劉宏剛 張海華 甘一鳴

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司， 武漢 430000)

1 項目背景與工程概況

1.1 項目背景

新白沙沱長江大橋北部位于重慶市大渡口區(qū)跳磴鎮(zhèn)境內(nèi)，南跨長江后進(jìn)入重慶市江津區(qū)珞璜鎮(zhèn)境內(nèi)，是渝黔鐵路客車線和貨車線引入重慶樞紐的重要過江通道，也是遠(yuǎn)期渝湘鐵路的預(yù)留過江通道，如圖1所示。上世紀(jì)50年代末建成的渝黔鐵路既有白沙沱長江大橋距新橋上游100 m左右，由于運(yùn)力不足且原設(shè)計通航水位較低，新橋建成后老橋?qū)⒈徊鸪?/p>

圖1 渝黔鐵路新白沙沱長江大橋地理位置與線路走向

渝黔鐵路新白沙沱長江大橋建成通車后，重慶至貴陽客車平均旅行時間將由現(xiàn)在的10 h縮短至2 h以內(nèi)，成為重慶至貴陽間高效便捷的鐵路通道，并與蘭渝、貴廣鐵路實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)互通，對促進(jìn)西南、西北地區(qū)經(jīng)貿(mào)發(fā)展與人文交流具有重要意義。

1.2 工程概況

新白沙沱長江大橋全長5 320.334 m，其中6線合建部分 2 098.78 m。主橋孔跨布置為(81+162+432+162+81) m，設(shè)計為雙塔雙索面6線鐵路鋼桁梁斜拉橋(如圖2所示)，是世界上首座采用雙層橋面布置的鐵路斜拉橋(如圖3所示)。其中上層為4線客運(yùn)專線，包括渝黔鐵路雙線及預(yù)留渝湘鐵路雙線，設(shè)計速度200 km/h；下層為渝黔鐵路貨運(yùn)雙線，設(shè)計速度120 km/h。大橋主梁采用N型桁架，桁寬24.5 m，桁高15.2 m，節(jié)間長度13.5 m[1]。

圖2 渝黔鐵路新白沙沱長江效果圖

圖3 渝黔鐵路新白沙沱長江大橋主梁雙層橋面布置方案(mm)

新白沙沱長江大橋作為渝黔鐵路控制性工程，是目前世界上跨度最大、荷載最重的鐵路斜拉橋，也是中國鐵路總公司批準(zhǔn)立項的國內(nèi)高速鐵路建設(shè)中首批采用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計和施工的特大型鐵路橋梁試點項目之一。

2 大橋施工方案

2.1 施工環(huán)境

橋址區(qū)先后跨越重慶側(cè)構(gòu)造剝蝕丘陵地貌區(qū)、河流侵蝕地貌區(qū)、河流堆積地貌區(qū)(長江階地)和貴陽側(cè)構(gòu)造剝蝕淺丘地貌區(qū)，地面高程180～270 m，相對高差約90 m，地形起伏較大，居民住宅和工廠等建筑物密集。貴陽側(cè)主塔墩3號墩位于江中心，橋下河段通航繁忙，且處于“長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護(hù)區(qū)”的緩沖區(qū)，環(huán)保要求較高。大橋有多處跨越既有公路或鐵路運(yùn)輸干線，其中重慶側(cè)主塔墩2號墩邊跨鋼梁跨越3條既有線，如圖4所示。整個施工過程中限制條件較多、地形復(fù)雜、交通不便，現(xiàn)場施工組織和管理難度較大。

圖4 重慶側(cè)邊跨鋼梁施工場地

2.2 施工方案

為滿足環(huán)保要求，減少對長江水體及河床的擾動破壞和污染，主橋基礎(chǔ)鉆孔樁施工采用KTY及KPG系列大扭矩液壓動力頭旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)[2]。配置泥漿分離器、泥漿運(yùn)輸船等設(shè)備對泥漿進(jìn)行循環(huán)利用和環(huán)保處理。承臺施工采用特大型雙壁鋼圍堰進(jìn)行封底止水和支撐圍護(hù)，塔柱施工采用成熟的液壓爬模及混凝土垂直泵送澆筑技術(shù)。

