山嶺地區(qū)高速公路橋頭路基預(yù)制梁場優(yōu)化布置

中國葛洲壩集團(tuán)三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 443000

山區(qū)高速公路一般地處高山深谷，依山區(qū)山勢而建。在建設(shè)過程中，由于交通運(yùn)輸不便，而沿線的大中小橋梁較多，受山區(qū)地形條件限制，預(yù)制梁場多設(shè)置在橋頭路基上。橋梁工程中，預(yù)制梁場合理的布置和科學(xué)的規(guī)劃對保證橋梁工程進(jìn)度、控制成本、消除安全隱患有著非常重要的意義。山嶺地區(qū)高速公路預(yù)制梁場布置優(yōu)化技術(shù)，是針對狹窄的橋頭路基上的預(yù)制梁場，結(jié)合靜態(tài)與動態(tài)、定性與定量的優(yōu)化布置方法，綜合考慮建設(shè)投資費(fèi)用、施工進(jìn)度需求、整體性因素、空間因素、流動性因素和安全因素等，在相對狹窄的地形、地勢條件下，對基于經(jīng)驗(yàn)條件下的預(yù)制梁場布置進(jìn)行優(yōu)化，不僅減少了施工成本、滿足施工進(jìn)度需要，還便于施工管理、降低安全風(fēng)險，可為同類型項(xiàng)目提供借鑒。

1 山嶺地區(qū)高速公路橋頭路基預(yù)制梁場布置

橋頭路基的預(yù)制梁場通常采用長寬比較大的單列布置方式，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，既需要從建設(shè)投資費(fèi)用、施工進(jìn)度需求、整體性因素、空間因素、流動性因素和安全因素等方面對局部進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，也需要增加或減少部分區(qū)域。

橋頭路基的預(yù)制梁場具體的布置如下：（1）預(yù)制梁場場地設(shè)置在橋位區(qū)橋頭路基或橋尾路基。（2）預(yù)制T梁所需的混凝土自混凝土攪拌站（預(yù)制梁場外）經(jīng)運(yùn)輸罐車運(yùn)至預(yù)制梁場。（3）預(yù)制梁場的區(qū)域設(shè)置包括從遠(yuǎn)離所述橋位區(qū)到靠近所述橋位區(qū)依次設(shè)置預(yù)制區(qū)、存梁區(qū)、架橋機(jī)安裝區(qū)，還包括運(yùn)輸通道、龍門吊、生活區(qū)、鋼筋制作區(qū)。（4）預(yù)制梁場的區(qū)域設(shè)置還包括以下內(nèi)容：生活區(qū)、鋼筋制作區(qū)設(shè)置在路基外場地；運(yùn)輸通道可設(shè)置于預(yù)制梁場中間位置，也可設(shè)置于預(yù)制梁場側(cè)邊位置；運(yùn)輸通道沿架橋方向穿過預(yù)制區(qū)、存梁區(qū)；預(yù)制區(qū)、存梁區(qū)均勻分布在運(yùn)輸通道兩側(cè)；架橋機(jī)安裝區(qū)設(shè)置在存梁區(qū)與橋位區(qū)之間。（5）預(yù)制梁場布置中生活區(qū)、鋼筋制作區(qū)根據(jù)現(xiàn)場情況可設(shè)置在路基外場地，可避免龍門吊運(yùn)轉(zhuǎn)、運(yùn)輸通道行車過程中的人員傷亡；如果地形狹窄且路基旁邊地勢陡峭，鋼筋制作區(qū)也可布置在路基上，布置在近制梁區(qū)旁邊，遠(yuǎn)離存梁區(qū)。（6）架橋機(jī)安裝區(qū)設(shè)置于存梁區(qū)與橋位區(qū)之間，極大地減少了將存梁區(qū)的預(yù)制梁體運(yùn)輸?shù)跹b至施工地點(diǎn)的距離。在以上預(yù)制場布置時，還需要綜合考慮動態(tài)的施工工序與進(jìn)度計劃安排。

2 橋頭路基預(yù)制梁場優(yōu)化布置

2.1 需求不均衡條件下的預(yù)制梁場制梁臺座定量優(yōu)化計算

確定預(yù)制梁場制梁臺座數(shù)量的傳統(tǒng)計算方法假定預(yù)制T梁需求是均衡的，因此這種傳統(tǒng)計算方法僅適用于預(yù)制T梁需求均衡的情況，而這種情況在實(shí)際生產(chǎn)與施工過程中是不可能存在的，可見傳統(tǒng)計算方法計算結(jié)果不夠精確。

