于BIM項目，進行施工重點要素的大數據管理與分析，探索施工階段的智能輔助決策方案。