鋼梁架設(shè)是該橋的施工難點，盡管采用了整體節(jié)點等先進(jìn)的設(shè)計和加工技術(shù)，全橋鋼梁吊裝次數(shù)仍多達(dá) 1 428次，考慮鋼梁上岸、存放等施工過程中的轉(zhuǎn)運(yùn)，鋼梁累計吊裝次數(shù)達(dá) 7 140次，吊裝構(gòu)件最大平面尺寸13.5 m×11 m，重量為70 t。鋼桁梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工地連接為高強(qiáng)螺栓和焊接并用，制造及安裝精度要求較高，架設(shè)難度大。經(jīng)反復(fù)研究比選，確定了水路運(yùn)輸、碼頭吊機(jī)及浮吊配合運(yùn)梁臺車轉(zhuǎn)運(yùn)、專用提升站及全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)散拼安裝的方案，并修建了相應(yīng)的碼頭、棧橋、存梁平臺等臨時設(shè)施。

2.3 風(fēng)險控制

受復(fù)雜施工環(huán)境和各種條件制約，大橋施工過程中存在諸多安全風(fēng)險，既要保障長江航運(yùn)和既有線運(yùn)營安全,又要保證大橋的施工安全和工期目標(biāo)，為系統(tǒng)地對大橋施工安全風(fēng)險進(jìn)行分析、識別、評價和有效控制，項目組進(jìn)行了專項研究，提出了包括項目建設(shè)規(guī)模、氣候環(huán)境、水文地質(zhì)、地形地貌、橋位特征及施工工藝成熟度等橋梁整體風(fēng)險評價指標(biāo)，根據(jù)評價結(jié)果采取相應(yīng)的風(fēng)險控制技術(shù)。如：受既有線影響的施工便線的安全控制技術(shù)包括臨近既有線的爆破施工的檢查與安全防護(hù)、合理擬定施工便線過渡段施工方案及臨近營業(yè)線路結(jié)構(gòu)施工安全風(fēng)險評估等[3]。

3 BIM實施

新白沙沱長江大橋地處艱險山區(qū)和長江天塹，施工場地受限，環(huán)境復(fù)雜，跨多條既有線，安全問題突出。每次要點只有2 h，工序必須緊湊，因此需采用BIM技術(shù)對每一工序步驟進(jìn)行詳細(xì)模擬，檢驗其可行性、安全性，以便科學(xué)制定工序流程和作業(yè)組織方式，確保施工過程安全、高效。

3.1 應(yīng)用方向與應(yīng)用點

為充分發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢，將技術(shù)難度最大、施工風(fēng)險最高的重慶側(cè)邊跨鋼梁架設(shè)方案研究及實施過程控制作為該橋BIM應(yīng)用的重點，以保證鋼梁架設(shè)安全、質(zhì)量、效率、成本、環(huán)保等施工目標(biāo)。具體應(yīng)用內(nèi)容如圖5所示。

圖5 鋼梁架設(shè)施工中BIM應(yīng)用點

其中，對主體結(jié)構(gòu)設(shè)計BIM模型的處理主要是指將設(shè)計院提供的成橋狀態(tài)的BIM模型按確定的施工方案進(jìn)行必要的分節(jié)、分段或構(gòu)件編組并賦予時間及狀態(tài)屬性，使其能夠在后續(xù)應(yīng)用中按不同工況模擬和呈現(xiàn)施工過程及狀態(tài)，屬于施工階段BIM應(yīng)用的前處理工作。

3.2 資源配置

3.2.1 人員配置

BIM研究團(tuán)隊由若干名技術(shù)骨干人員組成，分為3個小組：策劃組、設(shè)計組、實施組。

策劃組負(fù)責(zé)BIM應(yīng)用的策劃、督導(dǎo)、效果評估及應(yīng)用價值研究。設(shè)計組負(fù)責(zé)采用BIM技術(shù)進(jìn)行施工方案研究、計算分析、過程模擬、成果管理等。實施組負(fù)責(zé)方案實施、技術(shù)協(xié)調(diào)、監(jiān)測監(jiān)控及問題反饋等。

3.2.2 軟件配置

為與設(shè)計模型對接，采用了Dassault V5系列BIM軟件，軟件配置如表1所示。

表1 BIM軟件配置

3.2.3 硬件配置

CATIA等軟件對運(yùn)行環(huán)境要求較高，硬件配置如表2所示。

表2 BIM硬件配置

3.3 初步方案

重慶側(cè)邊跨鋼梁須跨越3條既有鐵路線，且部分鋼梁侵入山體，陸上交通不具備進(jìn)場條件，為解決鋼梁運(yùn)輸難題，并保證列車運(yùn)行和鋼梁施工安全，提出了在支架上拼裝鋼梁，采用同步頂推技術(shù)完成跨線段鋼梁架設(shè)的施工方案，施工方案總布置如圖6所示。以減少跨線施工時間，降低安全風(fēng)險[4]。

