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BIM技術(shù)在節(jié)段梁預(yù)制施工全流程的管理與應(yīng)用

摘要

針對(duì)某市域高速鐵路橋節(jié)段梁短線法施工特點(diǎn)，通過借助 BIM 技術(shù)與信息化手段，整體建模規(guī)劃預(yù)制場(chǎng)地，合理優(yōu)化設(shè)備布置，對(duì)生產(chǎn)工藝和線型控制調(diào)整優(yōu)化。輔助鋼筋加工綁扎、模板安裝拆除、混凝土施工養(yǎng)護(hù)，降低決策溝通成本，提高施工效率，科學(xué)合理地使用 BIM 技術(shù)為工程落地提供有效技術(shù)支撐。

工程背景

某規(guī)劃建設(shè)市域高速鐵路橋梁，連續(xù)梁全長(zhǎng) 79.85 m，計(jì)算跨度為（39.325+39.325）m。其主梁斷面為單箱單室直腹板形式，梁中心高 2.4 m、梁寬11 m；采用短線法施工，將主梁沿縱向劃分為 26 個(gè)節(jié)段，梁長(zhǎng)分別為1.97 m、2.45 m、3 m三種類型節(jié)段。全聯(lián)在邊墩、次邊墩、中墩處設(shè)橫隔板，橫隔板設(shè)有孔洞，供工作人員通過。邊墩橫隔板厚1.425 m，次邊墩、中墩橫隔板厚1.9 m。節(jié)段梁先在工廠預(yù)制，再運(yùn)至橋位處利用架橋機(jī)起重拼裝系統(tǒng)進(jìn)行施工，跨中節(jié)段采用平衡懸臂拼裝，邊跨節(jié)段梁采用整體懸吊拼裝（圖1）。節(jié)段接縫面剪力鍵采用梯形，按密鍵形式布置，節(jié)段間通過密齒形剪力鍵傳遞剪力，接縫面膠接縫處涂刷環(huán)氧樹脂膠粘劑，兩接縫面直接對(duì)接，接縫表面不開槽，采用密封墊圈加涂膠方式密封。每個(gè)膠接縫沿箱梁四周內(nèi)、外側(cè)各刷 20 cm 寬的聚氨酯防水涂料，聚氨酯防水涂料與混凝土顏色一致，滿足城市景觀要求。合龍位置采用 C50 補(bǔ)償自收縮混凝土現(xiàn)澆濕接縫連接。

圖1 節(jié)段梁架設(shè)拼裝示意圖

1.1

節(jié)段梁主要特點(diǎn)

該節(jié)段梁構(gòu)件采用多剪力鍵形式有效減少應(yīng)力集中，對(duì)于模板的剛度和靈活性要求較高，節(jié)段梁端部如圖 2 所示。根據(jù)橋梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與施工要求，預(yù)制節(jié)段梁可劃分為跨中標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段、中墩節(jié)段、邊墩節(jié)段、次邊墩節(jié)段等。梁體為單箱單室直腹板形式，跨中節(jié)段頂板中心厚 30 cm，底板厚 45 cm，腹板厚 45 cm，中墩邊墩局部向內(nèi)側(cè)加厚，分別為頂板厚 50 cm，底板厚 55 cm，腹板厚 90 cm。節(jié)段寬度 11 m，節(jié)段長(zhǎng)為 2～3 m。混凝土采用 C50 高性能混凝土。

1.2

節(jié)段梁在預(yù)制施工中的重難點(diǎn)

（1）預(yù)制場(chǎng)規(guī)劃建設(shè)涉及到如何把預(yù)拌混凝土生產(chǎn)區(qū)、鋼筋加工區(qū)、節(jié)段預(yù)制區(qū)等進(jìn)行有機(jī)銜接，施工現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)高效便捷，各工序相互不產(chǎn)生交叉影響，因此預(yù)制場(chǎng)設(shè)備布置及規(guī)劃等方面需要優(yōu)化調(diào)整空間大。

（2）節(jié)段梁采用短線法預(yù)制，短線匹配法施工是一個(gè)循環(huán)反復(fù)的過程，匹配梁定位不牢、澆筑混凝土的側(cè)壓力及振搗器作用等會(huì)導(dǎo)致匹配梁轉(zhuǎn)動(dòng)移位，由于偏差累積效應(yīng)，一整段梁的結(jié)構(gòu)和線形都會(huì)受到影響，所以對(duì)于工藝及線型控制等均具有很高的精度要求。

