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BIM技術在立交橋大型構件施工中的運用

2018-12-19 來源:《建筑施工》作者:上海建工集團工程研究總院 劉立揚
      摘要:基于建模標準方案分析,從建模標準、方案分析、有限元分析、交通組織模擬等入手展開研究,介紹了上海北虹路立交工程運用BIM進行施工模擬的實施方法及其拓展應用手段。研究結果表明:BIM技術能夠有效地對項目實施提供幫助,對大型構件的分類及信息要求作出規范,并可結合施工組織設計建立施工組織模型。其針對專項方案在施工前進行模擬,對優化工序、工藝選擇、專項實施等都可起到關鍵作用,有利于指導現場工作。
      關鍵詞:BIM;大型構件;方案分析;施工模擬
      1項目概述
      1.1 工程概況
      北虹路立交為上海北橫通道西邊的起點,由高架主線、8條匝道和1條人非行道橋組成,總長度19km。
      1.2 項目特點
      北虹路立交段位于北橫通道的起點位置,具有項目體量大、工期緊張、管理難度大的主要特征。
      北虹立交與周邊環境密切相關,項目上跨現有中環線,沿線小區密集,緊貼商業地塊,下部結構又與新涇港河道穿插,工程邊界條件復雜。本項目采用裝配式結構,混凝土標準構件、大型鋼箱梁的加工、運輸、吊裝環節受到地理條件約束較多,施工段位于人流密集、交通繁忙區域,對安全文明施工及施工區域規劃等有了更高的管理要求。
      1.3 BIM技術的應用目標
      北虹路立交作為大體量的市政工程,其BIM技術實施的目標是貫穿設計、施工、運維全生命周期的運用,在虛擬環境中對項目的復雜節點及工況進行模擬并優化,提高項目建設質量,能在各施工階段及各工程參與方之間無損傳遞項目信息并不斷累積完善的數據信息基礎,達到交付運營單位進行運營維護管理的要求。在工程實施過程中,全面運用BIM技術,在設計方案優化、施工方案模擬、交通組織、管線搬遷、質量及安全缺陷管理等方面為工程實施提供技術支持[1-4]。
      2BIM技術在大型構件施工中的應用
      市政工程在施工階段采用BIM技術的案例較多,參數化建模、施工模擬、協同平臺管理等應用對方案實施及優化有著顯著的作用。BIM模型作為高度信息集成的三維可視化載體,大型構件的施工模擬能輔助方案決策,規避實際操作中的風險,整體加強項目管理水平。
      2.1 大型構件施工模擬應用流程
      1)確定建模和施工模擬軟件,收集基礎數據,如周邊交通信息、航道信息、周邊地物信息、場地圖紙等,結合專項方案制訂初步實施計劃,形成吊裝順序和時間計劃。
      2)對施工設備、場布、周邊環境等進行建模,將施工進度、場地布置等相關信息關聯到模型,建立施工組織模型。
      3)根據交通組織模擬、航道運輸模擬、有限元結構分析等,調整工序間搭接穿插關系,多方案比對,優化施工工序。
      4)參照進度計劃安排進行吊裝模擬。
      5)將模擬結果匯總,對工序、資源、平面布置綜合優化,將相關內容更新至模型,并編制模擬分析報告。
      2.2 進度計劃分析及編制
      采用WBS編輯器來進行進度分析的編輯,創建進度計劃、WBS及施工段劃分,創建WBS與MicrosoftProject的雙向通道;通過BIM模型,對施工進度進行查詢、調整和控制,使計劃進度和實際進度既可以用甘特圖表示,又可與BIM模型相互關聯,以可視化的方式提前呈現施工過程,及時發現其中可能存在的問題,分包、供貨商、監理可根據自身情況調整各項工序及其持續時間。在制訂完成進度計劃后,根據施工任務及節點的先后關系,確定項目施工重要節點及開工、竣工時間,并按施工部署要求,進一步明確進度計劃中每個任務的開始時間、持續時間和各任務間的搭接關系。
      2.3 基于BIM技術的模型創建與標準制訂
      北虹路立交有建筑、結構、機電等多個專業模型,主體橋梁結構有2條主線、8條匝道,主體結構預制構件較多,預制構件對分類編碼、名稱信息及顏色有較高的要求。Revit2014作為核心建模軟件,為此建立了一份建模標準,對各專業模型命名、構件工作集以及所需信息進行了統一規范。
      北虹路立交段有S主線、N主線2條主線,其下部結構及橋面的標高隨著地勢有浮動,對建模造成了一定的難度,對于模型精度有較高的要求。我們使用了Tekla和Rhino軟件輔助建模,最終導入Revit2014進行模型深化及拆分,對應鋼箱梁編號及區段號,根據建模標準及施工圖使模型深度達到深化設計模型LOD300的要求(圖1)。
      2.4 施工組織模型
