基于BIM 技術的公路工程泡沫輕質土應用

馬汝杰，趙 杰，李夕林

（山東省交通規劃設計院集團有限公司 全壽命周期BIM 技術應用研究中心，山東 濟南 250101）

引言

泡沫輕質土是一種在水泥基漿料中加入泡沫后凝固而成的輕質類新型混凝土，其原材料主要由水泥、水和泡沫組成［1-2］。泡沫輕質土憑借其輕質性、重度和強度可調節性、自流性、直立性、易開挖及施工便捷性等特性，逐步應用于公路建設領域［2-5］。其填筑工程以降低荷重或土壓力為目的，可應用于軟基路堤、軟基橋臺臺背、道路加寬路堤、陡峭路堤、地下結構頂部減荷回填，軟土地基與基礎處理，塌方快速搶險修復，寒區路堤填筑工程。

公路工程中泡沫輕質土的應用帶來了結構體系的變革，土壓力的降低減少了肋板臺的使用，轉而應用新型柱式臺構造；荷重的降低減少了路基放坡，僅需外保護壁構造。BIM 技術發揮其可視化和信息化的特點，面對應用泡沫輕質土帶來的結構體系變化，通過參數化、程序化結構設計實現新型柱式臺和路堤填筑的三維表達和工程量計算，為BIM 技術與泡沫輕質土的融合應用提供新思路。

1 工程概況

沾化至臨淄高速公路是《山東省高速公路網中長期規劃（2014—2030 年）調整方案》中“縱四”沾化（魯冀界）至臨沂（魯蘇界）高速公路的一部分，是連接山東半島藍色經濟區、黃河三角洲高效生態經濟區與濟南都市圈聯系的重要通道，北接埕口至沾化高速，南接臨淄至臨沂高速［6］。根據信息化建設要求，該項目在規劃、設計及施工階段全流程應用BIM 技術，輔助項目高質量高品質建設。本項目設計方案：對于填土高度＞5 m 的橋臺臺背、明涵及兩個距離較近的結構物（距離＜3 m）的臺背采用泡沫輕質土填筑。BIM 技術與泡沫輕質土的融合應用主要體現在新型柱式臺和填筑路堤構造兩方面。

2 新型柱式臺的BIM 化表達

2.1 橋臺結構的BIM 設計

肋板式橋臺是一種常見的橋臺形式，在橋臺高度較大時常被使用,通過設置肋板構造來抵消土壓力、汽車荷載及汽車制動力和汽車沖擊力產生的順橋向位移和拉應力，保證橋臺結構體系的穩定性。泡沫輕質土產生的土側壓力遠小于傳統臺背回填的荷載效應，可采用構造簡單施工便捷的柱式橋臺形式，在滿足工程受力性能需求的基礎上降低工程造價?？紤]該項目地基承載力情況，創新性的采用柱式臺身加小型承臺加柱式樁基的新型柱式臺結構。利用BIM 的可視化特點，通過三維空間化表達不同的橋臺構造類型，見圖1～圖3。

圖1 肋板臺（砂土回填）

圖2 傳統柱式臺（土回填）

圖3 新型柱式臺（泡沫輕質）

2.2 基于設計的程序化表達

沾臨高速項目中除新型柱式橋臺外，傳統柱式臺的應用也較為常見，為實現BIM 參數化驅動構件的統一性，從設計流程中判斷是否有承臺構造。若構造中沒有承臺，直接調用柱式臺的樁基族，基于樁基底部高程計算每根樁基的長度，賦予構件參數ZJH2；若構造中有承臺，需根據臺身底標高計算臺身高度，按照設計臺身直徑賦予參數TSD；順序開展承臺設計和樁基設計，在樁基設計中充分考慮兩排樁基的直徑、樁長差異，實現設計方案的精確性表達。程序化流程見圖4。

圖4 項目柱式臺設計流程

3 填筑路堤的BIM 化表達

泡沫輕質土路堤填土順路線方向長度按倒梯形設計，底部距基礎內邊緣3 m，坡率為1 ∶ 2，與一般路基填土間設置臺階。用復合土工膜包裹（土工膜厚0.3 mm），外側設直立式鋼筋混凝土擋墻保護壁或混凝土預制板保護壁。從BIM 構件的角度出發，按設計線將泡沫輕質土分為左右兩側，分別設定不同角度橫坡以滿足超高設計需求；沿縱向設定角度以實現豎曲線坡度；按設計坡率驅動倒梯形比例，完成和一般路基填土的結合；設定縱向長度參數L調整填筑樁號范圍。綜合考慮BIM 構件的通用性和參數表達的簡約性，簡化臺階構造細節。泡沫輕質土BIM 構件及參數見圖5。

圖5 泡沫輕質土BIM 構件

4 泡沫輕質土工程量計算

在沾臨高速某通道較近范圍內已施工完成2 道涵洞，按原設計方案此處應鑿除部分已施工構造（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，將通道臺背調整為泡沫輕質土回填。利用無人機傾斜攝影技術，真實還原現場施工情況，將通道BIM 模型疊加于三維場景中，為泡沫輕質土調整方案的可視化比選和討論提供了參考依據。為估算方案調整后泡沫輕質土用量，利用BIM 模型基本尺寸信息集成的特點計算通道兩側的回填體積，分別為6 651.215 m3和4 603.107 m3。小樁號側應用見圖6。

圖6 BIM+傾斜攝影的泡沫輕質土應用

5 結語

（1）利用BIM 的可視化特點，通過對比肋板式橋臺、傳統柱式臺和新型柱式臺的不同空間構造，實現了新型柱式臺的三維表達。（2）利用程序化和參數化的方法實現了橋臺設計方案的精細化BIM 模型創建。（3）針對泡沫輕質土的路堤填筑，采用設定多角度、多參數、左右分幅的方法滿足不同縱橫坡、不同樁號的設計要求。（4）基于傾斜攝影和BIM 技術輔助輕質泡沫輕質土優化設計，并計算工程量。從沾化至臨淄高速公路泡沫輕質土的設計方案出發，開展基于BIM 技術的泡沫輕質土工程應用研究，可視化信息化表達新型設計方案，減少了應用新材料的顧忌和擔憂。