基于BIM 技術(shù)的公路工程泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用

馬汝杰，趙 杰，李夕林

（山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 全壽命周期BIM 技術(shù)應(yīng)用研究中心，山東 濟(jì)南 250101）

引言

泡沫輕質(zhì)土是一種在水泥基漿料中加入泡沫后凝固而成的輕質(zhì)類(lèi)新型混凝土，其原材料主要由水泥、水和泡沫組成［1-2］。泡沫輕質(zhì)土憑借其輕質(zhì)性、重度和強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性、自流性、直立性、易開(kāi)挖及施工便捷性等特性，逐步應(yīng)用于公路建設(shè)領(lǐng)域［2-5］。其填筑工程以降低荷重或土壓力為目的，可應(yīng)用于軟基路堤、軟基橋臺(tái)臺(tái)背、道路加寬路堤、陡峭路堤、地下結(jié)構(gòu)頂部減荷回填，軟土地基與基礎(chǔ)處理，塌方快速搶險(xiǎn)修復(fù)，寒區(qū)路堤填筑工程。

公路工程中泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)用帶來(lái)了結(jié)構(gòu)體系的變革，土壓力的降低減少了肋板臺(tái)的使用，轉(zhuǎn)而應(yīng)用新型柱式臺(tái)構(gòu)造；荷重的降低減少了路基放坡，僅需外保護(hù)壁構(gòu)造。BIM 技術(shù)發(fā)揮其可視化和信息化的特點(diǎn)，面對(duì)應(yīng)用泡沫輕質(zhì)土帶來(lái)的結(jié)構(gòu)體系變化，通過(guò)參數(shù)化、程序化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)新型柱式臺(tái)和路堤填筑的三維表達(dá)和工程量計(jì)算，為BIM 技術(shù)與泡沫輕質(zhì)土的融合應(yīng)用提供新思路。

1 工程概況

沾化至臨淄高速公路是《山東省高速公路網(wǎng)中長(zhǎng)期規(guī)劃（2014—2030 年）調(diào)整方案》中“縱四”沾化（魯冀界）至臨沂（魯蘇界）高速公路的一部分，是連接山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)、黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)與濟(jì)南都市圈聯(lián)系的重要通道，北接埕口至沾化高速，南接臨淄至臨沂高速［6］。根據(jù)信息化建設(shè)要求，該項(xiàng)目在規(guī)劃、設(shè)計(jì)及施工階段全流程應(yīng)用BIM 技術(shù)，輔助項(xiàng)目高質(zhì)量高品質(zhì)建設(shè)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案：對(duì)于填土高度＞5 m 的橋臺(tái)臺(tái)背、明涵及兩個(gè)距離較近的結(jié)構(gòu)物（距離＜3 m）的臺(tái)背采用泡沫輕質(zhì)土填筑。BIM 技術(shù)與泡沫輕質(zhì)土的融合應(yīng)用主要體現(xiàn)在新型柱式臺(tái)和填筑路堤構(gòu)造兩方面。

2 新型柱式臺(tái)的BIM 化表達(dá)

2.1 橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的BIM 設(shè)計(jì)

肋板式橋臺(tái)是一種常見(jiàn)的橋臺(tái)形式，在橋臺(tái)高度較大時(shí)常被使用,通過(guò)設(shè)置肋板構(gòu)造來(lái)抵消土壓力、汽車(chē)荷載及汽車(chē)制動(dòng)力和汽車(chē)沖擊力產(chǎn)生的順橋向位移和拉應(yīng)力，保證橋臺(tái)結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。泡沫輕質(zhì)土產(chǎn)生的土側(cè)壓力遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)臺(tái)背回填的荷載效應(yīng)，可采用構(gòu)造簡(jiǎn)單施工便捷的柱式橋臺(tái)形式，在滿足工程受力性能需求的基礎(chǔ)上降低工程造價(jià)。考慮該項(xiàng)目地基承載力情況，創(chuàng)新性的采用柱式臺(tái)身加小型承臺(tái)加柱式樁基的新型柱式臺(tái)結(jié)構(gòu)。利用BIM 的可視化特點(diǎn)，通過(guò)三維空間化表達(dá)不同的橋臺(tái)構(gòu)造類(lèi)型，見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 肋板臺(tái)（砂土回填）

圖2 傳統(tǒng)柱式臺(tái)（土回填）

圖3 新型柱式臺(tái)（泡沫輕質(zhì)）

2.2 基于設(shè)計(jì)的程序化表達(dá)

