BIM技術在新建魯南高鐵跨越營業線施工中的應用

吳 洋

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,濟南 250022)

1 概述

近年來，我國鐵路建設取得了快速發展，截止2020年底，全國鐵路網規模超過14萬km，其中，近5年建成通車約3萬km[1]。在鐵路網不斷完善的同時，跨越營業線施工任務越來越重。為提高跨越鐵路營業線施工管理效率，在魯南高鐵跨越營業線特大橋施工項目中，積極探索BIM、無人機、三維掃描儀等新技術應用，通過搭建以BIM為核心的技術應用體系，創新鐵路工程管理模式，從技術、管理層面開展跨越鐵路營業線施工管理工作， 以滿足整個項目科學化、精益化建設管理需求[2-8]。

2 項目概況

魯南高速鐵路，簡稱“魯南高鐵”，設計行車速度為350 km/h，是國家“八縱八橫”高速鐵路網的重要連接通道。

本項目為新建魯南高鐵跨越營業線的6座特大橋工程，是魯南高鐵控制性工程。其中，肖家莊特大橋、永新特大橋采用轉體法施工，另外4座橋采用架橋機架梁上跨營業線施工。

3 項目重難點分析

3.1 營業線基礎資料缺失，空間位置關系難確定

由于既有兗石鐵路、膠新鐵路等營業線運營時間較長，存在圖紙等技術資料缺失問題，導致無法精確掌握新建特大橋與既有營業線的空間位置關系，很難制定詳細的跨越營業線施工方案。

3.2 施工周期長，行車安全風險大

項目存在跨越營業線多、鄰近營業線施工周期長、作業體量大等難點。以肖家莊特大橋為例，轉體施工需跨越瓦日鐵路上下行線、兗石鐵路上下行線4條鐵路，鄰近營業線施工約13個月，設計采用跨度78 m+144 m+78 m雙線連續梁，轉體結構總重約125 000 kN(圖1)，對鐵路正常運行安全影響大。

圖1 新建肖家莊特大橋轉體施工后實景

3.3 施工風險大，安全管理要求高

安全管控是各參建方關注的焦點，由于橋梁施工工藝、鄰近營業線地下管線復雜，施工期間不僅要保證既有鐵路的正常運行，同時要確保施工安全。以跨沈海高速特大橋為例，新建26號～29號墩依次鄰近青連鐵路左線、兗石鐵路上下行線，28號墩帽梁模板距離鐵路建筑限界最小距離約1 m(圖2)，現場作業空間受限，存在嚴重的安全隱患。

圖2 新建跨沈海高速特大橋28號墩與營業線空間位置關系

3.4 要點施工時間有限，施工要求高

由于天窗施工有嚴格時間要求，需在規定時間內完成既定工序施工，每道工序都要確保萬無一失。例如，永新特大橋跨越兗石鐵路轉體施工，按要求需在110 min天窗點內，完成特大橋轉體64°的施工準備、轉體施工、現場清理等工作。

3.5 零號塊鋼筋碰撞多，施工難度大

本項目連續梁零號塊鋼筋及預應力筋縱橫交錯，施工操作空間小，存在鋼筋碰撞點多、預應力管道定位困難等問題，容易產生混凝土不密實，甚至空洞、澆筑不密實、蜂窩麻面等質量問題[9]。

4 實施方案

項目團隊在詳細研究6座特大橋的施工重難點以及鐵路主管部門發布的(濟鐵總發〔2014〕325號)《營業線施工安全管理實施細則》等文件后，制定“安全第一、預防為主”的實施方針(圖3)。依次編制《魯南高鐵跨越營業線施工BIM技術應用實施方案》、《魯南高鐵跨越營業線施工BIM執行計劃》等指導性文件作為整個BIM實施過程指南，規范BIM工作實施流程、應用模式、交付物、數據統一等內容，指導項目科學實施，為項目管理提供技術支撐[10]。

圖3 BIM技術應用技術路線

5 多層次、多角度、多方位BIM技術應用

本項目以高標準、高起點、高質量的要求推動BIM技術落地應用，綜合運用多項新技術開展建設管理深度探索與實踐，提高跨越營業線施工效率[11]。

5.1 無人機應用

為避免對營業線影響，采用無人機傾斜攝影方式采集營業線數據，形成設計結構與復雜施工環境整合的三維BIM實景模型(圖4)，用于指導現場總平面布置、校核新建特大橋與營業線空間位置關系[12-13]。

圖4 無人機傾斜攝影應用

5.2 三維掃描儀應用

針對營業線基礎資料缺失的工點，采用三維掃描儀采集營業線橋梁、電氣化立柱等關鍵節點處點云數據，建立營業線點云模型。通過點云模型與總裝BIM模型對比分析，一方面，完善技術資料缺失位置的BIM模型，另一方面，校核資料完整部分的BIM模型(圖5)。

圖5 三維掃描儀點云模型校核

5.3 零號塊鋼筋模型應用

針對零號塊鋼筋碰撞問題，通過建立零號塊鋼筋BIM模型(圖6)，提前發現多處鋼筋碰撞問題，基于BIM模型優化支座加強鋼筋網位置及層數、調整橫隔板橫向鋼筋間距，避免施工現場返工。

圖6 零號塊鋼筋模型

5.4 新建特大橋與營業線BIM模型

基于搜集的營業線資料及無人機、三維掃描儀數據，按照鐵路BIM聯盟發布的BIM標準，搭建項目新建特大橋、營業線、場布模型、施工深化模型(圖7)，用于技術交底、指導現場施工。

