太平河渡槽基于BIM技术的设计优化及施工

贾 旭 赵清宇

（湖南建工集团有限公司，湖南 长沙 410074）

1 工程概况

太平河位于桂林市临桂新区境内。按照临桂新区水系工程规划要求，太平河河道设计洪水标准为100年一遇。按照该防洪标准，原河道宽度将由20m增加至40m以上；同时，为减少新河道对周边农田的占用并与环境相协调，河道岸线在下游处曲率逐渐变大，与渡槽走向斜交。

太平河渡槽位于河道中游，原渡槽跨度约20m，结构为简支梁式，共3跨，4个槽墩，河道中间槽墩单矩形柱式，槽身宽度约0.6m。原渡槽使用年限较久，槽身及槽墩结构已有多处漏水、脱落，加之跨度不满足新河道宽度，需要将老渡槽全部拆除改建，此外，原渡槽下游村民依墩所建简易机耕桥需同时拆除重建。

2 原设计方案分析

2.1 方案介绍

按照前述渡槽改建内容，结合太平河河道岸线拟定了渡槽设计初步方案为:新渡槽设计过水流量与原渡槽相同，采用简支梁式结构，共5跨，单跨9.6m，设4个槽墩及2个边墩，见图1。槽墩位于河道内，边墩位于河道亲水步道挡土墙处。槽墩由槽身及机耕桥共用，两者并列布置，渡槽外廓尺寸为0.9m×1.1m（宽×高），机耕桥桥面宽2.3m，河道内槽墩为适应水流采用圆端形墙状墩身，槽墩尺寸为4.4m×0.6m，见图2。据此建立渡槽主要结构BIM模型，见图3。

图1 原设计渡槽设计纵剖面

图2 原设计方案渡槽横剖面

图3 原设计方案渡槽BIM模型

2.2 方案分析

2.2.1 功能性分析

渡槽改建方案功能性要求包括:满足下部河道宽度并尽可能降低对行洪的影响，满足通水以及通行要求。

按照原设计方案，渡槽通水、通行以及宽度均满足要求，河道行洪影响需要进一步分析。本文借助于Fluent数值分析软件对弯段水流方向进行了模拟，获得了水流方向与槽墩轴线的相对角度。根据李彬［1］等研究，河道内槽墩断面特征长度见表1。

表1 河道内槽墩断面特征长度

可以看出，河道内槽墩占用的行洪断面已经超过设计迎水面的2.15～2.75倍，原设计方案对河道行洪影响较大。

2.2.2 美观性分析

根据王亚斌［2］对桥梁景观内涵的研究，渡槽美观设计应该具有的特征包括:简洁明快、轻巧纤细、连续流畅。从上述三方面同时结合槽墩BIM模型分析，原设计方案边墩出露在外，渡槽上下游总宽度超过4.4m，槽墩长宽比1∶7.3，形式不够轻巧纤细。机耕桥与渡槽并行断开了二者之间的联系，总体布置不够简洁流畅。

通过分析可知，原设计方案存在一定缺陷，有进一步优化的空间。

3 优化方案设计

3.1 优化方案介绍

新设计方案主要从降低对下部河道行洪的不利影响、增加结构美观性两方面进行优化。为提高优化方案的可读性，加快设计进度，设计方案评估采用BIM技术辅助进行。提出的优化方案如下:

渡槽及机耕桥采用“上通车，内过水”的箱型梁方案，梁体兼做槽身过水，梁体以上为机耕桥面，槽身外空尺寸为1300mm×850mm，内空尺寸为900mm×650mm，桥面挑出槽身700mm以满足桥梁宽度要求，见图4。槽墩由圆端墙状墩修改为直径0.8m圆形独立墩，上方设置盖梁，槽墩间距增加至13.5m，边墩调整至堤防范围内，不再占用河道行洪断面，见图5。同时，在槽墩处桥面设置一个隐形盖板检修孔。

