跨繁忙干线T构转体梁BIM技术应用研究

王健 中国铁路上海局集团有限公司合肥铁路枢纽工程建设指挥部

1 工程概况

水蚌铁路蚌埠段改线工程疏解线特大桥两处T构转体梁分别在京沪铁路下行线K978+250处跨越且既有铁路交角为38°、在京沪铁路上行线K979+200处跨越且与既有铁路交角为56°。转体梁基础为桩径1.5 m钻孔桩群桩，墩身为矩形实心钢筋混凝土墩，连续梁采用单箱单室变高度直腹板箱型截面，中墩墩顶处梁高7.2 m，合拢段及边跨现浇段梁高3.60 m。箱梁顶宽7.5 m，箱梁底宽5 m。梁段按施工顺序共划分16种31个梁段，梁体纵向、竖向设置预应力。为避开施工对铁路繁忙线行车安全的影响，大桥在56#墩承台和64#墩承台设置转动球铰，对横跨铁路路段采用平转式转体施工。先在顺铁路线方向采用三角挂篮施工56#墩和64#墩悬臂连续梁。然后在铁路外按照设计位置55#、57#墩和63#、65#墩采用支架现浇直线段，最后利用京沪铁路专门为项目施工准备的“空档期”，在两个小时内水平转动梁体，使主梁就位，实现转体对接（见图1）。

图1 跨京沪线转体桥建筑效果

由于转体桥与两侧已建成直线段间分别留有合龙段，后期还需采用吊篮发进行混凝土浇筑施工，最终实现桥体合龙和全桥贯通。该转体梁工艺新，技术难点多，转体重量6 000 t，曲线半径800 m，为转体带来很大难度。

2 工程施工难点

2.1 球铰定位精度及线型控制要求高

平转施工的连续梁桥通常为直线对称结构或者在半径较大的曲线上，本转体桥曲线半径比较小，转动体系中球铰的直径为12 m，球铰转动中心安装误差顺桥和横桥向不大于1 mm，其顶面任意两点高差不大于0.5 mm，定位精度要求非常高，为转体施工增加了难度。

2.2 曲线转体监控技术要求高

转体主梁悬臂总长度为128 m，其在竖向平面内使球铰转动体系产生0.01°的微小转动，就会使悬臂梁的端头产生很大的竖向位移，在转体过程中以及随后的梁体线型调整中，对精确控制悬臂标高和转体质量平衡提出了更高的要求；转体主梁是非直线结构，而是位于曲线上，曲线半径为800 m，混凝土的不对称不均匀结构容易产生横向不平衡力矩，其易导致球铰侧转、使转体梁受扭，转体时监控技术要求高。

2.3 跨越京沪铁路安全风险大

56#、57#和63#、64#桥墩临近京沪线，承台边距离京沪线路中心线最近为7.2 m。桥墩下承台施工之前需要在铁路沿线一侧开挖基坑，安全风险大，必须采取安全可靠的防护措施确保京沪线行车安全，施工前需要对京广线铁路路基施做32根桩径为1.0 m的人工挖孔桩进行防护，沿承台靠近坡脚一侧进行布置。

2.4 结构上异形构件多

转体主梁为曲线形单线变截面箱梁，构造复杂，主梁两端悬臂标高不等；转动体系主要由滑道、撑脚、反力座、砂箱、球铰等复杂构件组成；球铰包括上下球铰，定位销轴和定位骨架等，上述构件结构复杂，而且在设计和放置时的精度控制要求高。

2.5 工程量大计算复杂

主体箱梁为预应力混凝土结构，配筋复杂，若是用传统的方法计算钢筋工程量，计量人员必将面临一项繁琐、费时、工作量巨大的工作。同时，工程量计算的精确度和快慢程度将直接影响工程建设投资、施工进度计划和资源进场计划。

3 BIM技术在转体梁施工中的应用

3.1 软件选择

本次BIM软件选择Autodesk Revit系列软件用于转体桥建模、分析，利用Autodesk Navisworks软件进行施工进度展示和转体模拟，在施工中综合运用基于BIM的三维可视化、协同作业、检测协调等技术，以期控制质量安全、降低工程成本和缩短工期。

3.2 模型构建与可视化分析

通过Autodesk Revit软件构建模型以后，将工程三维实体模型展现出来，便于施工人员从更精确的角度对其进行可视化分析。

（1）通过建立桥梁的三维实体模型，将各构件尺寸、位置关系、表观材质能在模型中直接反映出来，利用这些参数信息对模型进行各种分析，进而指导现场施工应用（见图2）。

图2 使用Revit软件构建桥梁模型

（2）以第一人称视角进行整个施工场景的漫游和施工进度演示，方便管理人员审查施工工艺和施工方案（见图3）。

图3 施工场景漫游和施工方案展示

（3）技术人员可利用三维模型进行施工安全技术交底且方便直观（见图4）。

图4 绑扎钢筋展示

（4）在施工过程中，可实时提供桥梁任意角度、任意剖面、不同构件的二维图，尤其是指导变纵坡、曲线箱梁桥施工更为实用（见图5）。

图5 承台三维及0#块墩剖面图

（5）使用Autodesk Civil3d软件按照图纸坐标数据进行整合，建立桥梁空间线形确定坐标及高程位置，定位桥梁各结构模型拼装时的空间位置，拼装完成后利用BIM模型可快速获取工程任意结构任意点的三维坐标用于测量放样。方便测量人员施工放线（见图6）。