貴陽側(cè)主塔墩位于長江主河槽內(nèi)，鋼梁架設(shè)擬采用對稱懸臂拼裝的方案，棧橋前端設(shè)置一座固定式提升站，在主塔墩施工期間通過水路運(yùn)輸將鋼梁運(yùn)至3號塔旁，由專用提升站將鋼梁提升至施工平臺上的運(yùn)輸臺車，經(jīng)棧橋運(yùn)輸至預(yù)拼場存放，后期鋼梁架設(shè)時通過棧橋運(yùn)輸至主塔墩鋼梁提升站下方，再由架梁吊機(jī)提升至橋面進(jìn)行拼裝架設(shè)。

圖6 重慶側(cè)邊跨鋼梁拼裝與跨線施工方案總布置圖(mm)

3.4 BIM建模與組裝

建模是開展BIM應(yīng)用的準(zhǔn)備工作之一。由于大橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工臨時設(shè)施設(shè)備較多，除對主體結(jié)構(gòu)模型按施工方案要求進(jìn)行處理外，還需要完成各種臨時設(shè)施及場地的建模(如圖7所示)。利用軟件模擬鋼梁桿件等材料吊裝、運(yùn)輸、存放等過程的空間需求，合理布置場地。這些模型由BIM團(tuán)隊根據(jù)分工完成各單體模型創(chuàng)建，再利用軟件的裝配功能按照統(tǒng)一的全局坐標(biāo)系組裝成一個整體(如圖8所示)。由于模型精確地反映了結(jié)構(gòu)尺寸及相對位置，能夠全面地模擬各構(gòu)件安裝過程和干涉情況，消除各種設(shè)計缺陷和人為錯誤，對提高設(shè)計工作質(zhì)量起到了重要作用。

圖7 施工臨時設(shè)施建模

圖8 組裝后的大橋主體結(jié)構(gòu)、臨時設(shè)施及場地布置

設(shè)計過程中采用CATIA的BOM表功能快速統(tǒng)計模型中各構(gòu)件的材料數(shù)量，提高了統(tǒng)計效率，配合出圖功能完成二維圖紙設(shè)計，且可輸出為EXCEL表格[5]，便于對物資部門對材料的管理工作，為工程的材料采供和備料提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。材料統(tǒng)計與報表輸出示例如圖9所示。

3.5 方案模擬與優(yōu)化

鋼梁架設(shè)中涉及到大量的起重作業(yè)，這些作業(yè)大多在高空或水上進(jìn)行，存在較大的安全風(fēng)險，在吊裝過程中需要考慮吊機(jī)的站位、吊臂長度與角度、工作幅度、空間關(guān)系與安全距離等因素，使用傳統(tǒng)平面設(shè)計方法不能準(zhǔn)確和全面地描述整個吊裝方案。根據(jù)設(shè)備參數(shù)建立的施工機(jī)械模型以實現(xiàn)精確控制，通過定義模型的機(jī)構(gòu)運(yùn)動方式，能夠模擬和驗證鋼梁吊裝方案。

圖9 材料統(tǒng)計與報表輸出

施工過程的模擬主要在DELMIA仿真平臺[6]中進(jìn)行，通過對鋼梁各構(gòu)件和吊裝單元賦予時間屬性、定義運(yùn)動軌跡和顯示控制，能夠生成連續(xù)的生長動畫以表達(dá)主體結(jié)構(gòu)的安裝過程。

由于重慶側(cè)邊跨鋼梁拼裝與頂推交替進(jìn)行，施工輔助設(shè)計較多、工序復(fù)雜，設(shè)計人員根據(jù)成橋狀態(tài)下各段鋼梁的最終位置推導(dǎo)出該段鋼梁的拼裝順序，采用BIM技術(shù)對鋼梁構(gòu)件的存放、運(yùn)輸、吊裝，以及吊機(jī)的運(yùn)動軌跡、鋼梁的頂推過程等進(jìn)行了全面模擬，如圖10所示。

圖10 重慶側(cè)邊跨鋼梁拼裝與跨線頂推施工原始方案模擬

在最初的架設(shè)方案中，首先在3號墩主塔下橫梁上拼裝架梁吊機(jī)臨時支架，然后拼裝額定起重能力為70 t的360°全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)，再利用該吊機(jī)拼裝首段鋼梁，之后架梁吊機(jī)走行至鋼梁上，拆除架梁吊機(jī)臨時支架，再轉(zhuǎn)身從棧橋上取梁架設(shè)其他節(jié)間鋼梁。