图4 渡槽横剖面

图5 优化设计方案渡槽及机耕桥纵剖面

3.2 优化方案分析

3.2.1 美观性分析

为便于方案外观评估，通过方案设计时引入的BIM建模技术建立优化方案及周边环境效果。由图6可见渡槽圆柱形独立墩美观，槽身结构紧凑，外观效果好。

3.2.2 行洪影响对比

由于渡槽位于河道弯段，为进一步分析两方案对水流影响情况，采用Fluent软件分别对两种方案中槽墩对水流影响情况及槽墩阻力系数进行了数值计算，见图7、图8。

图6 优化方案设计效果

图7 原方案中墩流速矢量

图8 优化方案中墩流速矢量

根据计算结果，由图7和图8可见，原方案槽墩附近水流速度降低区（图中轮廓内区域）大于优化方案槽墩附近水流速度降低区范围，原方案槽墩阻力系数4.34大于优化方案槽墩阻力系数1.01，优化方案对河道行洪不利影响优于原方案。

3.2.3 经济性对比

由于现场布置条件基本相同，临时工程工程量差别不大。本文只对两方案主体工程量及造价进行对比，其中主体工程量由BIM模型直接导出，对比结果见表2。

由表2可见，优化方案较原方案造价减少7.48万元，较原方案减少22%。优化方案经济性优于原方案。

4 施工方案

工程施工方案对施工成果的优劣具有决定性的影响。本文针对优化方案的特点，方案编制借助于BIM技术及数值分析技术，对工程关键施工方法进行模拟分析，尽可能保证工程施工质量及施工安全，提高施工效率。本工程施工流程如下:

临时工程施工→基础开挖→槽台施工→槽墩施工→满堂脚手架搭设→帽梁施工→槽身及桥身施工→桥面铺装及栏杆安装。

4.1 导流及基础开挖

导流布置于基坑外侧，采用明渠结合涵管形式。涵管埋设于与施工道路交汇处，基坑上下游修筑横向黏土围堰。前期河道整治已完成土方开挖，渡槽施工仅进行基础石方开挖。结合周边环境，开挖选用液压岩石破碎机破碎石方，挖掘机及自卸汽车出渣。

4.2 槽墩施工

槽墩混凝土采用常规浇筑。边墩混凝土施工完成后进行堤防回填。为保证边墩混凝土结构安全，边墩两侧土方要求均衡填筑上升，边墩附近回填土采用蛙式打夯机分层夯实，分层回填厚度不超过30cm。

由于槽墩墩柱上方增加盖梁，顶部钢筋需要弯折，箍筋借鉴桥梁工程经验选用螺旋箍筋，钢筋制安复杂。为降低现场钢筋制安难度，墩柱钢筋直接在加工场预加工成钢筋笼，整体吊装至定位钢筋环处安装。

槽墩模板选用定制胶合木模板，采用两块圆弧模板拼装成空心柱状，外侧采用钢带加固。模板按照《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ 162—2008）［3］设计，根据混凝土侧压力计算分布模型（见图9），侧压力计算公式为F=0.22γct0β1β2V1/2及F=γcH（二者取最小值），荷载效应组合设计值公式为，算得模板侧压力设计值为60.4kN/m2。根据有限元模拟结果，钢带最大侧压力为3.38kN/cm2，小于实验压力值6.5kN/cm2，见图10，模板最大变形为0.2mm，见图11。

图9 混凝土侧压力分布

4.3 盖梁施工

图10 模板压力云图

图11 模板变形图（560倍）

槽墩施工完成后进行盖梁底模安装，梁身侧模在盖梁钢筋安装后施工。由于墩柱钢筋需要深入盖梁内部并弯折，与盖梁自身钢筋安装存在干扰，且盖梁结构纵向加固钢筋需要进行双面焊，工序复杂。采用BIM技术对盖梁钢筋进行建模以及施工工艺模拟，见图12和图13。确定在钢筋加工厂先焊接结构钢筋，再整体拼装的流程，较好地解决了钢筋安装问题。

