數字化技術下的中心城區“心臟搭橋”工程實踐
——北橫通道新建二期工程1標段數字化技術應用

馬 良

1. 上海市機械施工集團有限公司 上海 200072；

2. 上海面向典型建筑應用機器人工程技術研究中心 上海 200072

1 項目背景

1.1工程概況

上海市北橫通道定位為中心城區北部的東西向快速客運通道，服務蘇州河以北區域的中長距離到發交通。其中北橫通道新建二期工程1標工程作為北橫通道主線中少有的全線高架段，主線西起長安路，向東跨越恒豐路和共和新路南北高架路等，至文安路，全長約2.1 km。本標段工程投資總額7.2億元，于2021年6月竣工，工程內容包含了1條新建主線、2條輔道、2條下匝道、3條上匝道、4條改建匝道（圖1）。

圖1 北橫通道新建二期工程1標工程高架主線設置效果圖

現狀天目路與南北高架相互交織，地面層為天目路，2層轉盤、3層南北高架，通過轉盤實現地面與高架的相互連接。然而高峰期間，東西走向的天目路雙向10車道和南北高架雙向8車道的車速只能維持在15 km/h，出現長時間紅色擁堵。其原因是中長距離的南北向過境交通，與跨蘇州河、跨鐵路的區域性交通混合，再加上原有天目路環形立交匝道與南北高架匝道間距過近，形成交通雙向交織的混合狀態，隨著城市功能的不斷提升，加劇了日趨嚴重的擁堵現象[1-2]。

未來天目路立交將升級為4層互通樞紐，天目路主線實現高架和地面立體交通，南北高架可通過環島與北橫通道進行直接聯系，大大提升轉盤區域交通轉換能力（圖2）。然而除了緊鄰上海火車站，同時改建還涉及靜安區與黃浦區的4個街道，8個居委，數十棟商業單體，要完成互聯互通的最終目標，需要在上海南北主通道上實施“心臟搭橋”手術，徹底解決現狀地面交通過蘇州河等的車流侵占南北高架主線的負面影響，實現中心城區路網的高速轉換。

圖2 現狀天目路轉盤航拍與通車后的北橫通道天目路立交效果模擬

1.2數字化技術應用背景

根據項目實際情況，總結工程難點如下：

1）北橫通道天目路立交下部結構跨運營中的軌交1號、3號、4號線等多條地鐵線路，緊鄰老舊居民小區和商業綜合體，市政管線數量多、走向復雜、翻交難度大。

2）作為上海火車站進出客流的交通要道，既有天目路轉盤為南北高架的交通轉換口，蘇河灣商圈的交通入口，交通組織難度大。

3）高架主線跨鐵路，跨既有城市主干道南北高架路，施工空間極為狹小，宛如“螺螄殼”。除了最優設置施工場布，還需要投入創新工藝攻克技術難點。

4）工程進度極為緊張，同時由于無法對城市主干道進行封閉，只能利用夜間養護時間施工，有效施工時間短。

5）項目地處蘇河灣成熟商圈，項目綠色文明施工要求高。

針對上述難點，通過應用BIM、協同平臺、激光掃描、傾斜攝影等新技術，提前對工況進行充分模擬，優化施工組織，才能在有效施工時間內，得到參建各方的方案認可，確保現場高質量施工一次到位。

2 數字化技術應用

2.1市政管線碰撞檢測

市政管線建模和管線搬遷模擬是施工總承包單位進駐現場前最重要的工作之一，天目路立交處于鬧市區域，因此該工作在全線所有路段全面開展。

在基于測繪院提供的物探圖上，創建市政管線模型，并通過設計院提供的下部結構模型，對管線模型做碰撞檢測，并將管線模擬區分為現狀保留模擬、現狀拆除、臨搬管線等。基于投標期間施工組織設計，制定市政管線搬遷方案。

在實際操作中，雨污水管由施工單位負責，電力、通信、上水等管線由各專業單位實施，因此對搬遷后的位置和管線搬遷的順序，需要由建設方協同各方協調。天目路立交在第一次碰撞檢測中發現了百余個碰撞點，再通過BIM的方式制定預想的搬遷模擬方案，有利于各方認可和執行總承包單位制定的搬遷方案（圖3）。