（3）針對(duì)內(nèi)部空腔體積為變截面的梁段，內(nèi)芯模伸展角度尤為關(guān)鍵，稍有偏差則會(huì)影響節(jié)段梁成型質(zhì)量及施工精度，另外，模板體型龐大，造成施工過程中模板拼裝誤差較大。

（4）面對(duì)隨時(shí)可能出現(xiàn)的工期緊張的情況，對(duì)鋼筋綁扎、模板安裝與拆除、混凝土施工以及現(xiàn)場(chǎng)管理提出了很高的要求。

BIM 技術(shù)在節(jié)段梁預(yù)制施工全流程管理與應(yīng)用研究

2.1

BIM技術(shù)輔助預(yù)制場(chǎng)規(guī)劃建設(shè)

工廠選定在上海某預(yù)制工廠內(nèi)，生產(chǎn)場(chǎng)地整體呈東西向布置，總平面為矩形，其中東西向長(zhǎng)約280 m，南北向45 m，總面積約為 12 600 m2。廠內(nèi)設(shè)有生活辦公區(qū)、預(yù)拌混凝土生產(chǎn)區(qū)、鋼筋加工區(qū)、節(jié)段預(yù)制區(qū)、節(jié)段儲(chǔ)存區(qū)和倉(cāng)庫(kù)車間等六個(gè)部分。預(yù)制廠建設(shè)同 BIM 技術(shù)相結(jié)合，對(duì)廠內(nèi)各臨時(shí)結(jié)構(gòu)及蒸汽管道進(jìn)行碰撞檢查及布置優(yōu)化，預(yù)制廠內(nèi)臨時(shí)建設(shè)均采用統(tǒng)一規(guī)劃。場(chǎng)地規(guī)劃主要包含鋼筋加工和綁扎、模板安裝和拆卸、混凝土拌車路線規(guī)劃、梁段吊裝存放，減少中間曲線環(huán)節(jié)，形成流水線施工。

規(guī)劃采用平行流水線生產(chǎn)方案，布置 2 條短線法臺(tái)座、2 套外側(cè)鋼模、2 套箱梁內(nèi)芯模，確保每天生產(chǎn) 2～4 段節(jié)段梁。每條作業(yè)線設(shè)有 1 臺(tái)100 t 龍門吊、2臺(tái)15 t 龍門吊，100 t 龍門吊軌距為 45 m，15 t 龍門吊軌距均為30 m，起升高度主鉤 15 m、副鉤 17 m。預(yù)制臺(tái)座東西兩端分別設(shè)有測(cè)量臺(tái)與測(cè)量坐標(biāo)點(diǎn)供模板安裝定位用。根據(jù)節(jié)段梁結(jié)構(gòu)尺寸及龍門吊跨度和場(chǎng)地漫游演示結(jié)果，橫向并排布置 6 個(gè)鋼筋綁扎胎架。

2.2

基于BIM技術(shù)的節(jié)段梁生產(chǎn)工藝優(yōu)化及線形控制

2.2.1 BIM技術(shù)優(yōu)化調(diào)整節(jié)段梁生產(chǎn)工藝

短線法即利用已澆筑梁段截面作為匹配面澆筑下一榀梁段的循環(huán)過程，具體流程見圖2。

圖2 短線法預(yù)制工藝流程

通過建立場(chǎng)地、建筑物及設(shè)備模型，結(jié)合整個(gè)節(jié)段梁預(yù)制施工仿真動(dòng)畫模擬，細(xì)化工藝流程，幫助參與施工人員了解施工過程的質(zhì)量控制要點(diǎn)、施工安全管理要點(diǎn)，避免因經(jīng)驗(yàn)不足引起的質(zhì)量安全問題。對(duì)于模擬發(fā)現(xiàn)的施工過程中各種問題和重難點(diǎn)，分析問題并制定解決措施，反復(fù)模擬施工過程并加以完善，形成一套完整的節(jié)段梁預(yù)制全流程施工模擬體系，和以信息化建造為特色的企業(yè)級(jí)工法，為以后類似項(xiàng)目施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

