基于BIM的预制管片堆场存储与定位研究

田文攀, 高新闻, 吴惠明

(1. 上海大学-上海城建建筑产业化研究中心， 上海 200072; 2. 上海大学土木工程系， 上海 200072;3. 上海大学机电工程与自动化学院， 上海 200072； 4. 上海隧道工程股份有限公司， 上海 200030)



基于BIM的预制管片堆场存储与定位研究

田文攀1, 2, 高新闻1, 3, 吴惠明4

(1. 上海大学-上海城建建筑产业化研究中心， 上海 200072; 2. 上海大学土木工程系， 上海 200072;3. 上海大学机电工程与自动化学院， 上海 200072； 4. 上海隧道工程股份有限公司， 上海 200030)

针对上海地区预制管片堆场堆放层数不确定、堆场布局混乱、管片定位查找困难等问题,将有限元法(FEM)和建筑信息模型(BIM)技术相结合，通过对管片堆放层数仿真分析与管片定位研究，以期找到解决这些问题的方法。为此，先采用Abaqus有限元软件对预制管片堆场进行数值模拟以确定预制管片堆场每个堆位的管片堆放层数，再通过Revit、Navisworks等BIM软件对预制管片堆场进行虚拟布局。在此基础上提出一种基于BIM的混堆模式预制管片堆场定位新方法，该方法以BIM模型为核心，通过与二维码物联网技术和龙门吊智能化控制系统相结合来建立数据的转换与融合，从而实现在BIM终端三维可视化界面下对堆场中的预制管片进行精确定位查找与龙门吊最优路线运输作业。

预制管片； 有限元法(FEM)； BIM技术； 混堆模式

0 引言

预制管片堆场是城市地铁管片的主要储存场所，关系到管片的储存、吊装、运输等关键环节，堆场的布局直接影响预制管片厂的运作效率。目前，由于各生产企业管片生产数量较多，加之上海地区土地资源稀缺，管片场地布局混乱，多余管片只能插空堆放，无法对管片进行系统编码来进行精确定位查找。

国内外学者在管片堆场存储定位方面的研究较少，大部分偏重于研究管片预制生产过程。国外方面，VMT公司开发的文件系统(SDS)[1]从信息管理角度进行场地规划并专注于分析管片从绑扎钢筋到管片运输全生命周期的生产信息采集过程；文献[2-3]从管片力学角度出发，注重分析纤维混凝土管片在支模、存储、运输、拼装期间的力学响应，解决了纤维混凝土管片在堆场存储期间的一系列力学问题；文献[4]通过考虑动载荷条件的影响，对管片在吊装、存储、拼装期间的受力情况进行了更深入的研究。国内方面，文献[5]构建了基于BIM的三维可视化盾构施工平台，实现盾构施工过程的可视化；文献[6-7]将优化方案与仿真分析相结合进行集装箱场地布局优化，对于分析管片堆场布局有一定借鉴意义。上述研究成果或者从力学角度出发或者从信息化角度出发，分析方法相对单一。本文立足于管片堆场定位研究，把有限元法(FEM)与建筑信息模型(BIM)相结合，尝试对管片堆场进行布局优化，做到在三维可视化角度下精确定位管片所在位置，提高管片堆场的运作效率。

1 有限元法(FEM)确定堆放层数

合理的堆放层数不仅方便龙门吊吊装运输，而且可有效提高堆场空间利用率。预制管片堆放层数的确定以2016年5月开建的上海轨道交通18号线管片为研究对象，其管片类型为上海轨道交通普遍采用的类型——外径6 600 mm、内径5 900 mm、厚度350 mm。整环管片由6块组成，分为1块封顶块(F)、2块邻接块(L)、2块标准块(B)和1块拱底块(D)(如图1所示)。

图1 轨道交通18号线整环划分参数

1.1 实际堆放时的管片力学分析

规范《预制混凝土衬砌管片生产工艺技术规程》[8]明确规定，相邻管片之间的垫木应在一条直线上。然而，在实际堆放时(如图2所示)受人为、龙门吊等因素的影响，相邻管片之间的垫木不可避免会产生偏差ex从而使管片产生不必要的弯矩My。随着堆放层数的增加，当管片下部受拉区混凝土强度大于其抗拉强度ft时，混凝土将由弹性阶段转为塑性阶段，混凝土处于开裂状态。开裂后的管片不能保证管片拼装时的力学性能。为保证盾构施工期间管片拼装时力学性能不受影响，在堆放期间管片不应有产生裂缝的可能性，也就是说，应该使混凝土结构处于弹性阶段。