圖7 新建肖家莊特大橋與營業線BIM模型

5.5 碰撞檢查

按照施工方案既定工序，基于BIM總裝模型開展碰撞檢查，發現多處影響安全施工的碰撞問題，其中包括新建永新特大橋轉體過程中跨中鋼盒碰撞問題(圖8)、新建跨沈海高速特大橋27號墩帽梁模板與既有兗石鐵路回流線碰撞(圖9)等。通過出具碰撞報告等技術文件，為施工方案論證提供數據支撐。

圖8 新建永新特大橋跨中鋼盒碰撞

圖9 新建跨沈海高速特大橋27號墩碰撞

5.6 施工BIM模型深化及施工方案論證

針對碰撞問題，項目團隊充分發揮BIM可視化、可提供各參與方協同工作等技術特點，開展基于BIM模型的施工方案論證，應用虛擬建造技術“先試后建”，不斷深化施工BIM模型(圖10)，為項目決策、風險分析提供依據[14-18]。以跨沈海高速特大橋帽梁施工為例，經過反復方案論證，綜合考慮作業空間、支架搭設、模板拼裝、混凝土澆筑、模板拆卸等因素，仿真多種復雜條件下的施工工序，最終確定帽梁采用鋼模板整體吊裝、地泵澆筑混凝土、模板分段拆卸的施工方案，保證施工效率的同時，確保了現場安全。

圖10 新建跨沈海高速特大橋總裝模型與28號墩施工深化模型

5.7 施工重難點BIM虛擬仿真

針對營業線轉體施工、中跨鋼盒吊裝、整體鋼模板吊裝及拆卸、上跨營業線架梁施工等重難點，應用BIM技術對重難點施工過程進行虛擬仿真，將高風險工序提前預演，發現風險源并制定保障措施(圖11)。以跨沈海高速特大橋架梁施工為例，通過將喂梁、出梁、落梁、就位、架橋機過孔等對鐵路運營安全影響大的施工工序動態仿真，分析風險源，制定了提前檢修架橋機、檢查吊梁鋼絲繩機械性能等方案。

圖11 跨沈海高速特大橋上跨營業線架梁施工虛擬仿真

5.8 天窗施工方案審查

我國鐵路運輸網密集，列車運輸間隔小，為鐵路新建、改建、擴建所預留的天窗作業時間越來越短，天窗施工方案審查嚴格。通過將施工重難點仿真等BIM成果用于鐵路主管部門方案審查(圖12)，可視化展示天窗時間內各施工工序的銜接及安全防護，方便快速深刻地了解整個施工流程，更有針對性地提出審查意見[19]。

圖12 新建永新特大橋天窗施工方案審查

5.9 天窗轉體施工BIM應用

BIM技術應用歸根結底需要落地于現場施工。通過BIM與無人機技術結合，創新特大橋在營業線轉體施工應用，在永新特大橋與肖家莊特大橋天窗轉體施工中，利用無人機將現場航拍數據傳輸至總控室大屏。同時，應用物聯網設備將轉體數據同步到總控室的BIM實景模型，實現現場與BIM模型轉體數據同步，轉體過程中基于BIM實景模型實時測量梁體間安全距離，遠程調度指揮轉體進度，提高天窗點內施工效率，確保特大橋順利轉體(圖13)。

圖13 新建永新特大橋天窗轉體施工BIM應用

5.10 營業線施工工藝工法庫

將經過工程實踐驗證的工藝工法流程與BIM仿真成果整合后，形成營業線施工工藝工法庫，主要包括零號塊施工、轉體施工、中跨鋼盒吊裝、縱向懸臂墩施工、架梁施工等施工重難點(圖14)。

圖14 跨越營業線施工工藝工法庫

在未來跨越營業線施工項目中，項目實施人員可以通過掃描二維碼訪問存儲在云端的工藝工法庫，隨時隨地查看工藝工法標準以及施工流程，加強施工過程中安全防護與質量過程控制。

5.11 數字化交付

BIM是大數據承載容器，包含設計數據、施工過程數據[20]，項目完成后，將BIM成果按照統一數據標準要求，對建設過程中設計資料、BIM模型、咨詢報告、交底文件、工藝工法庫等各類工程數據信息以通用格式的電子文檔移交，形成內容全面、格式統一、結構完整的數字化檔案，為運維階段基礎設施管理提供基礎數據[21-25]。

6 結語

針對鐵路主管部門、建設單位重點關注的營業線安全管理、質量控制等問題，結合鐵路建設管理抓源頭、抓過程、抓細節方面的管理需求，項目團隊積極探索BIM與先進工程建造技術融合，在營業線數據采集、零號塊鋼筋碰撞、天窗施工仿真等應用中起到良好效果，總結如下。

(1)項目創新性應用無人機、三維掃描儀采集鐵路營業線重點區域實景數據，建立數字高程模型、點云模型，校核新建特大橋與營業線空間位置，解決了空間定位不準確的難點。

(2)通過建立新建特大橋零號塊鋼筋模型，提前發現多處預應力鋼筋碰撞并開展鋼筋排布優化，有效提高零號塊鋼筋施工效率。

(3)通過建立貫穿設計、施工階段的BIM實景模型，開展碰撞檢查、專家論證、方案優化、可視化交底等工作，形成轉體施工、零號塊鋼筋碰撞等咨詢報告，為精細化施工提供數據支撐。

(4)項目創新性應用BIM成果向鐵路主管部門匯報天窗施工方案審查，提高了審查效率，縮短方案審批時間。

(5)項目創新性將BIM、無人機、物聯網等新技術用于跨越營業線轉體施工中，提高了天窗施工效率。

(6)建立了跨越營業線施工工藝工法庫，仿真施工作業風險大的工序，保障跨越營業線施工安全，為后續項目提供技術支撐。