基于BIM技術的涉鐵鋼箱梁施工方案比選

黃為 方自安

【摘 要】?新機場連接線三標2×120 mT型剛構跨鐵鋼箱梁轉體作為國內最大跨度耐候鋼鋼箱梁轉體橋，上跨6條既有鐵路 ，施工場地狹小，施工條件復雜，受道路運輸、航空限高、臨近鐵路和業主要求年底主線通車等多種因素制約，施工難度大，工期緊張。文章基于BIM模型，得出地形數據，分析機械與鐵路的界限關系，找出各機械之間的交叉作業沖突，通過鋼箱梁結構深化設計，得出每一分塊鋼箱梁的重量，模擬過程中各方案的可實施性，分析整個施工過程中的進度、資源等因素對鋼箱梁吊裝的影響，分析了了大噸位吊車吊裝、大噸位履帶吊吊裝、龍門吊吊裝等多個方案，得出龍門吊吊裝為此項目的最佳吊裝方案，為以后類似施工提供借鑒。

【關鍵詞】BIM技術; 涉鐵工程; 轉體橋; 方案比選

1 工程概況

1.1 鋼箱梁簡介

由中鐵十四局負責施工的青島市新機場高速連接線（雙埠—夏莊段）工程三標段，控制性工程鋼箱梁轉體橋采用120 m+120 m T構鋼箱梁施工工藝，橋梁高度18.6～29 m，分左右兩幅布置，單幅橋寬24.58 m，全幅總寬49.53 m，轉體總重量7 488 t，兩幅同步逆時針轉體。工程特點、難點、科技攻關及主要施工方法：上跨6條鐵路轉體橋（新機場專用線、青榮城際、膠濟客專），本橋位于強風區，橋梁結構風致振動及大懸臂轉體施工抗風性能是橋梁設計施工重難點。

主橋轉體前施工臨近既有鐵路線，施工場地狹小，受道路運輸、航空限高、臨近鐵路和業主要求年底主線通車等多種因素制約。先后通過了高大模板、支撐支架、深基坑、龍門吊安拆、鋼箱梁安裝等專項方案的專家評審。

120 m+120 m轉體耐候鋼鋼箱T構，為國內同類最大跨度橋梁結構，是目前國內最大跨度耐候鋼鋼箱梁轉體橋。

1.2 施工條件

青島地區屬華北暖溫帶沿海濕潤季風區大陸性氣候，春夏多東南風，秋冬多西北風，年均風速5.30 m/s，瞬間最大風速44.20 m/s。年均受臺風侵襲或臺風外圍的影響達13次，是影響施工的主要自然災害。沿線地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。基巖裂隙水主要賦存于基巖風化帶中。地下水主要接受大氣降水的補給，臨近白沙河沿線，地下水與河水存在一定的補排關系。

1.3 建立地形

通過Infraworks軟件建立基本地形進行方案比選的初步分析，通過Infraworks里的測量工具[1]，從白沙河跨過仙山西路至鐵路之間，距離為240 m，坡角為1.8 %，240 m處鐵路坡腳之間的距離為50 m，坡角為5.62 %，靠近仙山西路鐵路坡腳之間的距離為52 m，坡腳為3.63 %，考慮到鋼箱梁的橫斷面寬度為24.6 m，鋼箱梁兩側必須留著便道以便于機械的進出，施工場地極其狹小，需要精細組織，仔細論證（圖1）。

1.4 鋼箱梁的加工與運輸

鋼箱梁制造常采用三階段法：第一階段工廠板單元構件制造，第二階段是在胎架上匹配組裝焊接成箱梁節段，第三階段工地配合箱梁節段安裝，完成箱體之間的焊接[2]。

鋼箱梁在開始制造之前，梁段的劃分是必須首先考慮的問題，分段的方案對鋼箱梁的制造、運輸及工地施工有著直接的影響。本項目中高架橋鋼箱梁處于鐵路、交通要道，交通繁重，施工場地和施工時間均受到限制，且箱梁運輸經過城市公路，運輸節段的高度、寬度和質量均受到很大制約。因此，本項目考慮在工廠加工，現場組拼的方式，在施工現場預設兩個總拼場地，把板單元進至場后在總拼場地拼裝成塊體，采取吊裝進行高位焊接的方式[3-4]（圖2）。

2 鋼箱梁施工方案比選

鋼箱梁分為左右兩幅，每幅東西兩側分為8個節段，中間為0#段（圖3），一共為34個節段，采用機械吊裝的方式把每個節段調運至設計位置，進行高位焊接，由于受現場條件限制影響 ，以左幅5#號墩的鋼箱梁為例，本工程擬定三種方案進行比選。分別為：①大噸位吊車吊裝方案;②大噸位履帶吊吊裝方案;③龍門吊吊裝方案。