需求不均衡條件下的預(yù)制梁場制梁臺座定量優(yōu)化問題描述如下：預(yù)制梁場制梁任務(wù)總數(shù)量為D，架梁總工期為T，共分為n次架梁過程，其中第i次架梁所需預(yù)制T梁的數(shù)量為di，而第i次架梁和第（i-1）次架梁的時間間隔為ti；設(shè)單獨(dú)一片預(yù)制T梁整個施工工序需要的時間，即制梁周期為T1，模板的周轉(zhuǎn)周期為T2，進(jìn)而合理地確定預(yù)制制梁臺座規(guī)模數(shù)量和模板數(shù)量。

該問題還具有如下特點(diǎn)：（1）n次架梁過程可以看作n個階段的生產(chǎn)工程，第i次架梁的預(yù)制T梁數(shù)量就是第i階段的T梁需求量，第i階段的總工期為ti；（2）第i階段的預(yù)制T梁需求量di可以是在第i階段生產(chǎn)所得，也可以是在第1～（i-1）階段內(nèi)的任意時間生產(chǎn)所得；（3）第i階段生產(chǎn)產(chǎn)出成品梁的數(shù)量不僅來自第i階段的生產(chǎn)數(shù)量，還可能來自第（i-1）階段的成品梁剩余數(shù)量。

需求不均衡條件下的預(yù)制梁場制梁臺座定量優(yōu)化計算就是基于上述問題的分析，從第1階段到第k階段（1≤k≤n），分階段建立預(yù)制T梁總需求數(shù)量、階段的需求數(shù)量、成品梁需求率、最大需求率、單位預(yù)制臺座的周轉(zhuǎn)次數(shù)以及生產(chǎn)數(shù)量和生產(chǎn)天數(shù)的數(shù)學(xué)模型，通過迭代的方式求得最優(yōu)解，該結(jié)果即為需求不均衡條件下的預(yù)制梁場制梁臺座數(shù)量。

2.2 基于BIM技術(shù)的動態(tài)模擬優(yōu)化布置

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行三維建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。BIM技術(shù)可以三維建筑模型為基礎(chǔ)進(jìn)行項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計、施工和運(yùn)營管理，形象直觀地展示項(xiàng)目的設(shè)計效果、模擬施工過程，進(jìn)行可視化指導(dǎo)施工等，項(xiàng)目設(shè)計、施工、運(yùn)營均在可視化狀態(tài)下進(jìn)行，提高了工程效率和質(zhì)量。

基于BIM技術(shù)的可視化與模擬性，在確定制梁、存梁臺座規(guī)模數(shù)量的前提下，依據(jù)傳統(tǒng)的平面布置通過對建立的山嶺高速公路預(yù)制梁場的靜態(tài)三維模型以及不同施工狀態(tài)時的動態(tài)三維模型進(jìn)行動態(tài)建模、模擬，優(yōu)化調(diào)整以獲得山嶺地區(qū)高速公路橋頭路基預(yù)制梁場最優(yōu)場地布置。

首先，根據(jù)預(yù)制梁場各個功能區(qū)域的施工工序，確定各個功能區(qū)域，包括功能區(qū)域內(nèi)的各個構(gòu)件，處于不同施工狀態(tài)時的施工作業(yè)對空間的影響范圍，即確定對功能區(qū)域或者構(gòu)件周圍水平、豎直空間的影響距離，并通過給模型賦予一定的形式表征影響范圍。需要說明的是，表征影響范圍的一定形式，就是在功能區(qū)域或者構(gòu)件的外圍空間距離內(nèi)設(shè)置一種固定材質(zhì)的框架來表征三維模型的影響范圍。然后，通過直觀可視化的方式，利用BIM技術(shù)的碰撞檢查功能，針對不同施工狀態(tài)時的動態(tài)三維模型進(jìn)行模擬，核對檢查預(yù)制梁場各個功能區(qū)域，包括功能區(qū)域內(nèi)各個構(gòu)件的三維模型之間的交切情況，即三維模型體之間是否存在重疊區(qū)域或接觸距離超過限制值。通過動態(tài)調(diào)整各個功能區(qū)域，包括功能區(qū)域內(nèi)各個構(gòu)件的三維模型屬性參數(shù)，修改三維模型之間的水平、豎直距離，針對調(diào)整后的三維模型重新進(jìn)行交切模擬，達(dá)到三維模型不再存在交切情況的目標(biāo)。最后，獲取預(yù)制梁場的最優(yōu)場地布置，利用BIM技術(shù)建立三維模型。