沾臨高速項(xiàng)目中除新型柱式橋臺(tái)外，傳統(tǒng)柱式臺(tái)的應(yīng)用也較為常見(jiàn)，為實(shí)現(xiàn)BIM 參數(shù)化驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的統(tǒng)一性，從設(shè)計(jì)流程中判斷是否有承臺(tái)構(gòu)造。若構(gòu)造中沒(méi)有承臺(tái)，直接調(diào)用柱式臺(tái)的樁基族，基于樁基底部高程計(jì)算每根樁基的長(zhǎng)度，賦予構(gòu)件參數(shù)ZJH2；若構(gòu)造中有承臺(tái)，需根據(jù)臺(tái)身底標(biāo)高計(jì)算臺(tái)身高度，按照設(shè)計(jì)臺(tái)身直徑賦予參數(shù)TSD；順序開(kāi)展承臺(tái)設(shè)計(jì)和樁基設(shè)計(jì)，在樁基設(shè)計(jì)中充分考慮兩排樁基的直徑、樁長(zhǎng)差異，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的精確性表達(dá)。程序化流程見(jiàn)圖4。

圖4 項(xiàng)目柱式臺(tái)設(shè)計(jì)流程

3 填筑路堤的BIM 化表達(dá)

泡沫輕質(zhì)土路堤填土順路線方向長(zhǎng)度按倒梯形設(shè)計(jì)，底部距基礎(chǔ)內(nèi)邊緣3 m，坡率為1 ∶ 2，與一般路基填土間設(shè)置臺(tái)階。用復(fù)合土工膜包裹（土工膜厚0.3 mm），外側(cè)設(shè)直立式鋼筋混凝土擋墻保護(hù)壁或混凝土預(yù)制板保護(hù)壁。從BIM 構(gòu)件的角度出發(fā)，按設(shè)計(jì)線將泡沫輕質(zhì)土分為左右兩側(cè)，分別設(shè)定不同角度橫坡以滿足超高設(shè)計(jì)需求；沿縱向設(shè)定角度以實(shí)現(xiàn)豎曲線坡度；按設(shè)計(jì)坡率驅(qū)動(dòng)倒梯形比例，完成和一般路基填土的結(jié)合；設(shè)定縱向長(zhǎng)度參數(shù)L調(diào)整填筑樁號(hào)范圍。綜合考慮BIM 構(gòu)件的通用性和參數(shù)表達(dá)的簡(jiǎn)約性，簡(jiǎn)化臺(tái)階構(gòu)造細(xì)節(jié)。泡沫輕質(zhì)土BIM 構(gòu)件及參數(shù)見(jiàn)圖5。

圖5 泡沫輕質(zhì)土BIM 構(gòu)件

4 泡沫輕質(zhì)土工程量計(jì)算

在沾臨高速某通道較近范圍內(nèi)已施工完成2 道涵洞，按原設(shè)計(jì)方案此處應(yīng)鑿除部分已施工構(gòu)造（如涵洞的翼墻和八字墻等），為減少工程變更，最大程度利用原有方案和已施工完成的涵洞，將通道臺(tái)背調(diào)整為泡沫輕質(zhì)土回填。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)施工情況，將通道BIM 模型疊加于三維場(chǎng)景中，為泡沫輕質(zhì)土調(diào)整方案的可視化比選和討論提供了參考依據(jù)。為估算方案調(diào)整后泡沫輕質(zhì)土用量，利用BIM 模型基本尺寸信息集成的特點(diǎn)計(jì)算通道兩側(cè)的回填體積，分別為6 651.215 m3和4 603.107 m3。小樁號(hào)側(cè)應(yīng)用見(jiàn)圖6。

圖6 BIM+傾斜攝影的泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用

5 結(jié)語(yǔ)

（1）利用BIM 的可視化特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比肋板式橋臺(tái)、傳統(tǒng)柱式臺(tái)和新型柱式臺(tái)的不同空間構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了新型柱式臺(tái)的三維表達(dá)。（2）利用程序化和參數(shù)化的方法實(shí)現(xiàn)了橋臺(tái)設(shè)計(jì)方案的精細(xì)化BIM 模型創(chuàng)建。（3）針對(duì)泡沫輕質(zhì)土的路堤填筑，采用設(shè)定多角度、多參數(shù)、左右分幅的方法滿足不同縱橫坡、不同樁號(hào)的設(shè)計(jì)要求。（4）基于傾斜攝影和BIM 技術(shù)輔助輕質(zhì)泡沫輕質(zhì)土優(yōu)化設(shè)計(jì)，并計(jì)算工程量。從沾化至臨淄高速公路泡沫輕質(zhì)土的設(shè)計(jì)方案出發(fā)，開(kāi)展基于BIM 技術(shù)的泡沫輕質(zhì)土工程應(yīng)用研究，可視化信息化表達(dá)新型設(shè)計(jì)方案，減少了應(yīng)用新材料的顧忌和擔(dān)憂。