BIM技術在上跨既有高速鋼箱梁安裝方案中的應用

黃妍彬，楊 濤，辛亞兵，李再德

（湖南建工交通建設有限公司，湖南長沙 410004）

BIM技術通過近幾年井噴式發展，在房屋建筑領域展現出強大的應用價值和經濟效益，但在交通工程領域缺乏發展動力，究其原因，是從業人員未感受到BIM技術在專業領域的應用價值。為探索BIM技術在公路交通工程中的應用實踐點和效益，基于樞紐工程的復雜性，發揮BIM技術的模擬性優勢，本文從施工方案比選的角度探索BIM技術在交通工程領域的應用價值，以期為公路行業從業人員提供參考和借鑒。

樞紐互通的施工是整個高速公路施工中的重難點工程之一，跨越既有高速公路的橋梁上部結構施工又是整個樞紐互通施工的關鍵性工程。項目工程中，E匝道橋中跨達70 m，H匝道橋中跨為60 m，E匝道橋與H匝道橋曲率變化且間距較小，相互影響限制，是影響施工方法選擇的控制性因素。項目需要在不斷流的情況下進行跨線鋼箱梁的施工，采用自行式吊機時起重半徑大，從而需要大噸位履帶吊，但現場條件無法滿足履帶吊支腿空間要求，因此本文將E、H兩座匝道橋以架橋機安裝和頂推安裝兩種方案進行BIM模擬，通過模型計算出鋼梁分塊重量，并對安裝進行的各階段進行數據分析。充分揭示兩種安裝方案的限制情況，為最終方案的確定提供十分有力的參考。

1 工程概況

項目位于湖南省湘潭縣，為新建醴婁高速與既有潭衡西高速的交叉工程，分別有3座橋跨越潭衡西高速（圖1）：1）主線跨線橋，跨徑3×46 m，分左右幅，梁寬度為20.75 m，共4個箱室，單箱室尺寸為2.8 m×2.1 m（寬×高），鋼梁橫向與路線斜交角為77°；2）E匝道二號橋，跨徑為（45+70+45）m，不分幅，梁寬度為10.5 m，共兩個箱室，單箱室尺寸為2.8 m×2.8 m（寬×高），鋼梁橫向與路線正交；3）H匝道橋，跨徑（37+60+37）m，不分幅，梁寬度為10.5 m，共兩個箱室，單箱室尺寸為2.8 m×2.4 m（寬×高），鋼梁橫向與路線正交。本文模擬的E匝道橋臨時墩設計分跨為（30+30+40+30+30）m，H匝道橋臨時墩設計分跨為（27+23+34+23+27）m。

圖1 鋼箱梁整體位置

2 仿真模型建立

按照國家標準《建筑信息模型施工應用標準》（GB/T5 1235—2017）［1］要求，建立精度為LOD350的深化設計模型，并配合施工方案對箱梁進行分塊。E、H匝道兩座鋼箱梁橋所在平面線形均為曲線，伴隨橫坡的變化，梁體需在平轉的同時進行細微的豎轉，空間尺寸復雜。

項目采用Bentley軟件平臺，用道路專業軟件OpenRoads Designer建立橋梁中心線，并融合預拱度曲線作為鋼箱梁建模的線型。在軟件內建立鋼箱梁的橫斷面模板，以此拉伸出鋼箱梁的主體面板（頂板、腹板、底板）、縱向通長肋板及正交的橫向隔板。用參數控制鋼箱梁的橫坡變化，并在建立橫斷面階段和拉伸階段分別進行鋼箱梁的橫向和縱向分塊。然后以此模型為基礎，在MicroStation內建立隔板的短肋板，再將各部分模型組裝到一起。因為增加過焊孔會大大增加模型體量和建模時間，且忽略過焊孔對鋼梁重量計算影響很小，所以建模過程已忽略過焊孔。

為快速統計模型工程量，建模過程中從以下思路對模型進行了重組：1）短肋板全部實體轉化為網格；2）網格縫合至能查看體積的最大單位；3）按鋼板類型分圖層：頂板、腹板、底板、翼板、隔板（分各部位）；4）按吊裝塊分圖形組。以模型體積為基礎，乘以鋼材密度7 850 kg/m3，統計出鋼梁分塊重量（表1）。

表1 鋼箱梁分塊重量

根據設計數量表統計的鋼材總重和梁段長度占比估算出的最大梁重為85 t，與模型計算的最大梁重85.57 t相比，數值幾乎等同，這也驗證了模型的精確度。因此，以上從模型統計的鋼梁分塊重量用于施工過程的力學計算可靠。