圖3 模擬下部結構與市政管線的碰撞檢測

2.2主線總體施工籌劃

對于常規市政工程，制定項目的總體施工籌劃原則，更多的是比較不同技術方案之間的技術可實現性、對工期的影響、工程造價的經濟性。而對于本項目而言，由于在城市中心城區內做“心臟搭橋”手術，首先要考慮的是盡量避免和降低施工對區域商業和周邊居民的影響，其中最重要的是保證上海火車站客流進出和南北高架通行正常，減少地面天目路不可避免的占道施工的影響。

根據項目特點，“因地制宜，統籌交通”便成為項目實施的重要理念。在工程中具體落實該理念，是通過“先建后拆”“錯峰施工”“多階段交通組織”等手段實現的。

在“先建后拆”方面，為降低施工期間對火車站交通的影響，首先完成新建中興路下匝道，以提升火車站北廣場利用率；隨后新建東南側跨蘇州河橋的ZD下匝道，完成新建西南側ZC上匝道，保證轉盤原匝道拆除期間，跨蘇州河交通正常實現；由南向北完成FA匝道與南北高架兩側的拼接，實現南北高架西側跨鐵路及蘇州河的主輔分離；至此，具備轉盤下匝道拆除的條件。新建東北側跨鐵路ZB上匝道，實現天目路地面交通可跨越鐵路直接進入南北高架；拆除轉盤上匝道，新建長安路至恒豐路箱涵結構，并逐步貫通北橫主線；新建T2/T3匝道的上部結構，使得轉盤直接銜接北橫，新建T3D下匝道保留南北高架直接落地通往火車站南廣場；新建T1/T4匝道的上部結構，完成轉盤與北橫的貫通，實現北橫通道天目路立交的全面通車。

在“錯峰施工”方面，天目路、南北高架在白天車流量大，尤其早晚高峰期間紅色擁堵頻現。即便是提高工程造價，項目部仍然對主體結構全面采用預制拼裝工藝，實現在0時至5時的構件運輸與吊裝施工的可行性。

在“多階段交通組織”方面，主要表現為分階段實施管線搬遷、收縮占地圍擋、維持既有車流量、基本保證不在施工期間新增擁堵點。

2.3鬧市區復雜交通組織

在施工狀態下，如何提高道路交通運輸效率和確保道路交通安全，是中心城區市政工程面臨的重大課題。本標段內，北橫主線走向基本沿著天目西路的東西走向，與恒豐路、民立路、梅園路、大統路地道、南北高架及輔道、烏鎮路及天目中路輔道、西藏北路等道路相互交織。由于現中心城區的道路交通流量已非常大，施工占道造成的合流強制性，使得在實際的施工作業段之前，就已經形成了擁塞段和合流段，施工占道對交通的負面影響范圍遠大于施工區域本身。

對于施工期間的交通組織，首先結合工程實際，確定采用對交通造成負面影響最小的施工方案。其次，最大程度上實現“占一還一”，即借用施工區域的道路兩側資源，開辟臨時的車輛和人非通道。遵循“占一還一”原則，在車輛的合流段形成之前，提前對車流量進行分流，也被認為是間接表達“占一還一”的一種方式。此外，尤其應注意交通組織實施過程中的合理、便民、安全及長效化管理，確保施工期間的交通組織有效實施。

天目路作為區域內的重要主干道，需要進行臨時施工占道，根據施工組織安排，針對管線翻交、下部結構施工、上部結構吊裝等多階段制定交通組織籌劃，是項目部精細化管理的重要體現。借助Transmodeler、VISSIM等交通仿真軟件，通過道路數據和車輛及人非等的交通流數據，并基于BIM進行三維可視化表達，能更好地實現交通組織方案優化，協調建設方、交警部門以及周邊居民區，從而更有效率地指導現場實施。

