基于BIM模擬128 m鐵路鋼桁梁原位拼裝技術(shù)研究

公彥良 田小路

(中鐵十六局集團第四工程有限公司 北京 101400)

1 引言

BIM技術(shù)作為信息技術(shù)突飛猛進發(fā)展的重大成果，為橋梁工程設計施工企業(yè)科學經(jīng)營、精細管理提供了新的手段，成為企業(yè)發(fā)揮競爭優(yōu)勢的有效途徑。隨著行業(yè)內(nèi)各大集團企業(yè)全面推行和倡導精細化管理理念，以BIM三維信息模型與管理平臺的應用逐漸成為各企業(yè)落實精細化管理的重要舉措[1－4]。

鐵路鋼桁梁架設通常采用拖拉法或支架法原位拼裝的施工工藝[5－7]。對于初次接觸鋼桁梁的工程技術(shù)人員來說，沒有相應的施工經(jīng)驗，對于整個鋼桁梁施工工序及過程沒有一個直觀的認識，這就需要一種新型的技術(shù)來彌補施工經(jīng)驗的欠缺。隨著BIM技術(shù)的出現(xiàn)，工程技術(shù)人員可以使用計算機軟件對鋼桁梁桿件安裝進行模擬施工，形象直觀地展示鋼桁梁桿件形狀樣式、安裝過程，提前消除施工中可能出現(xiàn)的不良影響，優(yōu)化施工順序，可大大提高鋼桁梁的安裝精度與速度。

2 工程概況

蒙華鐵路湖南段京廣鐵路特大橋在DK1424＋832.473(2＃～3＃墩之間)處上跨岳陽市岳陽樓區(qū)梅溪鄉(xiāng)通海路，斜交角度為24.56°，設計采用1－128 m簡支鋼桁梁跨越。鋼桁梁全長129.5 m，主桁采用無豎桿整體節(jié)點平行弦三角桁架下承式有砟橋面簡支鋼桁梁，節(jié)間長16 m，桁高16 m，主桁中心距12.4 m，寬跨比1/10.3。

通海路為城陵磯新港區(qū)到市區(qū)的主干道，人流量、車流量大，路面寬24 m，為雙向六車道，每車道寬4 m。通海路路面邊距跨京廣鐵路特大橋2＃墩承臺6.04 m，距 3＃墩承臺 6.2 m。 2＃、3＃墩墩高分別為8 m、7 m，鋼桁梁跨中梁底與通海路路面高差為7.4 m。鋼桁梁架設完成后實景見圖1。

圖1 128 m鐵路鋼桁梁跨越通海路

3 鋼桁梁施工方案選擇

本工程鋼桁梁架設方法在拖拉法和原位拼裝法兩種方案中進行比選。鋼桁梁拖拉法施工需要在橋位大或小里程端搭設臨時支墩及拼裝平臺，同時要準備大噸位拖拉設備及配套設備?？紤]到一方面拖拉法施工周期長，后續(xù)鋪架工期緊張；另一方面橋位處大小里程均有房屋尚未拆遷，所以該鐵路鋼桁梁橋架設不宜采用拖拉法施工。

原位拼裝方案就是在橋跨原位外側(cè)搭設龍門吊軌道支架，實現(xiàn)龍門吊高空走行以提升和運送桿件；在橋跨原位內(nèi)側(cè)搭設鋼桁梁支撐架然后在支撐架上依次拼裝桿件?，F(xiàn)場無需提供拼裝場地，邊跨可滿足臨時存放待吊裝鋼桁梁桿件。

經(jīng)比選本工程鋼桁梁拼裝采用支架法原位拼裝施工方案。

4 支架法原位拼裝方案

4.1 支架搭設

臨時支架為門式支架，分鋼桁梁支撐架和龍門吊走行軌支撐架兩部分(見圖2)。由于承受荷載不同，兩種支架分開設置。臨時支架主要由混凝土擴大基礎(chǔ)、鋼管立柱、分配梁、貝雷梁四個部分組成。每個擴大基礎(chǔ)上設置鋼管立柱，立柱間增設聯(lián)接系，立柱頂放置分配梁，分配梁上布置貝雷梁。

圖2 鋼桁梁原位拼裝支架體系

在跨京廣鐵路特大橋2?！?＃墩之間設置鋼桁梁支架，支架支點位于相應下弦節(jié)點處，共計18個支架節(jié)點。為調(diào)節(jié)鋼桁梁拼裝過程中的節(jié)點高程，可在支點上設置千斤頂，同時在千斤頂兩側(cè)增設木垛或工字鋼梁支承。

