跨繁忙干線T構轉體梁BIM技術應用研究

王健 中國鐵路上海局集團有限公司合肥鐵路樞紐工程建設指揮部

1 工程概況

水蚌鐵路蚌埠段改線工程疏解線特大橋兩處T構轉體梁分別在京滬鐵路下行線K978+250處跨越且既有鐵路交角為38°、在京滬鐵路上行線K979+200處跨越且與既有鐵路交角為56°。轉體梁基礎為樁徑1.5 m鉆孔樁群樁，墩身為矩形實心鋼筋混凝土墩，連續梁采用單箱單室變高度直腹板箱型截面，中墩墩頂處梁高7.2 m，合攏段及邊跨現澆段梁高3.60 m。箱梁頂寬7.5 m，箱梁底寬5 m。梁段按施工順序共劃分16種31個梁段，梁體縱向、豎向設置預應力。為避開施工對鐵路繁忙線行車安全的影響，大橋在56#墩承臺和64#墩承臺設置轉動球鉸，對橫跨鐵路路段采用平轉式轉體施工。先在順鐵路線方向采用三角掛籃施工56#墩和64#墩懸臂連續梁。然后在鐵路外按照設計位置55#、57#墩和63#、65#墩采用支架現澆直線段，最后利用京滬鐵路專門為項目施工準備的“空檔期”，在兩個小時內水平轉動梁體，使主梁就位，實現轉體對接（見圖1）。

圖1 跨京滬線轉體橋建筑效果

由于轉體橋與兩側已建成直線段間分別留有合龍段，后期還需采用吊籃發進行混凝土澆筑施工，最終實現橋體合龍和全橋貫通。該轉體梁工藝新，技術難點多，轉體重量6 000 t，曲線半徑800 m，為轉體帶來很大難度。

2 工程施工難點

2.1 球鉸定位精度及線型控制要求高

平轉施工的連續梁橋通常為直線對稱結構或者在半徑較大的曲線上，本轉體橋曲線半徑比較小，轉動體系中球鉸的直徑為12 m，球鉸轉動中心安裝誤差順橋和橫橋向不大于1 mm，其頂面任意兩點高差不大于0.5 mm，定位精度要求非常高，為轉體施工增加了難度。

2.2 曲線轉體監控技術要求高

轉體主梁懸臂總長度為128 m，其在豎向平面內使球鉸轉動體系產生0.01°的微小轉動，就會使懸臂梁的端頭產生很大的豎向位移，在轉體過程中以及隨后的梁體線型調整中，對精確控制懸臂標高和轉體質量平衡提出了更高的要求；轉體主梁是非直線結構，而是位于曲線上，曲線半徑為800 m，混凝土的不對稱不均勻結構容易產生橫向不平衡力矩，其易導致球鉸側轉、使轉體梁受扭，轉體時監控技術要求高。

2.3 跨越京滬鐵路安全風險大

56#、57#和63#、64#橋墩臨近京滬線，承臺邊距離京滬線路中心線最近為7.2 m。橋墩下承臺施工之前需要在鐵路沿線一側開挖基坑，安全風險大，必須采取安全可靠的防護措施確保京滬線行車安全，施工前需要對京廣線鐵路路基施做32根樁徑為1.0 m的人工挖孔樁進行防護，沿承臺靠近坡腳一側進行布置。

2.4 結構上異形構件多

轉體主梁為曲線形單線變截面箱梁，構造復雜，主梁兩端懸臂標高不等；轉動體系主要由滑道、撐腳、反力座、砂箱、球鉸等復雜構件組成；球鉸包括上下球鉸，定位銷軸和定位骨架等，上述構件結構復雜，而且在設計和放置時的精度控制要求高。

2.5 工程量大計算復雜

主體箱梁為預應力混凝土結構，配筋復雜，若是用傳統的方法計算鋼筋工程量，計量人員必將面臨一項繁瑣、費時、工作量巨大的工作。同時，工程量計算的精確度和快慢程度將直接影響工程建設投資、施工進度計劃和資源進場計劃。

3 BIM技術在轉體梁施工中的應用

3.1 軟件選擇

本次BIM軟件選擇Autodesk Revit系列軟件用于轉體橋建模、分析，利用Autodesk Navisworks軟件進行施工進度展示和轉體模擬，在施工中綜合運用基于BIM的三維可視化、協同作業、檢測協調等技術，以期控制質量安全、降低工程成本和縮短工期。

3.2 模型構建與可視化分析

通過Autodesk Revit軟件構建模型以后，將工程三維實體模型展現出來，便于施工人員從更精確的角度對其進行可視化分析。

（1）通過建立橋梁的三維實體模型，將各構件尺寸、位置關系、表觀材質能在模型中直接反映出來，利用這些參數信息對模型進行各種分析，進而指導現場施工應用（見圖2）。

圖2 使用Revit軟件構建橋梁模型

（2）以第一人稱視角進行整個施工場景的漫游和施工進度演示，方便管理人員審查施工工藝和施工方案（見圖3）。

圖3 施工場景漫游和施工方案展示

（3）技術人員可利用三維模型進行施工安全技術交底且方便直觀（見圖4）。

圖4 綁扎鋼筋展示

（4）在施工過程中，可實時提供橋梁任意角度、任意剖面、不同構件的二維圖，尤其是指導變縱坡、曲線箱梁橋施工更為實用（見圖5）。

圖5 承臺三維及0#塊墩剖面圖

（5）使用Autodesk Civil3d軟件按照圖紙坐標數據進行整合，建立橋梁空間線形確定坐標及高程位置，定位橋梁各結構模型拼裝時的空間位置，拼裝完成后利用BIM模型可快速獲取工程任意結構任意點的三維坐標用于測量放樣。方便測量人員施工放線（見圖6）。