图2 偏心影响下的管片堆放情况(单位： mm)

Fig. 2 Segment stacking state under influence of eccentricity(mm)

在管片储存时，底层管片放置在固定的混凝土桩上，垫木轴线到混凝土桩轴线之间的偏心率e0=e1，而第2层管片上下垫木轴线之间的偏心率e0=e1+e2(如图3所示)。考虑最不利载荷因素条件知第2层管片所受弯矩最大。实际在管片堆存过程中，受施工工人操作不确定因素的影响，偏心率e0并不是固定值，调查研究发现，管片堆放期间e1、e2的偶然值接近0.1[2]。为评估管片在不同偏心率条件下管片的力学响应，实验取偏心率e1=e2，数值为0.1、0.15、0.20、0.25 m[3]时进行分析，以便有利于获取混凝土开裂时的实验数据，通过对比分析来预测管片的实际堆放层数。

图3 第2层管片受力情况

现以管片堆放8层时为例，说明其受力分析过程。取第2层管片进行受力分析(e1=e2=0.25 m，L0=1.6 m)，顶部4层管片为邻接块(L)，底部4层管片为标准块(B)。考虑吊装过程中动载荷系数(取1.4)，实验测得标准块自重为38.91 kN,邻接块自重为39.96 kN，则:

F=(38.96×4+38.91×3)×1.4=381.60 kN。

均布自重W=38.91×1.4/3.55=15.35 kN/m。

V=F+(W×0.775)=381.60+(15.35×0.775)=393.50 kN。

M=F×0.2+(W×0.9752)/2=381.60×0.2+15.35×0.9752/2=83.62 kN·m。

上海轨道交通18号线生产的管片类型分浅埋管片、中埋管片、深埋管片、超深埋管片4种，不同类型管片的主要力学参数如表1所示。

表1 4种管片类型的力学参数

1.2 Abaqus的管片堆放层数仿真分析

Abaqus有限元仿真软件对钢筋混凝土非线性问题有超强的分析能力，其自带的本构模型——损伤塑

性模型[9-10]能很好地模拟混凝土材料的抗拉、抗压性能。基于此，采用Abaqus对上海轨道交通18号线预制管片进行仿真分析。管片混凝土结构采用损伤塑性模型，其本构模型参数通过《混凝土设计规范》换算得来。

管片按照上海市隧道工程交通设计院设计图纸进行建模操作，混凝土强度等级采用C55，管片钢筋采用HRB400、HPB300钢筋，外露铁件采用防腐处理，抗渗等级大于P10，仿真时按照现实情况中管片逐层累计堆放方式来施加载荷(考虑动载荷因素)，利用载荷振幅建立加载规律[11]。随着管片(浅埋管片)堆积层数的增加(设此时堆放层数为n)，以第2层管片下部中央受拉区混凝土出现裂缝时(混凝土由弹性阶段转为塑性阶段)为临界值，此时实际堆放层数N=n-1。

从预制管片应力云图(如图4所示)中获取浅埋管片受拉区在不同偏心条件下中心位置应力大小与时间步的关系图，如图5所示。可以看出，浅埋管片在偏心率最大情况下e0=0.5时，管片堆放到第9层时管片混凝土出现开裂，此时管片的堆放层数为N=n-1=9-1=8(层)。在偏心率e0=0.4和0.3条件下管片堆放层数分别为10层和13层。需要特别注意的是，当偏心率e0=0.2时，管片堆放到17层时管片中部受拉区混凝土虽然未出现裂缝，但此时管片与垫木接触位置处混凝土已被压裂，管片在垫木支座处所受的压应力已超过混凝土抗压强度设计值，此时管片的堆放层数为16层。

图4 浅埋管片应力云图(e0=0.5)

从管片塑性区域分布图(如图6所示)可以看出： 1)在垫木与管片接触位置混凝土的塑性应变值最大，混凝土提前开裂，故为保证接触位置管片不出现应力集中现象，可采用抹布对垫木进行包裹处理来增加与管片底部的接触面积。2)因为管片堆放时偏心距的存在，在弯矩的影响下，下部中央区域较其他区域(不考虑管片与垫木接触时的应力集中现象)提前出现开裂。由此可以得出如下结论： 管片与垫木接触位置和管片下部中央受拉区是管片容易开裂的薄弱区域，合理的堆放层数可以保证储存过程中的管片不出现裂缝。