為了更直觀地表示鋼箱梁的結構組成，模型從以下4個構造對鋼箱梁細部進行三維展示，如圖2所示。

圖2 鋼箱梁細部構造

3 兩種方案的相同應用點

架橋機吊裝和頂推安裝都需要在鋼箱梁生產廠完成鋼箱梁的組焊和運輸分塊，也需要設置臨時支墩減少跨徑，其施工總體部署也大致相同。

3.1 鋼箱梁組焊和切分

鋼箱梁在生產工廠內采用胎架加工，胎架模擬設計縱坡橫坡，并結合施工預拱度，進行鋼箱梁組焊和運輸段切分。具體步驟如圖3所示。

圖3 一跨鋼箱梁組焊順序

3.2 臨時支墩模擬

鋼箱梁在建模時已包含路線縱坡數據，也添加了曲線段橫坡數據，因此鋼箱梁的模型空間位置即實體鋼箱梁的安裝準確位置。從鋼箱梁臨時跨分跨位置處讀取箱梁左右箱室底部標高，扣減臨時支座高度，作為臨時墩施工的墩頂控制性高程，數據如表2所示，臨時墩位置編號如圖4所示。施工過程中可以在臨時支墩頂部安置傳感器，與BIM模型聯動，監測臨時支墩的沉降及位移。

表2 臨時墩頂控制高程m

圖4 臨時支墩

以上數據經專業測量工程師計算對比，符合工程施工的精度要求。

在臨時支墩的模擬過程中，發現E匝道橋的2#臨時支墩已超出硬路肩范圍，占用了一點機動車道，而3#臨時支墩還有較大空間富余。因此，可以考慮進行設計優化，將中跨40 m向西側小樁號方向移動2m，臨時跨調整為（30+28+40+32+30）m。

3.3 鋼箱梁施工總體部署

架橋機施工和頂推施工都需要在橋后E、H匝道路基平行段設置拼裝場地。整個互通施工的運輸通道集中在潭衡西高速的東側，到達西側需下穿潭衡西原有通涵繞行，通行高度受限制。從樞紐互通總體模型（圖5）中可以看到，將E、H匝道的地道橋留置暫不施工，使主線與E、H匝道在此處平交，然后將主線跨線橋從東向西架通（架橋機或頂推），就可以為E、H匝道跨線梁的拼裝場提供便利的鋼梁及機械運輸通道。然后從西向東完成E匝道1～3跨和H匝道3～5跨鋼箱梁的安裝。最后在東側場地內用汽車吊安裝E匝道4～5跨及H匝道1～2跨鋼箱梁。場地布置（圖6）中橙色位置為吊車站位。場地模型除了可以用于方案交底，還可以進行水力分析，以判斷易積水位置，并進行臨時排水設計。

圖5 樞紐互通總體模型

圖6 場地布置

4 兩種方案的細節分析

4.1 架橋機安裝方案

4.1.1 安裝狀態模擬

架橋機架梁模擬如圖7所示。架橋機的最小轉彎半徑為450 m，而E、H匝道橋東側最小曲率半徑分別僅為150、160 m，因此采用架橋機安裝匝道橋直順段鋼箱梁，從西側出發至跨線孔完成后結束，東側4跨鋼箱梁采用汽車吊安裝。鋼箱梁現場拼裝順序：至現場拼裝場地拼焊為吊裝長度節段，架橋機將橫向分為5塊的梁塊吊移至臨時墩頂，再在橋上橫向拼焊為整體梁跨。

圖7 架橋機架梁

4.1.2 橫向分塊優化

將鋼梁橫向分塊編碼為A、B、C、D、F。吊梁模擬時發現，按原有分塊（圖8）進行安裝時，如果先將B、D箱室塊安裝好，再安裝C塊，會因為C塊的肋板比面板寬而放不下去。如果將C塊的實腹式隔板留置后焊，又會增加施工難度和風險。而且在兩側都已定位的情況下，從中間卡進隔板，會存在寬度不足放不進去或寬度過大接不上的情況，施工質量難以保證。因此只能以B→C→D→A或F的順序進行安裝，其中，A、C、F塊需要在吊置狀態下進行成跨焊接。鋼梁塊吊至墩頂后，塊件之間的焊接只能在橋面板以下進行，因此還需要設置梁下工作平臺。

圖8 鋼箱梁原分塊

經過優化（圖9），將頂板中塊加寬，內側兩塊腹板分配給C塊。架梁時，先安裝B、D箱室，再安裝C塊，C塊的腹板壓在B、D塊的底板上，C塊的頂板掛在箱室的隔板上，架上后就有一定的自穩性。焊接作業人員在B、D箱室內進行內側腹板與隔板的焊接，以提高安全性。優化后的鋼箱梁分塊重量更均衡，梁段最大重量降低。

圖9 鋼箱梁優化分塊

4.2 頂推安裝方案

頂推通常適用于直線段或圓曲線段，本方案頂推梁段位于緩和曲線，后段較直前段彎曲，總體曲度在可協調范圍內?？刹捎弥本€或曲線導軌式頂推，直線頂推運動狀態為向前平移，曲線頂推為沿圓弧旋轉。先按設計頂推路線制作鋼軌道，鋼軌道可采用鋼絲繩拖拉架設，鋼絲繩可采用無人機牽引跨過潭衡西高速，然后在鋼箱梁箱室底部與軌道對應位置按一定間距安裝小輪，頂推過程類似于推小車。頂推架梁模擬如圖10所示。