2.4基于虛擬建造的方案優化

2.4.1 主線設計方案優化

原主線高架橋標準段的上部結構，采用30～35 m簡支小箱梁結構，主線共30跨，匝道共37跨，共約275片。其中，35 m跨預應力小箱梁單構件質量超200 t，通過BIM模擬，雙機抬吊需占用自西向東3根機動車道，一般需要3～4 d才能完成1跨施工，對道路交通影響大。此外，小箱梁方案對應的主線承臺有42個，匝道承臺有72個，數量較多，對管線遷改，下部結構施工均有較大影響。若采用鋼混疊合梁的方案，跨距增大至40～45 m，由于采用地面組拼，隔跨吊裝，不僅施工期間對道路資源影響小，而且只需要2 d就能完成1跨，對應的承臺數量下降至主線35個、匝道65個，最大程度降低了對交通的負面影響（圖4）。

圖4 主線優化為鋼混疊合梁

2.4.2 配套工程方案優化

恒豐路天目路路口既有天橋為“回”字形結構，根據原設計方案，需對整個天橋全部進行拆除，改建為倒“C”形，需分段進行天橋主梁的改造，包括舊橋拆除外運和新橋分段吊裝，改造期間需8次翻交該路口，嚴重影響車輛通行，初步模擬得知施工周期需2個月。基于BIM模擬，研究主線起坡段和天橋的空間關系，項目部對天橋改建方案進行了優化，僅拆除天橋西側箱梁，并對東側天橋墩柱進行托換、改建，整個天橋改建周期由原來的2個月縮短到15 d，其中恒豐路人行天橋西側的拆除僅需1個晚上，道路翻交次數降低為3次，大幅降低了造價。

拆除作業共分為2段，第1段為現天橋以路口兩側立柱為界，該處天橋的鋼混結構長度約38 m，將其切割完成后需用500 t履帶吊旋轉90°放至已就位的軸線平板車上，旋轉放置的時間較長（圖5）。第2段為圓弧形，長度較短，質量也輕，施工速度較快。

圖5 恒豐路口倒“C”形人行天橋方案

2.4.3 施工組織籌劃優化

天目路轉盤現有匝道根據設計方案需要拆除，僅留下轉盤部分用于和新建天目路立交輔道連接。根據傳統拆除方案，搭設支架配合吊車分段進行拆除外運，需占用3根車道，單根匝道拆除時間約3個月，嚴重影響工期。項目部基于現有匝道結構，針對空心板梁結構部分，采用大噸位履帶吊隔跨直接拆除，夜間僅占用1根車道進行整梁外運；針對現澆梁結構，采用“全地形車整梁外移，大節段快速拆除”的方式進行施工，每個匝道拆除周期縮短至1個月內就可完成。

以梅園路和烏鎮路的下匝道為例，結構形式以空心板梁及現澆箱梁為主，其中烏鎮路下匝道共計10跨，其中4跨為連續混凝土箱梁，跨度25 m，其他為簡支混凝土板梁，跨度22 m和10 m，拆除柱墩共計9個，總長度約255 m。另一側的梅園路下匝道共計9跨，為簡支混凝土板梁，跨度10～22 m，柱共計8個，總長度約206 m。對空心板梁采用的是250 t履帶吊進行吊裝作業。

由于現澆箱梁超重，每一跨逾200 t，經過對不同方案進行比選后，最終采用全地形車進行頂升，再配合2臺250 t履帶吊進行雙機抬吊，移至路面進行切割，分塊運出后再進行破除作業（圖6）。為保證交通，施工時間為0時至6時。為避免夜間的拆除作業造成的噪聲和揚塵問題，切割破除設備采用金剛鏈切割機。總體施工流程為：全地形車就位頂升→金剛鏈切斷→分段移出→雙機抬吊落梁→分塊切割外運。