龍門吊走行軌支架采用貝雷梁作為受力主梁，鋼管柱作為受力立柱，在鋼管柱頂處的貝雷梁增加臨時豎桿，共計30個支架節(jié)點。龍門吊走形軌道安裝在貝雷梁頂，2 20a型鋼間距600做墊梁，鋼軌采用P43型，用卡具與墊梁固定牢固。

4.2 龍門吊安裝

支架法原位拼裝方案關(guān)鍵起重設備為龍門吊。為不影響通海路車輛通行，龍門吊需放置在支架上。根據(jù)最大桿件重量乘安全系數(shù)后確定龍門吊的起重能力。

鋼桁梁單根桿件最大重量為49 t(上弦桿A7A7′)，龍門吊使用安全系數(shù)1.2，選用60 t的龍門吊。龍門吊進場后首先進行檢查驗收，合格后開始拼裝。拼裝時利用三臺汽車吊進行輔助作業(yè)，以確保安全。

4.3 桿件拼裝

鋼桁梁由2＃墩起向3＃墩方向拼裝，根據(jù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)形式及龍門吊的架設方法，同時遵循“拼裝時盡快形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)”的原則，每個節(jié)間鋼桁梁拼裝順序為:先拼裝兩邊下弦桿，再安裝橋面板，重復步驟一、步驟二完成鋼桁梁的下弦桿及橋面板安裝；在下弦平面形成平面框架，依次安裝斜腹桿、上弦桿、橫聯(lián)、上平縱聯(lián)，其余節(jié)間依次按順序進行拼裝，完成所有節(jié)間拼裝。

4.4 車輛通行及安全防護措施

鋼桁梁跨越通海路不僅要考慮跨路施工的安全，還要考慮來往行人及車輛行駛的安全。在搭設臨時支架時，預留雙向通行的人行道和車行道(每側(cè)2×4 m寬)。為滿足行車的最低要求，橋下凈空按5.0 m控制。在人行道和行車道上方搭設防護棚，防止上方雜物墜落傷及行車或行人；在行車道兩側(cè)設置安全防護措施，避免車輛對基礎(chǔ)及支架的沖撞破壞。

5 鋼桁梁模擬拼裝技術(shù)

BIM技術(shù)作為一種新的信息化管理手段，利用其強大的可視化，幫助施工人員直觀觀察橋梁細部結(jié)構(gòu)，提前發(fā)現(xiàn)問題并解決。利用其可模擬性，幫助管理人員厘清施工工藝和流程。出色的信息化和可協(xié)同性，提高各專業(yè)間溝通效率，并對現(xiàn)場實際情況實時進行反饋，幫助項目管理人員掌控施工各個環(huán)節(jié)[8－10]。

工程技術(shù)人員在鋼桁梁拼裝方案制定時，由于對鋼桁梁的實物結(jié)構(gòu)沒有直觀的認識，對安裝過程沒有形象的了解而容易出現(xiàn)偏差，可能會影響安裝施工的安全、質(zhì)量和進度。BIM技術(shù)的應用使上述問題迎刃而解，工程技術(shù)人員可以利用計算機實現(xiàn)模擬拼裝，從而避免桿件或零件位置沖突，極大地提高了加工制造的精準度和安裝施工的安全性[11－13]。

5.1 建立支架和鋼桁梁模型

5.1.1 建模思路

根據(jù)施工方案和施工圖紙標注構(gòu)件各零件的尺寸，以零件名稱命名族文件名稱，依次創(chuàng)建相應的零件族文件。

零件族創(chuàng)建以后，不直接載入項目文件，而是載入到新的族文件中，以桿件或節(jié)點為名稱創(chuàng)建桿件或節(jié)點族。

將零件做成單一族，將桿件做成組合族，這樣做的優(yōu)點是在項目文件中便于快速、精確地組裝成結(jié)構(gòu)的模型。

5.1.2 建模內(nèi)容

本項目基于Revit平臺，建立了包括支架基礎(chǔ)、鋼管柱、聯(lián)結(jié)系、分配梁、貝雷梁、墊梁、鋼軌等部分的模型，并建立龍門吊、鋼絲繩、吊具模型，形成了鋼桁梁模擬拼裝支架體系和起重體系的BIM模型(見圖3)。

圖3 鋼桁梁拼裝龍門吊體系模型

通過鋼桁梁節(jié)點族、桿件族、螺栓族的建立，將鋼桁梁的不同構(gòu)件BIM模型化，并完成鋼桁梁整體BIM模型的組裝和建立。

5.2 模擬拼裝工作流程

5.2.1 創(chuàng)建項目文件

在Revit軟件中選擇結(jié)構(gòu)樣板并新建項目文件，首先建立標高和軸網(wǎng)。先建立路面、支架基礎(chǔ)、支架、鋼桁梁等標高；其次建立2＃墩、3＃墩、線路中線及道路中線等軸網(wǎng)；為文件命名并保存。