图6 实时查询任意点的高程坐标

3.3 工程计量分析

工程计量分析是利用软件自动完成工程量的统计过程，通过Autodesk Revit模型可以快速提取现浇梁的混凝土量及钢筋数量，并导出Excel材料量清单表格，高效解决了桥梁异形结构工程量计算困难和常规施工中难以核查计算错误的难题。同时，也可以为现场施工物资采购以及施工预算提供数据支持。在施工的各个阶段对施工材料进行算量和验工计价，例如钢筋数量和混凝土方量等（见图7）。

图7 用料、算量统计

3.4 碰撞分析

碰撞分析可以高效解决桥梁结构之间的不协调问题，碰撞检测包括整体桥梁的检测和部分构件间的检测。在碰撞检测完成后，系统会自动显示有碰撞冲突的构件或者对象。经过碰撞检查，审阅设计图纸，实现桥梁结构的实体阅读，通过BIM精细化建模后，将连续梁0号块及钢筋与预应力钢束模型导入Naviswork进行碰撞检测，分部找出钢筋与预应力管道、钢筋与钢筋的碰撞点共1230处（见图8）。碰撞分析可以提前发现问题并避免返工，并有利于问题解决方案的制定。

图8 利用模型进行碰撞检查

3.5 施工优化与4D模拟

采用BIM与模拟技术结合，将桥梁三维模型和进度计划集成起来，实现基于时间维度的施工进度模拟，从而得出最佳施工方案。

（1）施工过程中将三维模型与设计图纸实时交互，可实现桥梁各构件的快速定位（见图9）。

图9 三维模型与设计图纸相对应

（2）实现施工过程中模型与施工现场照片的参照对比，进行信息化管理，有效指导施工现场安全质量管控（见图10）。

图10 模型与施工现场照片相对应

（3）通过施工过程模拟，可优化施工工艺，预测并规避风险，确保施工安全。通过实施4D施工模拟，为合理制定施工计划、精确掌握施工进度，优化使用施工资源以及科学地进行场地布置提供了依据，并能提前发现施工中可能出现的问题（见图11）。

图11 梁桥转体模拟

（4）工程竣工后，为建设单位提供整个项目施工节点、工程材料、过程工艺的回溯信息，方便运营阶段的信息化管理，从而实现桥梁设计、施工、运维使用的全生命周期过程。

4 BIM应用取得效果

4.1 方便信息查询和结构浏览

在施工阶段，可以通过三维模型快速对构件的构造情况、成本情况、耗材情况、位置信息等进行实时的查询，例如：可实时查看变截面箱梁预应力钢筋的布置情况，方便了管理人员有效指导施工人员作业。

4.2 易于发现二维图纸错漏问题

在施工前，通过BIM技术检查T构转体梁二维图纸是否存在错漏，比如：及时发现0#节段钢筋布置图横断面尺寸与箱梁构造图中横断面尺寸不一致。在钢筋布置图纸中，梁体过人洞下缘距离梁底210 cm；在箱梁构造图中，过人洞下缘距离梁190 cm。通过与设计、施工方确认核实，及时发现并解决了问题，避免由于返工造成浪费，节约工期，从而实现更多的经济效益。

4.3 提高工程量计算工作效率和精度

根据提交的合格BIM设计模型，造价工作人员在算量阶段均无需再次建模，工作量减少了45%以上，且精度不受人为因素影响。在施工过程中对单层或者单构件所用工程量进行实时控制和预警，作为材料采购和编制施工计划的依据，有利于材料管理和控制，便于及时发现工程量偏差，从而及时纠偏。

4.4 4D施工模拟指导施工现场

（1）运用BIM技术实现4D施工模拟，将转体桥的整个施工过程在计算机上模拟，利用模型进行现场技术交底，让施工人员轻松掌握每个阶段的施工任务。

（2）为编制资源需求计划和劳动力计划提供了合理依据，提前发现了施工中出现的问题，降低施工风险，减少返工。经实际验证，工程采用BIM技术后降低了越4%的成本，尤其是在桩基施工、下承台施工、球铰施工、转体施工中的取得的效果较为明显。

5 结束语

跨繁忙干线T构转体梁施工安全风险周期长，质量标准要求高，通过BIM技术辅助施工可以有效提升工作效率、检查发现图纸错误，提前验证施工中存在的安全质量风险事项，有效指导解决方案的制定。但是BIM技术专业性强，要求相关的管理、技术人员充分、熟练的掌握运用相关技术，在操作上面往往需要高校合作才能进行运行，参建单位应该充分培养掌握BIM运用技术的专业人员才能充分发挥BIM的宏观导向作用。