圖6 轉盤下匝道拆除全地形車的應用

2.4.4 重大施工工藝創新

北橫通道主線跨越南北高架節點采用70 m跨主梁一跨跨越，為避免對地面交通的負面影響，傳統方案主跨采用頂推方案進行實施，采用西側場地作為臨時拼裝場地，占地為主梁投影面及操作寬度（約20 m），頂推施工期間地面道路保證雙向4車道，該方案整個工期約3個月。此外，整體頂推滑移跨越南北高架，由于最高點起拱坡度大，會增大落梁的風險。針對該工況，項目部發揮在上海中心大廈的施工經驗，啟用超大型動臂式塔吊，采用“大噸位塔吊高空散拼，一跨跨越南北高架”的方式進行施工，地面保證原雙向6車道通行能力，整個轉盤內主線施工周期縮短到1個月。

北橫通道主線跨南北高架段共三跨一聯、總長1 681 m、總質量1 475 t的鋼箱梁，分別跨越環形轉盤和中間南北高架，合龍高度為距離地面30 m。基于BIM模擬，占地面積僅3.6 m×3.6 m的超大型ZSL2700動臂式塔吊對既有交通幾乎沒有影響，通過BIM合理拆分鋼箱梁進行分段，并確定臨時支撐模型的位置，進行該創新工藝的整體施工模擬：即首先完成“石庫門”造型的預制雙節立柱和南北高架東西兩側的鋼梁吊裝，隨后中間通過高空散拼、分節吊裝的方式，依次施工25 m的中跨南幅和70 m的中跨北幅，完成跨南北高架主跨4段鋼梁吊裝，僅4個晚上即可實現跨線合龍。

2.4.5 聯動建設方的設計與實施

中興路下匝道新建工程，為配合北橫通道建設的重要輔助工程之一，其北起共和新路中華新路北側，在南北高架西側拼接拓寬，向西轉向進入中興路，最終在大統路交叉口以東接地，匝道長約418.5 m，其中橋梁長約341.0 m。中興路下匝道的建成通車，將引導更多車輛從南北高架前往火車站北廣場，提升北廣場使用率，從而避免新建天目路立交施工期間給火車站南廣場交通帶來的負面影響。

在建設單位和設計方指定初步設計方案后，項目部便介入，由于工程涉及南北高架、共和新路地面輔道、鐵路上海站區域，面對“地處交通要道”“距既有建筑物近”“空中與地下管線眾多”等諸多問題，首先進行基于BIM的吊裝站車位置分析（圖7）。

圖7 基于初步設計方案模擬汽車吊的站車位置

在初步施工模擬可行性分析通過后，建設單位協同設計加強設計深度，并創新實踐了預制混凝土橋臺、預制混凝土擋土墻、預制混凝土防撞墻等工藝。現代國際化的施工潮流水平，即是這種“工廠化制作、單元式拼裝”的工藝[1]。項目部將曾在上海中心大廈實踐的設計施工一體化的思路，根據市政項目預制裝配的特點，首先在軟件Synchro 4D中結合工程進度模擬了下部結構施工時共和新路地面和中興路的交通組織情況，以及南北高架并寬時的占道情況，在此基礎上，控制進場的預制構件的加工精度，并針對預制構件進行了重點吊裝工況模擬，尤其是橋面吊裝的P7—P8、3—8、4—9、5—7、P6—8段，因其緊鄰上海歌城和南北高架，利用BIM成功充分模擬，確保其在較小空間內實現吊裝。

2.5新設備的“黑科技”

2.5.1 全球領先的免共振液壓振動錘

北橫通道天目路主線巨型立柱和重型鋼梁，給市區中心較弱的地基承載能力帶來巨大的壓力，此外傳統樁基施工帶來的噪聲和泥漿污染也是鬧市區居民無法接受的。在這樣的背景下，項目引進了產自荷蘭的70RF免共振振動錘，通過避開土體的共振頻率實現的高頻振動將樁體周圍的土壤充分液化，使鋼管樁快速沉入土壤中。這種方式施工速度快、噪聲低，無土體共振，不擠壓土體。基于在S3高速路試樁，12根48 m鋼管樁耗時2 h的數據，通過BIM模擬出其單元式導向架和自行式樁架2種施工方式，前者可滿足大數量鋼管樁的快速定位與沉樁，后者可實現鋼管樁垂直度可調，自由度更高的施工方式。因此項目部可因地制宜，在天目路跨蘇州河下匝道和跨南北高架的預制雙節立柱下，采用導向架模式，而在天目路新建FA輔道等采用樁架模式進行樁基施工。