4.4 槽身及机耕桥施工

渡槽及机耕桥支撑选用碗扣式满堂脚手架。脚手架荷载包括架体结构自重、构配件自重、可调顶托上的模板、钢管自重、槽身及机耕桥混凝土、钢筋、预埋件自重等永久荷载以及施工荷载、风荷载等可变荷载。按照荷载组合与荷载设计值计算公式算得标准跨脚手架荷载设计值为563kN。脚手架参数按照《建筑施工扣件式脚手架安全技术规范》（JGJ 130—2011）［4］进行设计，脚手架立杆横距为60cm见图14，立杆纵距90cm，水平杆步距120cm见图15。立杆底部设置底座，支架顶设置顶托，顶托上铺设纵向钢管、木方及底模板。支架每隔4m设置纵横剪刀撑，剪刀撑与地面夹角为45°～60°，底部撑地，每道剪刀撑与4～6根立杆联结。水平扫地杆距离底座不大于200mm，立杆上端包括顶托的总长不大于700mm。

图12 盖梁钢筋BIM模型

图13 盖梁钢筋施工工艺模拟

图14 脚手架横剖面图

图15 脚手架纵剖面

脚手架参数确定后，采用ANSYS有限元软件进行结构稳定计算，计算结果见图16和图17。

图16 脚手架轴力

图17 脚手架变形模拟（350倍）

经计算，钢管轴力最大值为1.54kN，最大压应力为3.43N/mm2，小于允许压应力205N/mm2及扣件抗滑荷载6.5kN，顶部横杆最大变形0.97mm。

脚手架搭设及渡槽底模安装完成后，分别对各跨进行预压。预压采用沙袋，重量不小于永久荷载总重的1.1倍，按60%、80%、100%、110%四级预压。脚手架预压后进行底模及槽身钢筋安装，槽身侧模采用对拉止水螺杆固定，螺杆间距0.6m×0.9m，内模板设方木对撑及斜撑。

渡槽两跨间伸缩缝处设置单层橡胶止水。混凝土浇筑时预埋调节螺杆，槽身拆模后安装橡胶止水带并填充沥青砂浆。

渡槽槽身及机耕桥施工过程中采用整体跳仓浇筑，浇筑顺序由左向右首次浇筑第1、3、5跨，拆除端模后继续浇筑第2、4、6跨。

4.5 边墩后采用托板形成落地渡槽段

渡槽两端与原有渠道连接，连接段基础位于桥台后侧回填区。因赶工，施工期无法避开雨季，影响回填料压实质量。为避免后期填筑区沉降造成连接段开裂漏水，借鉴桥梁工程实施经验，在连接段采用钢筋混凝土托板结构，托板纵向两端分别位于边墩及原状土基上，见图18，砖砌边墙位于托板上，见图19，连接段形成落地渡槽结构。

图18 托板纵剖面

图19 托板横剖面

5 结 论

太平河渡槽工程于2017年11月10日开始优化设计，12月10日正式开工建设，2018年3月8日完成施工并通水，设计及施工时间不到4个月。经2018年3—10月灌溉通水检验，工程运行效果良好。

通过太平河渡槽工程的设计优化及施工，得出以下结论:

a.本工程采用“上通车，内过水”的箱型梁优化设计方案，梁体兼做槽身过水，梁体以上为机耕桥面，满足通水及通行要求，减少了槽墩及上部结构工程量，提高了工程经济性；圆柱形独立槽墩对弯段水流适应性强，工程结构紧凑，美观性得到较大提高。

b.本工程的设计施工运用了BIM技术，增强了设计方案的易读性。BIM模型的建立对于工程美观性评价帮助明显，对于复杂钢筋模型的建立及工艺模拟，提高了工程施工效率，降低了施工错漏风险。设计施工BIM一模到底具有较大实用性。

c.施工方案充分与设计方案结合，采用了槽墩钢筋整体加工吊装、槽墩定制胶合木模版等新工艺，降低了施工成本；采用有限元数值分析软件对脚手架、槽墩模板进行结构分析，保证了施工支撑结构的安全可靠；采用BIM技术进行盖梁钢筋安装工艺模拟，提高了工程施工效率。

d.根据现场实际施工情况，借鉴桥梁工程经验，渡槽主体两端与原有渠道连接段采用钢筋混凝土托板落地渡槽结构，降低了后期基础沉降风险。