每层载荷时间步为500 s。

图5 不同偏心条件下管片应力与时间步的关系图

Fig. 5 Relationships between segment stress and time step under different eccentricities

归纳总结上下偏心距和塔吊动载荷影响下4种类

型管片(浅埋管片、中埋管片、深埋管片、超深埋管片)的仿真分析结果，得出不同类型预制管片在不同偏心作用下的堆放层数(如图7所示)。

2 基于BIM的混堆模式下的堆场定位研究

2.1 目前管片堆场布局现状

不同类型的管片堆放层数确定以后就可以对堆场进行精细化布局模拟优化。目前上海地区管片堆场布局规划分混合堆放和分区堆放2种模式。混合堆放模式下没有严格的场地划分功能，各类管片插空堆放；分区堆放下按照管片类型(浅埋管片、中埋管片、深埋管片、超深埋管片)进行分区堆放管理。管片2种堆放模式比较如表2所示。可以看出，2种传统堆放模式各有自己的优缺点，并不能满足目前管片堆场布局规划的要求。找到一种既能充分利用空缺堆位，又能快速查找所需管片的位置，是目前堆场需要解决的问题。

图6 浅埋管片塑性区域分布图(e0=0.5)

2.2 提出管片堆场定位新方法

本文结合BIM (building information modeling)技术，提出一种基于BIM的混堆模式，目的是将BIM三维可视化方法[9]运用到混堆模式中，结合智能化控制和二维码物联网技术实现预制管片堆场精细化定位布局管理。基于BIM的混堆模式包含2层含义： 1)继续采用混堆模式是为了充分利用空缺堆位，提高堆位利用率； 2)运用BIM技术把管片构件BIM模型数据库与生产厂管片自身数据库相融合，在三维可视化视角下查看运入管片所需的空闲堆位和运出管片所在的具体堆位，方便龙门吊和叉车进行定位装卸作业，提高整个管片堆场的作业效率。

2.3 对管片堆场进行编码布局

预制管片堆场管理系统以上海市下沙2号堆场为研究对象进行预制管片堆场布局优化[11]，2号堆场面积为120×100 m2。用Revit仿真软件进行堆场布局优化，如图8所示。

为方便车辆、叉车吊装运输，把堆场划分为12个堆区，每个堆区堆放600块管片。为了施工人员进入堆场进行管片二维码扫描数据提取，堆位之间的间距取0.8 m。根据上文确定的管片堆放层数并综合考虑龙门吊高度约束和施工的安全性，4种管片类型全部按照每个堆位堆放8层(下部4层为标准块，上部4层为邻接块)进行堆放，不同堆位之间采用混堆模式(不同堆位可堆放不同类型的管片)，堆场横向从1—60进行编码，纵向堆区从A到C编号，每个堆区纵向从A到E编号，每个堆位管片的堆放层数从1到8编号。例如堆位编码可为BB-2-1、CD-25-3、BA-31-8。

2.4 管片堆场定位系统架构

管片堆场数据库由管片进入堆场数据库、管片运出堆场数据库、BIM子模型库、龙门吊装卸系统数据库4部分构成。在管片堆场的施工人员通过扫描贴在管片上的二维码进行堆场数据库的录入，系统以BIM模型库为核心建立数据的转换与融合，通过与二维码物联网编码和龙门吊智能化控制系统相结合来建立数据的转换与融合，通过BIM 终端三维可视化界面查看堆场管片的布局情况，进而指导龙门吊师傅进行管片装卸作业。管片堆场数据库架构如图9所示。

(a) 浅埋管片

(b) 中埋管片

(c) 深埋管片

(d) 超深埋管片

Fig. 7 Stacking layers of four types of segments under different eccentricities

表2 管片2种堆放模式比较

图8 管片堆场布局优化

图9 管片堆场数据库架构

2.4.1 二维码数据层

管片堆场数据库通过扫描二维码采集信息[12]，二维码与RFID芯片[13]相比因成本低、译码能力强、方便扫描等优点在预制构件厂广泛应用。二维码包含管片的类型、生产日期、交付日期、堆场堆位、材料信息，这些信息构成管片唯一的ID编码，也就是管片的“身份证”，通过手持端扫描仪、手机、平板扫描管片上的二维码进行管片堆场位置与入库时间录入。管片二维码编码规则如图10所示。