2.2.2 基于有限元軟件結(jié)合 BIM 技術(shù)的節(jié)段梁線形監(jiān)控技術(shù)

在短線法工藝匹配梁定位中，成型后的節(jié)段梁每次移位后必須重新精準(zhǔn)調(diào)整定位，進(jìn)行匹配，因此對(duì)施工控制的精度要求比較高。施工中主要以水平度控制、中線控制、垂直度控制等“三點(diǎn)控制”進(jìn)行調(diào)整，“三點(diǎn)控制”的調(diào)整方向?qū)?yīng)空間坐標(biāo)軸的三個(gè)方向。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)出節(jié)段端模翼板中心對(duì)稱位置坐標(biāo)、節(jié)段匹配端翼板中心對(duì)稱位置坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)后導(dǎo)入有限元軟件中，在三維空間坐標(biāo)系模擬節(jié)段拼裝狀態(tài)，與理論預(yù)制線形進(jìn)行對(duì)比。如果兩者基本吻合，表明預(yù)制線形控制效果良好。如果出現(xiàn)偏差則要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于豎向偏差，可以增貼相應(yīng)厚度的環(huán)氧墊片。基于有限元軟件和現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)段預(yù)制拼裝的實(shí)時(shí)可視化，對(duì)預(yù)制線型同步控制，預(yù)測(cè)拼裝偏差并給出調(diào)整意見。

2.3

基于 BIM 技術(shù)的節(jié)段梁預(yù)制施工生產(chǎn)流程數(shù)字化應(yīng)用

BIM 技術(shù)基于真實(shí)物料信息的可模擬性特點(diǎn)在輔助鋼筋加工與綁扎、指導(dǎo)模板安裝及拆除、混凝土工程量統(tǒng)計(jì)等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，BIM 技術(shù)融入預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)流程與管理，可為預(yù)制場(chǎng)信息化轉(zhuǎn)型提供有益參考。

2.3.1 BIM技術(shù)輔助鋼筋加工綁扎與預(yù)埋件安裝

（1）鋼筋自動(dòng)下料。根據(jù)施工組織計(jì)劃和建立的企業(yè)節(jié)段梁施工族庫(kù)，導(dǎo)出鋼筋明細(xì)表，統(tǒng)計(jì)施工所需的鋼筋重量和數(shù)量，安排生產(chǎn)計(jì)劃。將 BIM 軟件自動(dòng)生成的鋼筋線材下料單，交付給鋼筋車間加工節(jié)段梁所需鋼筋，鋼筋加工完畢且驗(yàn)收合格后，將鋼筋分類有序堆放于鋼筋綁扎車間。

（2）鋼筋碰撞檢查與預(yù)埋件定位。根據(jù)精確的鋼筋建模排布，對(duì)鋼筋籠復(fù)雜節(jié)點(diǎn)（拐角處）及穿插波紋管進(jìn)行碰撞檢查，優(yōu)化鋼筋綁扎順序和細(xì)部精度。胎架上先設(shè)置定位工裝，在鋼筋胎架上先綁扎腹板和底板的下層鋼筋，再將波紋管平順穿入并固定在波紋管定位鋼筋中，在腹板和底板的下層鋼筋上定位波紋管，然后綁扎頂板鋼筋，綁扎腹板和頂板的上層鋼筋和拉鉤鋼筋。安裝預(yù)埋件時(shí)要嚴(yán)格按圖紙位置、間距將預(yù)埋件焊接在鋼筋籠骨架主筋上，焊縫質(zhì)量需滿足其技術(shù)規(guī)范，確保焊接牢固可靠。縱橫向鋼筋與波紋管、預(yù)埋件產(chǎn)生交錯(cuò)沖突的時(shí)候，可在保證保證鋼筋順直的前提下，適當(dāng)挪動(dòng)鋼筋位置。保護(hù)層墊塊采用 32 mm 規(guī)格，強(qiáng)度≥55 MPa，按梅花型布置，用鍍鋅扎絲十字交叉固定綁扎在鋼筋上，扎絲尾部不得升入混凝土保護(hù)層內(nèi)，不少于4個(gè)/m2。