經(jīng)過DELMIA動態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計方案中存在諸多影響鋼梁架設(shè)安全及拼裝效率的問題，如架梁吊機(jī)在取梁狀態(tài)與拼裝狀態(tài)吊機(jī)扒桿變幅角度變化過大、起吊過程中架梁吊機(jī)扒桿無法旋轉(zhuǎn)過主塔、無法拆除下橫梁上的臨時支架、360°全回轉(zhuǎn)優(yōu)勢難以發(fā)揮、轉(zhuǎn)桿件提升狀態(tài)與頂推支架之間安全距離過小等問題。經(jīng)過項目技術(shù)人員研究討論決定對鋼梁架設(shè)方案修改，并對修改后的方案進(jìn)行重新模擬和優(yōu)化處理，有效解決了安全隱患、提高了作業(yè)效率，并據(jù)此制定出詳細(xì)的作業(yè)流程和施工步驟，保證了施工方案的順利實施。優(yōu)化后的2號主塔墩邊跨鋼梁架設(shè)方案如圖11所示。

按照同樣的流程，對貴陽側(cè)3號主塔墩鋼梁拼裝與掛索過程進(jìn)行模擬，并根據(jù)各工況的計算分析和模擬中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行優(yōu)化處理，鋼梁架設(shè)過程如圖12所示。

3.6 監(jiān)測監(jiān)控

為保證施工安全，大橋施工中采取了多種技術(shù)手段如全站儀、 傳感器、攝像機(jī)等設(shè)備對鋼梁線形、斜拉索應(yīng)力狀態(tài)、頂推千斤頂工作狀況、人員分布情況等進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控，并根據(jù)所處工況與設(shè)計時的計算分析數(shù)據(jù)實時對比，對異常情況及時進(jìn)行處理，使整個鋼梁架設(shè)過程順利完成[7]。

圖11 重慶側(cè)邊跨鋼梁拼裝與跨線頂推施工優(yōu)化后方案模擬

圖12 貴陽側(cè)3號主塔墩鋼梁雙懸臂對稱拼裝施工模擬

以索力監(jiān)測為例，在大橋施工的不同階段其索力設(shè)計值不同，需隨工程進(jìn)展檢測出索力的實際值并與設(shè)計計算值對比，發(fā)現(xiàn)異常須及時處理。本項目將拉索索力與桿件應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM模型相集成，將索力傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹IM應(yīng)用平臺數(shù)據(jù)中，并通過圖形平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，為橋梁安全管理提供信息支持，發(fā)揮了重要作用。索力監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理如圖13所示。

圖13 索力監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理

4 結(jié)束語

該橋由于體量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、所處環(huán)境條件惡劣等原因，施工中面臨著各種困難和挑戰(zhàn)，通過實施BIM技術(shù)對施工過程和方案設(shè)計細(xì)節(jié)進(jìn)行預(yù)先演練和分析，證明了施工方案的可行性，細(xì)化了作業(yè)流程和技術(shù)控制要點，確保了施工安全，特別是在跨線頂推施工過程中，必須在要點時間內(nèi)完成頂推工作，BIM技術(shù)在優(yōu)化施工方案、加強(qiáng)安全控制、提高作業(yè)效率等方面發(fā)揮了巨大作用。

施工過程中大量的高空和水上作業(yè)對所有參建人員都是一個嚴(yán)重考驗，通過可視化交底對技術(shù)和勞務(wù)人員進(jìn)行培訓(xùn)，使其充分理解各工序作業(yè)內(nèi)容、技術(shù)要點，各自的責(zé)任分工、配合方式、安全注意事項等，消除了勞務(wù)人員在工作中的盲目性和恐懼心理，增強(qiáng)了其參與意識和責(zé)任意識，有效提高了工作效率并降低了安全風(fēng)險。

盡管可視化設(shè)計與施工只是BIM應(yīng)用的一個方面，但由于緊貼現(xiàn)場需求，仍然取得了較好的效果。與該項BIM應(yīng)用同時實施的還有面向施工管理的4D BIM系統(tǒng)[8]，其4D進(jìn)度模擬及安全、質(zhì)量、成本管理、物料跟蹤等功能也在本項目進(jìn)行了有益的探索。