圖6 實時查詢任意點的高程坐標

3.3 工程計量分析

工程計量分析是利用軟件自動完成工程量的統計過程，通過Autodesk Revit模型可以快速提取現澆梁的混凝土量及鋼筋數量，并導出Excel材料量清單表格，高效解決了橋梁異形結構工程量計算困難和常規施工中難以核查計算錯誤的難題。同時，也可以為現場施工物資采購以及施工預算提供數據支持。在施工的各個階段對施工材料進行算量和驗工計價，例如鋼筋數量和混凝土方量等（見圖7）。

圖7 用料、算量統計

3.4 碰撞分析

碰撞分析可以高效解決橋梁結構之間的不協調問題，碰撞檢測包括整體橋梁的檢測和部分構件間的檢測。在碰撞檢測完成后，系統會自動顯示有碰撞沖突的構件或者對象。經過碰撞檢查，審閱設計圖紙，實現橋梁結構的實體閱讀，通過BIM精細化建模后，將連續梁0號塊及鋼筋與預應力鋼束模型導入Naviswork進行碰撞檢測，分部找出鋼筋與預應力管道、鋼筋與鋼筋的碰撞點共1230處（見圖8）。碰撞分析可以提前發現問題并避免返工，并有利于問題解決方案的制定。

圖8 利用模型進行碰撞檢查

3.5 施工優化與4D模擬

采用BIM與模擬技術結合，將橋梁三維模型和進度計劃集成起來，實現基于時間維度的施工進度模擬，從而得出最佳施工方案。

（1）施工過程中將三維模型與設計圖紙實時交互，可實現橋梁各構件的快速定位（見圖9）。

圖9 三維模型與設計圖紙相對應

（2）實現施工過程中模型與施工現場照片的參照對比，進行信息化管理，有效指導施工現場安全質量管控（見圖10）。

圖10 模型與施工現場照片相對應

（3）通過施工過程模擬，可優化施工工藝，預測并規避風險，確保施工安全。通過實施4D施工模擬，為合理制定施工計劃、精確掌握施工進度，優化使用施工資源以及科學地進行場地布置提供了依據，并能提前發現施工中可能出現的問題（見圖11）。

圖11 梁橋轉體模擬

（4）工程竣工后，為建設單位提供整個項目施工節點、工程材料、過程工藝的回溯信息，方便運營階段的信息化管理，從而實現橋梁設計、施工、運維使用的全生命周期過程。

4 BIM應用取得效果

4.1 方便信息查詢和結構瀏覽

在施工階段，可以通過三維模型快速對構件的構造情況、成本情況、耗材情況、位置信息等進行實時的查詢，例如：可實時查看變截面箱梁預應力鋼筋的布置情況，方便了管理人員有效指導施工人員作業。

4.2 易于發現二維圖紙錯漏問題

在施工前，通過BIM技術檢查T構轉體梁二維圖紙是否存在錯漏，比如：及時發現0#節段鋼筋布置圖橫斷面尺寸與箱梁構造圖中橫斷面尺寸不一致。在鋼筋布置圖紙中，梁體過人洞下緣距離梁底210 cm；在箱梁構造圖中，過人洞下緣距離梁190 cm。通過與設計、施工方確認核實，及時發現并解決了問題，避免由于返工造成浪費，節約工期，從而實現更多的經濟效益。

4.3 提高工程量計算工作效率和精度

根據提交的合格BIM設計模型，造價工作人員在算量階段均無需再次建模，工作量減少了45%以上，且精度不受人為因素影響。在施工過程中對單層或者單構件所用工程量進行實時控制和預警，作為材料采購和編制施工計劃的依據，有利于材料管理和控制，便于及時發現工程量偏差，從而及時糾偏。

4.4 4D施工模擬指導施工現場

（1）運用BIM技術實現4D施工模擬，將轉體橋的整個施工過程在計算機上模擬，利用模型進行現場技術交底，讓施工人員輕松掌握每個階段的施工任務。

（2）為編制資源需求計劃和勞動力計劃提供了合理依據，提前發現了施工中出現的問題，降低施工風險，減少返工。經實際驗證，工程采用BIM技術后降低了越4%的成本，尤其是在樁基施工、下承臺施工、球鉸施工、轉體施工中的取得的效果較為明顯。

5 結束語

跨繁忙干線T構轉體梁施工安全風險周期長，質量標準要求高，通過BIM技術輔助施工可以有效提升工作效率、檢查發現圖紙錯誤，提前驗證施工中存在的安全質量風險事項，有效指導解決方案的制定。但是BIM技術專業性強，要求相關的管理、技術人員充分、熟練的掌握運用相關技術，在操作上面往往需要高校合作才能進行運行，參建單位應該充分培養掌握BIM運用技術的專業人員才能充分發揮BIM的宏觀導向作用。