2.3.2 BIM技術(shù)指導(dǎo)模板安裝及拆除

在模板組裝中，端模的體型較大，其安裝精度對(duì)預(yù)制梁的偏差影響至關(guān)重要，施工中主要以水平度控制、中線控制、垂直度控制等“三點(diǎn)控制”進(jìn)行調(diào)整。通過測(cè)量固定端模翼板中心兩側(cè)位置標(biāo)高、距離平面基點(diǎn)距離、與垂直控制線位移等三組數(shù)據(jù)，形成已澆筑節(jié)段梁一端的空間坐標(biāo)，根據(jù)梁體信息用軟件計(jì)算出另一端的空間坐標(biāo)，即匹配梁段與相鄰預(yù)制件的坐標(biāo)，再由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員進(jìn)行匹配梁（1號(hào)梁時(shí)為移動(dòng)端模）位置的調(diào)整。達(dá)到預(yù)定坐標(biāo)后，用桁車配合使用專用多點(diǎn)式吊具將鋼筋骨架調(diào)入模具中，入模完成后，調(diào)整內(nèi)模模具。

對(duì)于內(nèi)部空腔體積為變截面的節(jié)段梁，內(nèi)芯模設(shè)計(jì)為多段式液壓頂撐機(jī)構(gòu)，根據(jù)軟件模擬出的各段伸縮角度信息參數(shù)，輸入自動(dòng)化液壓內(nèi)模角度調(diào)整系統(tǒng)，調(diào)整到設(shè)定角度后保持固定，實(shí)現(xiàn)內(nèi)模合模的數(shù)字化建造。內(nèi)模合模完成，開始節(jié)段梁混凝土澆筑。節(jié)段梁混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度（不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度 50%）后拆除模板，移出 1 號(hào)節(jié)段梁，吊入底模，調(diào)整節(jié)段梁匹配，進(jìn)行第二個(gè)循環(huán)，待 2 號(hào)節(jié)段梁混凝土達(dá)到強(qiáng)度后移出 1 號(hào)節(jié)段梁，進(jìn)行修飾養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)后待混凝土強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度 75% 時(shí)，方可起吊，移入存梁區(qū)。

2.3.3 BIM技術(shù)在混凝土施工及養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

在BIM軟件中統(tǒng)計(jì)混凝土施工所需方量，降低溝通成本，減少多余混凝土浪費(fèi)。利用虛擬場(chǎng)地漫游技術(shù)，引導(dǎo)混凝土拌車在規(guī)劃的運(yùn)輸路線行駛，針對(duì)漫游中道路轉(zhuǎn)彎半徑不適宜通過的道口，應(yīng)及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)路面進(jìn)行加寬處理。混凝土澆筑應(yīng)按照先底板再腹板再頂板的施工順序，澆搗過程中采用插入式振搗棒和附著式振搗器共同進(jìn)行振搗。早期采用蒸汽管道蒸汽養(yǎng)護(hù)。建立預(yù)制梁存放二維碼信息管理系統(tǒng)，采集預(yù)制梁生產(chǎn)、養(yǎng)護(hù)和堆放信息，通過手機(jī)小程序掃描梁身二維碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)梁段信息的快速查詢與定位。

結(jié) 語(yǔ)

長(zhǎng)期以來，預(yù)制場(chǎng)信息化水平較低，生產(chǎn)方式粗放、勞動(dòng)效率不高、能源資源消耗較大等問題比較突出，在建筑業(yè)與先進(jìn)制造、智能建造大融合的背景下，積極擁抱先進(jìn)技術(shù)，改進(jìn)生產(chǎn)效率，是企業(yè)長(zhǎng)期高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)之路。通過積極借助 BIM 技術(shù)與信息化手段，在整體建模規(guī)劃預(yù)制場(chǎng)地，合理優(yōu)化設(shè)備布置，生產(chǎn)工藝和線型控制調(diào)整優(yōu)化，輔助鋼筋加工綁扎、模板安裝拆除、混凝土施工養(yǎng)護(hù)等節(jié)段梁預(yù)制施工全流程，開展數(shù)字化建造研究并逐步應(yīng)用在日常生產(chǎn)中，起到降低決策溝通成本，提高施工效率作用。以此市域高速鐵路橋梁連續(xù)梁預(yù)制施工組織為契機(jī)，科學(xué)合理地使用BIM技術(shù)為工程落地提供有效技術(shù)支撐。

（責(zé)任編輯：何雯麗）