      基于施工組織設計及進度計劃的要求來建立施工組織模型,北虹路立交周邊包含了建筑物、道路、管線等,還包括機械設備、圍擋、電箱等臨時設施。參照測繪院提供的地理信息來建立環境模型,根據專項方案來確定設備選型以及施工場布,并將工序安排、場地布置、施工進度等信息與模型關聯。同時附加材質貼圖,促使施工組織模型的美觀性及指導意義的整體提升。
      2.5 基于BIM模型開展結構分析
      基于有限元計算法來進行結構分析模擬是目前較為普遍的方式,有限元計算能夠通過一個關聯單元的簡單計算來模擬出近似無限個關聯單元的近似值,且能夠適應復雜形狀,在北虹路立交橋的結構分析計算中得到了較好的應用。
      通過Midas軟件建立結構計算模型或通過Revit模型轉換成dxf格式導入Midas,利用公式計算出鋼箱梁的最大應力及反力值并用色差圖來呈現,控制懸臂施工段的預拱度來測試鋼箱梁變形的可能性,提高橋梁耐久性及穩定性,使結構變形在可控范圍之內,確保吊裝工作能夠順利進行。
      2.6 基于BIM技術開展施工方案模擬
      跨蘇州河鋼箱梁安裝方案結合了大型構件在陸地吊裝及水上吊裝的步驟,在北虹路立交橋項目中是十分關鍵的一環。項目周邊環境有中環線、SE、WS、NW、WN現有匝道及多處構筑物圍繞,蘇州河中航道運輸及操作區域有諸多限制,地理位置縱橫交錯且人車流動頻繁,對安全文明施工以及合理化操作有更高的要求,為此我們結合BIM對交通組織及施工措施等進行歸整細化,進行多方案比較全面深化專項方案。
      2.6.1施工難點
      跨蘇州河鋼箱梁安裝主要有以下2個難點:
      1)跨蘇州河橋梁均為斜交變高曲線橋,且鄰近中環線、長寧路等現狀構筑物,受特點及場地條件制約,無法采用轉體法、頂推法等方案,并且跨河段梁體超高,運輸受限。
      2)受蘇州河航道等級(6級)及沿線橋梁凈空限制,只能選擇160t及以下浮吊作業,施工區域河道寬約50m,并且施工期間需保證航道寬度≥25m。
針對以上問題,我們部分采用陸地運輸,水中設立臨時支架懸臂法施工,最后采用160t浮吊安裝合龍段,浮吊作業期間臨時封閉航道,安裝結束后浮吊靠岸恢復航道交通。
      1)運輸能力及路線:陸運構件梁高超過4.2m的高度方向上下分段,梁寬方向一分為三(箱體+兩側翼板);水運構件梁高超過5m的高度方向上下分段,其中3.5m及以下的采用平艙船運輸,深艙船運輸應用于水深超過3.5~5.0m。
      2)設備性能及作業條件:水上160t浮吊,陸地350t履帶吊。
      3)懸臂施工變形控制要求:水上懸臂段長度不超過14m。
      2.6.2交通組織模擬
      交通組織模擬是一種通過BIM模型來反映復雜交通現象的交通分析方法,通過Navisworks軟件來模擬人流、車流及不同時間段的變化,獲取相應的交通行駛數據,以便對施工時間及道路進行合理劃分。
      2.6.3航道運輸模擬
      跨越蘇州河進行船舶運輸對航道等級、船舶承載力、行駛區域有著規范要求,通過計算機模擬運輸的過程規避風險,為項目實施及安全工作提供了有力的支撐(圖2)。
      2.6.4履帶吊范圍影響分析
      鋼箱梁吊裝范圍內構筑物較多,履帶吊恐會與周邊構筑物發生碰撞,為此對履帶吊進行操作范圍分析模擬(圖3),保證安全操作距離,同時對吊裝影響的地面進行了沉降分析。這些措施,作為吊裝工作重要的參考依據。
      2.6.5吊裝模擬
      通過BIM軟件進行交通組織仿真模擬、航道運輸模擬、履帶吊影響分析模擬等,全面還原現場操作環境,為吊裝模擬的可行性打下了堅實的基礎。吊裝方案模擬采用Navisworks軟件進行分析模擬,根據專項方案及進度計劃實現,模型與時間軸通過timeliner相互關聯,來實現大型構件吊裝過程的4D模擬。通過三維動態可視化及時間軸的結合彌補了人們對抽象數據理解的不足。
      3結語
      通過BIM技術在北虹路立交大型構件施工中的各項運用,系統展示了大型構件施工過程中的關鍵步驟,并基于BIM可視化、動態化、有序化的特點,使技術人員能更清晰地理解工藝工序,提升現場的施工效率與技術水平。
      參考文獻
      [1]高立鑫,曲鵬,宋力勛,等.BIM技術在城市互通立交設計應用研究[J].建筑工程技術與設計,2015(18):100-102.
      [2]王玨.建筑信息模型(BIM)在互通式立交設計中的應用研究[D].南京:東南大學,2015.
      [3]趙宇.BIM在城市道路設計中的應用研究[J].商品與質量,2016(51):390-391.
      [4]劉杰.BIM在城市道路設計中的應用[J].城市建筑,2015(36):12.
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