2.5.2 全站掃描技術的應用

北橫通道天目路立交的跨南北高架段，即P23—P24段的70 m跨鋼混疊合梁，其吊裝完成后的施工質量仍是關注的重點。因此項目采用徠卡MS60全站掃描儀獲取三維激光點云數據。該設備作為全站儀擁有0.5″級別的測角精度；作為掃描儀具有1 000點/s的掃描速度以及最高0.6 mm的掃描精度。

掃描工作在南北高架區域道路封閉養護期間實施，掃描共設4站，基于全站儀法，即以棱鏡為目標的基于自由設站的方式，完成多站點云的自動拼接。對于點云與Tekla鋼結構模型的坐標系匹配，則是通過手動預對齊的計算機最佳自動擬合來完成，分析可靠性高。

點云數據采集完成后，進入徠卡Infinity軟件進行點云噪點的去除，并完成數據格式轉換。隨后進入徠卡Cyclone 3DR軟件，將處理后的點云數據加載，并與鋼結構模型統一坐標系后，進行分析比較，通過標簽工具對較大差值的檢測結果進行數據標記。

通過分析，最高點的實測點云與理論模型偏差22～26 cm，由于考慮實際吊裝后的尚未澆筑的混凝土和安裝橋面板的荷載情況，因此在深化設計階段將理論模型向上拱起約20 cm，即控制誤差小于6 cm，高架的變形控制總體符合項目質量要求。此外，由于鋼混疊合梁的北側厚40 cm的混凝土在掃描作業時尚未澆筑，因此導致了南北兩側存在變形不對稱的偏差情況。

2.5.3 自主研發的大跨度橋梁懸臂法橋面吊機

作為另一項配合北橫通道建設的重要輔助工程，長壽路橋的改建是又一實施難點。長壽路橋自1953年建成，1998年拓寬，即在南北兩側各建一座供機動車行走的新橋，實現新老長壽路橋的三橋并列。然而時至項目啟動，位于中間的老長壽路橋一直未進行加固維護，為應對北橫通道建成后帶來的車流量，啟動了長壽路橋中橋改造工程。

新建長壽路橋采用全預制裝配式鋼結構作為其橋身主體，位于河中的老橋橋墩拆除，使得新橋的總跨度提升至240 m，其中最長跨過蘇州河跨徑達107 m。長壽路橋緊鄰軌交13號線江寧路地鐵站，兩側邊橋的車輛通行需要保證，在同樣狹小的場地下，傳統吊裝設備無法滿足工況要求。項目自主研發的2臺大跨度橋梁懸臂法橋面50 t吊機，在基于BIM的基礎上模擬完成虛擬施工，即首先通過在已架設好的橋面上鋪設的2條軌道上移動，將鋼箱梁從后方向前運輸與吊裝，不斷延長的新長壽路的兩側懸臂最終實現跨中合龍。

2.6協同管理平臺的應用

項目協同建設單位，共同定制開發基于BIM的協同管理平臺，創建能容納多維、海量、非結構化信息的數據中心，進行信息的處理、共享和應用[2]。包括結構、管線等BIM模型，以及施工過程中的臨時設施（圍擋、臨時支撐、機械設備等）模型，均可在平臺上展示，無論是計算機、平板或手機均可使用，進一步提升工程現場的信息化質量與安全管理能力。

基于BIM協同管理平臺，項目BIM團隊還定制開發了網頁端進度5D模擬演示，包括計劃與實際進度的對比、人工量分析；實現了基于構件二維碼的物流管理和構件文檔管理。

3 結語

2021年6月18日，包含本標段在內的北橫通道西段正式通車。曾被認為是整個北橫通道項目最難節點之一的新天目路立交，通過應用數字化技術，克服了多項工程技術難點，提高了參建各方的協作能力與精細化管理水平，保證了現場施工的質量和效率，成功完成了“心臟搭橋”，為將來中心城區的市政基礎設施的更新，提供了重要的技術參考價值。