图10 管片二维码编码规则

由于管片水养、起吊进入堆场后还需1周左右的洒水养护方可外运进行管片拼装操作，在网页端设置自动推送功能提醒管片堆场施工员定位查找管片进行洒水养护。若管片需要外运时扫描管片上的二维码，系统会自动刷新堆场堆位信息。以上采集的信息构成了管片运出和运入的数据层，通过网页端管片ID编码信息的检索可以快速查找管片所在堆场的具体堆位，具体堆位再通过BIM模型层清晰直观地呈现在用户面前，真正实现管片堆场三维可视化定位管理。扫描二维码获取预制管片信息如图11所示。

图11 扫描二维码获取预制管片信息

2.4.2 BIM模型层

BIM技术不是仅用来建立可视化模型，BIM核心技术是实现建筑行业全生命周期中的信息共享。预制管片堆场布局管理系统把通过二维码扫描得到的管片ID信息数据库通过数据融合机制实现与BIM模型数据库之间的信息转换，通过BIM数据集成实现IFC模型数据[14-15]读取、提取、显示等。通过IFC模型数据读取调用BIM子模型零件库中对应组件(如： 标准块B1、B2，邻接块L1、L2)，按照事先编码规律进行虚拟堆场布局，在终端可视化界面可查看已满堆位和空缺堆位。对于已满堆位，通过输入二维码编码信息可精确定位到具体堆位位置(如图12红色区域)，再通过龙门吊吊装系统应用层的最优路线选取来进行吊装运输作业。

图12 Revit三维可视化管片精确查找

2.4.3 龙门吊吊装应用层

通过BIM三维可视化精确定位到所需管片后还需要龙门吊进行管片吊装运输，不同管片所在的堆位不同导致龙门吊产生迂回和倒流。龙门吊的运输路线问题关系管片堆场的整体效率。通过遗传算法编程建立的龙门吊最优路线吊装系统可以解决不同堆位的管片路线运输问题。

3 结论与建议

1)在综合考虑施工安全和龙门吊吊装高度限制2种客观因素下得出4种类型管片的堆放层数以8层为宜(下部4层为标准块，上部4层为邻接块)。

2)针对传统混堆模式和分区模式各自存在的缺点，提出基于BIM的混堆模式下的堆场布局规划，通过开发预制管片堆场管理系统实现在BIM三维可视化平台下达到精确定位查找管片的目的。

3)开发的预制管片堆场管理系统是对已有上海轨道交通预制构件生产管理系统的补充，平台通过扫描二维码进行信息采集，并将BIM三维可视化技术与龙门吊智能算法系统有机组合在一起，共同实现基于BIM的三维可视化混堆模式优化，可大大提高堆场的整体化、智能化、系统化，对盾构隧道管片堆场管理具有一定的指导意义。

本文研究了管片内弧面向上的堆放层数和定位方法，对于侧立堆放的管片因受龙门吊高度限制、编码困难等问题未做进一步分析，建议长时间在堆场储存的管片采用侧立堆放，侧立堆放时的堆放层数按规范规定进行堆放。

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Analysis of Storage and Positioning of Precast Segments Based on BIM

TIAN Wenpan1, 2, GAO Xinwen1, 3, WU Huiming4

(1.SHU-SUCGResearchCenterforBuildingIndustrialization,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;2.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;3.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;4.ShanghaiTunnelEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200030,China)

The precast segment storage yards in Shanghai have many disadvantages, such as uncertain stacking layers of segment, disordered layout and difficult segment positioning. As a result, finite element method (FEM) and building information model (BIM) technology are adopted. Analysis and study are made on simulation of segment stacking layer number and positioning of segment. The precast segment storage yard is numerically simulated by finite element software Abaqus so as to determine the number of segment stacking layers of every stack. And then the precast segment storage yard is simulated by BIM softwares Revit and Navisworks. Finally, a new segment positioning method based on BIM mixed stacking mode is presented. The above-mentioned method is cored on BIM and uses technology of two-dimensional code internet of things and intellectualized control of gantry crane. In return, accurate positioning of precast segment and the optimal route of transportation and operation of gantry crane showed on 3D visualization interface of BIM terminal can be realized.

precast segment; FEM; BIM technology; mixed stacking mode

2016-11-07；

2017-01-08

田文攀(1993—)，男，河南洛阳人，上海大学建筑与土木工程专业在读硕士，主要研究方向为盾构BIM技术开发应用。E-mail: 1668270630@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.013

U 45

A

1672-741X(2017)04-0469-07