其中大噸位吊車吊裝方案和大噸位履帶吊吊裝方案采取把每一節段鋼箱梁分成10塊的方式，通過Revit建模復核出每一節段（S0-S8）的重量（表1、圖4），把每一節段的分成10份（圖5）：中間一共8份，兩翼分為2份。

2.1 大噸位吊車吊裝方案

本方案考慮從S0號段開始吊裝，左幅5#沿線路的垂直方向兩側對稱吊裝，支架安裝和鋼箱梁塊件安裝同時進行，鋼箱梁安裝以主墩為中心，按照S1-S8段進行吊裝。根據汽車吊起重能力及吊裝參數擬采用350 t汽車吊進行鋼箱梁的吊裝焊接，350 t汽車吊參數：13 m×2.6 m×3.64 m。

根據吊車的吊裝位置及起吊能力初步考慮把鋼箱梁按10～13 m一個段進行劃分吊裝。通過地形測距圖（圖1）得知現場施工環境及各施工區域的限制，施工通道需具備大型吊車及重型卡車通過能力，現場需要場地平整后，鋼箱梁可具備進場安裝條件。考慮運輸距離遠，在節段劃分時最大節段重量不大于62.6 t。左幅5#墩運梁道，只能設在支架投影西側（緊靠青榮城際鐵路上行線坡腳柵欄），主要用作箱梁進場運輸通道及箱梁安裝通道道路需C20混凝土硬化處理，運梁道寬8 m，長140 m。吊車吊裝位置只能設在支架中心位置。吊裝只能沿南北向逐段吊裝。根據吊車大臂長度及回轉半徑的起重能力，鋼箱梁按縱向、橫向及豎直方向進行節段劃分，共劃分為424個塊體（圖6），通過Revit計量得出每一塊鋼箱梁的重量，其中最大塊體重量為62.6 t。

吊裝順序：拼裝S0號塊支架—鋼箱梁塊體—臨時索塔。

吊車在吊裝鋼箱梁塊件時大臂垂直地面距離約38.5 m，安裝臨時索塔時大臂垂直地面距離約56 m，若發生傾覆均超出鐵路安全距離。且吊裝順序不能發生變化，必須拼裝完支架再吊鋼箱梁的順序，且共需吊裝424次，考慮兩臺吊車沿S0號塊對稱吊裝，每次吊裝時間需2～4 h，如果兩臺吊車同時作業，共需用212個天窗點，再考慮每次安裝完一段鋼箱梁就安裝下一段支架時間，每安裝下一段支架時間約3～5天，按目前時間推算，5月中旬開始安裝，全部鋼箱梁及支架完成時間約2021年3月15日，轉體后全線能達到通車時間為2021年5月15日。

2.2 鐵路內履帶吊吊裝方案

本方案考慮履帶吊通過鐵路下穿道路進入場地便道在青榮線及機場線間進行鋼箱梁吊裝焊接，施工步驟需考慮首先在場地內拼裝履帶吊，履帶吊行走的道路及吊裝場地要考慮硬化[5]。在履帶吊進場階段，現場未進行大規模的鋼結構施工，可酌情考慮在地基加固區域或后期拼裝場地，通過輔助吊裝完成履帶吊的安裝。根據場地及鋼箱梁的安裝高度確定履帶吊的吊裝主臂42 m，吊轉半徑約20 m。擬選用300 t履帶吊，尺寸為9.45 m×3.35 m×3.84 m（圖7）。

安全距離同汽車吊方案，履帶吊在吊裝時傾覆的安全距離影響兩側鐵路安全，且吊裝順序不能發生變化，必須拼裝完支架再吊鋼箱梁的順序，施工場地嚴重受限，施工過程不可把控，工期延長的風險很高。同汽車吊一樣，如按天窗點吊裝鋼箱梁推算，施工工期完成時間約為2021年5月15日。

2.3 機場專用線外側大噸位履帶吊分塊吊裝方案

鐵路內側因鐵路安全等條件限制，考慮在機場專用線東側采用履帶吊進行鋼箱梁吊裝焊接作業（圖8）。

根據回轉半徑及鋼箱梁塊件重量（最大62.4 t）需選用臂長72 m以上的大噸位650 t履帶吊才能滿足鋼箱梁吊裝要求。根據吊裝角度及履帶吊吊臂長度，此處履帶吊豎直高度大于55.2 m超過此處機場航空48 m限高要求。如航空限高不作要求可采用此方案。可提前把所有支架拼裝完成，鋼箱梁快件拼裝靈活，前期不受橋梁下部施工影響。鋼箱梁塊件加工完成后可考慮提前吊裝。總拼場地設在鐵路外側。根據圖9所示650 t履帶吊吊裝施工安全距離對青榮鐵路及機場專用線存在安全隱患。吊裝靠青榮城際側塊件需青榮城際上行線和機場專用線天窗點施工，吊裝靠機場專用線側塊件需機場專用線天窗點施工。