5.2.2 搭建場地模型

將橋墩族文件、道路族文件載入到項目文件，創(chuàng)建橋墩族實例并布置于相應的軸網(wǎng)上。

5.2.3 搭建支架模型

將支架基礎(chǔ)、立柱、橫梁、貝雷梁等族文件載入項目文件，根據(jù)施工方案，分別創(chuàng)建族實例并放置在項目文件中軸網(wǎng)相應位置上。

5.2.4 搭建龍門吊模型

先將龍門吊零件族組合成整體族，龍門吊吊鉤族和鋼絲繩族不需組合到龍門吊整體族中，而是與龍門吊整體族文件分別載入到項目文件中，分別創(chuàng)建族實例并放置在項目文件中軸網(wǎng)相應位置上。

5.2.5 搭建鋼桁梁模型

將鋼桁梁節(jié)點族、桿件族等族文件載入到項目文件，根據(jù)施工圖紙中節(jié)點或桿件的平面和標高位置，在項目文件中創(chuàng)建族實例并放置在相應的平面和標高上。模型全部搭建完成后保存文件，并將文件導出為“文件名.nwc”格式。

5.2.6 模擬拼裝

打開Navisworks Manage軟件，將Revit中導出的“文件名.nwc”文件附加到Navisworks Manage中，利用該軟件Animator功能進行桿件拼裝施工動畫模擬。

5.3 模擬拼裝工作效果

5.3.1 更清晰理解施工圖

BIM模型具有可視性、直觀性，工程技術(shù)人員將抽象的二維圖紙轉(zhuǎn)換為BIM模型，并基于“三維可視化模型”對其他管理和操作人員進行圖紙技術(shù)交底，可使大家產(chǎn)生直觀的認識，這對保證工程施工質(zhì)量起到關(guān)鍵性的作用(BIM模型見圖4)。

圖4 鋼桁梁支架法拼裝BIM模擬

5.3.2 進一步優(yōu)化施工方案

(1)通過模擬鋼桁梁各節(jié)點、桿件的拼裝施工，可以檢查支架搭設寬度和高度是否合適。在拼裝過程中，當拼裝第二節(jié)間時第一節(jié)間橫聯(lián)已經(jīng)安裝，斜桿起吊走行需從第一節(jié)間斜桿外側(cè)與龍門吊支腿之間的空間通過，因此，龍門吊的寬度和高度設置非常關(guān)鍵。通過模擬拼裝，最終確定龍門吊跨度為20 m，凈高度為25 m，滿足了吊具、吊繩、平聯(lián)桿件高度及吊裝走行的空間需要。

(2)檢查龍門吊提吊桿件行走的路線和障礙情況。通過在Navisworks Manage軟件中模擬鋼桁梁桿件安裝過程，可以檢查各個零件和桿件在拼裝過程中的行走狀況，可直觀地查看有無需要調(diào)整方案之處。

(3)審查支架施工方案有無“差錯漏碰”現(xiàn)象。建立直觀的BIM模型，可模擬在“模擬的現(xiàn)場”中漫游，從而可直觀地查看支架基礎(chǔ)、立柱、橫梁等之間空間位置情況，與識讀二維圖紙相比，可變抽象為形象，提高了技術(shù)人員以及管理人員的工作效率。

5.3.3 進行可視化技術(shù)交底

鋼桁梁模擬拼裝施工模型建成后，工程技術(shù)人員或BIM工程師可分步開展可視化技術(shù)交底工作。比如交通導改方案可視化交底、支架基礎(chǔ)布置交底、支架搭設技術(shù)交底、龍門吊作業(yè)安全技術(shù)交底、鋼桁梁結(jié)構(gòu)與構(gòu)造技術(shù)交底、鋼桁梁節(jié)點安裝技術(shù)交底、桿件安裝技術(shù)交底等。將作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)流程、注意事項制作成三維動畫，改變以往抽象的文字交底方式為形象的可視化交底，作業(yè)人員尤其是操作工人們一看就懂，增強了交底效果。

6 結(jié)束語

通過應用BIM模擬鋼桁梁架設技術(shù)，主要取得兩方面效果:一方面施工人員深刻理解了圖紙及設計意圖，以便能更加精確地指導完成桿件加工制造、拼裝作業(yè)；另一方面優(yōu)化了拼裝支架和龍門吊支架的搭設寬度和高度，使桿件吊裝、移動空間更加合理，增強了施工方案的科學性、合理性，為后續(xù)施工按期順利進行創(chuàng)造了條件，實現(xiàn)了鋼桁梁桿件的精確加工和準確安裝的目標。