圖10 頂推架梁模擬

頂推部分鋼箱梁現場拼裝順序：至現場拼裝場地拼焊為一跨整體雙箱室箱梁，然后分跨焊接和頂推。

潭衡西東側4跨梁體，因轉向幅度已超出后段路線方向可調整范圍，因此與架橋機方案一樣，采用汽車吊安裝。

4.2.1 頂推路徑設計

在模型設計位置的基礎上，提取箱梁箱室底面輪廓線，然后進行頂推路徑的設計，使路徑線在梁段任意位置都位于輪廓線之內，并盡量靠近箱室底面中心線，以利于頂推過程箱梁的穩定。經繪圖模擬，E匝道橋采用直線，H匝道采用600 m半徑線作為頂推路徑（圖11）。

圖11 頂推路徑模擬

從縱面來看，頂推路徑在頂推終點墩設置為設計標高，在頂推起點墩設置為設計標高加梁高及留間隙高度?？v坡由設計路線的西向東上坡變為頂推路徑的西向東下坡，具體數據為E匝道橋由0.74%變為-1.76%，H匝道橋由1.67%變為-1.8%。頂推路徑縱坡較為平緩，且下坡有利于梁體向前推進。

箱室底部的兩條頂推路徑相互平行，在路徑線位置設頂推軌道。若采用圓弧線路徑，則應在每跨臨時墩之間為軌道進行直線支撐固定。臨時墩墩頂高度應按頂推路徑線對應設置。梁底橫坡變化通過梁底小輪支腿高度調節。

4.2.2 導梁設計

E匝道橋頂推最大跨徑為40 m，導梁長度為跨徑的2/3，即27 m；H匝道橋頂推最大跨徑為34 m，導梁長度為23 m。導梁設計如圖12所示，每個箱室前段接一根導梁，兩根導梁間進行橫向連接加強。因梁體前端與頂推路徑有一定偏移值，偏移值大的一邊也應加強箱梁與導梁的連接。導梁整體采用2 cm厚鋼板焊接為前低后高的工字鋼形式，中腹板位置設加強肋，中腹板較高處進行局部鏤空以減輕整體重量。具體尺寸及受力情況根據結構計算軟件驗算后進行調整。

圖12 導梁設計

5 方案對比及選定

5.1 安全性對比

架橋機過孔需設置1.5倍安全系數，并臨時封閉交通30 min。架橋機吊裝完各橫向鋼梁分塊后，需要在通行的車流上方進行分塊間主縱縫焊接及翼肋板與主箱室焊接，作業時間長，安全風險相對較大。由于永久墩跨徑達70 m和60 m，架橋機跨越難度大，因此架橋機方案中，架橋機前支腿需落在臨時支墩上。從而臨時支墩需承受架橋機和安裝鋼梁的總重，這對臨時支墩的強度剛度穩定性提出了更高要求。臨時墩沉降過大可能導致架橋機前支腿失去支撐而傾覆，造成安全事故或質量事故。

相比較而言，頂推施工時，鋼箱梁已整體焊接成型，不需要在高速上方進行長時間作業，安全風險小得多。

5.2 質量等級對比

架橋機方案中，鋼箱梁被分塊架設或吊裝于跨上，再進行最后的組裝焊接，作業條件和設備都有一定的限制，可能造成焊縫應力過大或組件對位不佳等情況。

頂推方案中，鋼箱梁在岸上整體成型，作業空間大，可利用龍門吊等各種設備調整組件之間的相對位置，減少焊縫應力，質量等級比架橋機方案好。

5.3 經濟性對比

對兩種方案而言，在鋼箱梁加工、運輸、場地方面的要求基本一致，因此成本相當。在臨時墩方面，架橋機只需要將臨時墩支到設計標高，但對臨時墩的承載要求更高，會增加地基處理的成本，頂推方案中臨時墩高度增加會增加一些費用，總體來說，兩種方案在臨時支墩的成本也相當。

架橋機方案中架橋機的使用成本為135萬元，頂推方案中鋼導梁的材料及加工成本為100萬元左右。

5.4 工期對比

兩種方案所消耗的工期，均為3個月左右。

5.5 方案選定

總體而言，兩種方案在經濟性和工期消耗方面相差不大，但頂推方案的安全性和施工質量更勝一籌，且在施工方案的選擇上，安全性應優先于經濟性進行考慮。

綜上所述，應選擇頂推方案作為該鋼箱梁的施工方案。

6 結 論

本文以射埠樞紐互通鋼箱梁架設為工程背景，利用BIM技術對架橋機吊裝、頂推安裝兩種施工方法進行模擬。BIM模型在兩種方案的比選中發揮了重要的指導作用，其準確參數為方案中的各種測算提供了數據基礎。BIM建模進行臨時工程的正向設計簡單又便捷，可為工程技術人員理解方案提供了重要助力。