根據吊裝鋼箱梁需在天窗點內施工的時間限制，不考慮安裝支架的影響，用兩臺650 t的履帶吊吊裝鋼箱梁的時間至主線通車約280天，從5月中旬開始吊裝，2020年2月19日主線通車。

2.4 龍門吊吊裝方案

為減少對工期影響，使前期不受梁下支架施工影響，考慮龍門吊方案：首先建設鋼箱梁拼裝場地，安裝龍門吊、搭設鋼箱梁板單元拼裝胎架、塊單元組拼支架。在總拼胎架上把鋼箱梁板單元安裝成塊單元，接著采用龍門吊對鋼箱梁的快單元進行吊裝，在支架設計位置進行高位拼裝焊接，部分梁段采用頂推的方式進行拖拉[6-7]（圖10）。

鋼箱梁的單元在加工廠加工完畢，運至施工現場，在總拼胎架上組裝成塊單元，每一個節段的鋼箱梁分為5塊（圖11），翼緣板拆成2塊，鋼箱梁主體分為3塊。為確保鋼箱梁焊接質量，最大化工廠作業，鋼箱梁在總拼胎架上組裝成塊單元后再進行吊裝焊接[8]（圖12）。

通過BIM建模，把分塊的重量計算出來（如表3），為我們合理設計支架和龍門吊的型號提供依據，根據計算結果我們采用4臺120 t龍門吊進行吊裝，其中S0號塊分為8塊，把S0的1#、2#、3#均分為2塊。

右幅靠近白沙河段，以北側S4位置為龍門吊落梁平臺，在S7段北側左右兩邊設置2個連續頂拖拉平臺，待拼裝好的92.70梁體用龍門吊落在S4位置后，在鋼梁尾部安裝拉錨器，穿好鋼絞線并預緊。采用連續頂推千斤頂進行頂推拖拉。頂推至預定位置，拼裝下一節梁段，在進行下一節鋼梁拼裝后落在S4位置后，拆除拉錨器安裝到下一梁段上。頂推過程中要確保兩臺頂推千斤頂行程一致[9-10]。

水中支架采用630×10 mm鋼管樁基礎，陸地支架采用鋼筋混凝土擴大基礎，其上采用478×8 mm鋼管作立柱，立柱間通過L125×10角鋼連接，立柱頂部為橫向HW300×300H型鋼橫梁，橫梁頂部為雙拼HN700×300縱向滑道梁。

滑道頂面設置成水平，其上為倒U型滑靴，頂部根據梁段縱向線型設置不同高度枕木支撐，通過事前計算，確定頂推軌跡，按直線行走，立面按水平行走，根據鋼梁縱向坡度設置不同高度墊塊。拖拉過程中，通過控制下滑道標高來控制鋼梁標高，通過橫向限位裝置控制鋼梁的橫向偏移，通過頂推千斤頂的行程控制鋼梁的縱向位移。[11-12]拖拉千斤頂定設置在滑道前端內側，后錨點設置在拖拉段鋼梁底部，與拖拉千斤頂位于同一直線上如圖11所示。

3 結論

通過對以上三個方案（大噸位吊車吊裝方案、大噸位履帶吊吊裝方案、龍門吊吊裝方案）進行細致分析（表4）。

（1）方案一：汽車吊方案。汽車吊方案優點是機械使用靈活，變換場地方便;缺點是由于場地收支架影響，支架不能提前安裝，工期受工序影響不能平行作業，施工工期不可控，且在鐵路間吊裝施工時存在對兩側鐵路傾覆危險。鋼箱梁拼裝均為鄰近B類（夜間天窗點內）施工，工效極低。

（2）方案二：履帶吊方案。優點是起吊能力比汽車吊大，缺點是大臂不能收縮，同樣工期受工序影響支架不能提前安裝，不能平行作業，施工時間工期不可控，且在鐵路間吊裝施工時存在對兩側鐵路傾覆危險。鋼箱梁拼裝均為鄰近B類（夜間天窗點內）施工，工效極低。

（3）方案三：龍門吊方案。優點是在橋下總拼能保證焊接質量，工期不受工序影響，吊裝作業時對鐵路不存在安全隱患;缺點是龍門吊基礎處理要求高，現場投入成本較高。

綜合分析：青榮城際、膠濟客專行車密度大，速度快，施工以確保營業線行車安全為首位因素，龍門吊為本工程鋼箱梁吊裝焊接的最優方案。

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