基于BIM技術(shù)的動態(tài)模擬優(yōu)化布置考慮動態(tài)的施工工藝與施工區(qū)域的影響，很好地滿足了山嶺高速公路預(yù)制梁場的合理布置需求，減少了臨建返工率，極大地提高了施工效率，節(jié)省了費(fèi)用，充分考慮了施工狀態(tài)下的工序干擾與區(qū)域干擾，顯著降低了施工安全風(fēng)險。

3 實(shí)例應(yīng)用

巴通萬高速公路地處四川盆地北東緣大巴山區(qū)，屬于典型的山嶺地區(qū)高速公路。某一預(yù)制梁場的預(yù)制T梁任務(wù)總數(shù)為485片，制梁總工期為260d，分6次架梁，需求不均衡條件下的某預(yù)制場架梁安排見表1。

表1 需求不均衡條件下的某預(yù)制場架梁安排表

已知單片T梁整個施工工序需要的時間為10d，模板的周轉(zhuǎn)周期為1d。在滿足橋梁工程建設(shè)進(jìn)度、施工質(zhì)量的前提下，分別通過傳統(tǒng)計算方法和需求不均衡條件下的預(yù)制梁場制梁臺座定量優(yōu)化計算方法的計算結(jié)果對比如下：傳統(tǒng)算法、優(yōu)化算法計算的制梁臺座數(shù)量分別為30座、20座，模板數(shù)量均為3套，總生產(chǎn)能力分別為780片、500片，剩余生產(chǎn)能力分別為295片、15片。由此可知，優(yōu)化算法節(jié)約制梁臺座10座，不僅減少了制梁臺座的建設(shè)費(fèi)用，還節(jié)省了預(yù)制梁區(qū)的占地面積，從而為預(yù)制梁場的設(shè)計和生產(chǎn)創(chuàng)造了更有利的條件。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，基于BIM技術(shù)的動態(tài)模擬優(yōu)化布置結(jié)果，布置預(yù)制梁場制梁臺座20座，分5行4列布置，橫向間距為3.8m，縱向間距為5m；布置存梁臺座為40座，分8行4列布置，縱向間距為5m；運(yùn)輸通道設(shè)置在中間，寬度為5m，制梁臺座和存梁臺座沿道路兩側(cè)布置；生活區(qū)、鋼筋制作區(qū)布置在路基外，緊鄰制梁區(qū)；布置4臺龍門吊；混凝土采用罐車通過混凝土拌和站運(yùn)輸至預(yù)制梁場。

4 結(jié)論

（1）山嶺地區(qū)高速公路橋頭路基預(yù)制梁場采用需求不均衡條件下的預(yù)制梁場制梁臺座定量優(yōu)化算法，綜合考慮了預(yù)制梁場主要因素，分階段構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，迭代求解最優(yōu)解確定了制梁臺座規(guī)模數(shù)量，相較傳統(tǒng)算法，結(jié)果更加精確且更符合實(shí)際情況。（2）基于BIM技術(shù)的動態(tài)模擬優(yōu)化布置，在傳統(tǒng)平面布置的前提下，考慮動態(tài)的施工工藝與施工區(qū)域的影響，減少了返工率，提高了施工效率，節(jié)省了費(fèi)用，充分考慮了施工狀態(tài)下的工序干擾與區(qū)域干擾，極大地降低了施工安全風(fēng)險。（3）山嶺地區(qū)高速公路橋頭路基預(yù)制梁場優(yōu)化布置技術(shù)在巴通萬高速公路預(yù)制梁場布置中獲得了較好的應(yīng)用效果，結(jié)合靜態(tài)與動態(tài)、定性與定量的優(yōu)化布置方法確定最優(yōu)布置，并依據(jù)BIM技術(shù)建立了三維可視化模型，可供后續(xù)同類型項(xiàng)目參考。