BIM技术在新建鲁南高铁跨越营业线施工中的应用

吴 洋

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院,济南 250022)

1 概述

近年来，我国铁路建设取得了快速发展，截止2020年底，全国铁路网规模超过14万km，其中，近5年建成通车约3万km[1]。在铁路网不断完善的同时，跨越营业线施工任务越来越重。为提高跨越铁路营业线施工管理效率，在鲁南高铁跨越营业线特大桥施工项目中，积极探索BIM、无人机、三维扫描仪等新技术应用，通过搭建以BIM为核心的技术应用体系，创新铁路工程管理模式，从技术、管理层面开展跨越铁路营业线施工管理工作， 以满足整个项目科学化、精益化建设管理需求[2-8]。

2 项目概况

鲁南高速铁路，简称“鲁南高铁”，设计行车速度为350 km/h，是国家“八纵八横”高速铁路网的重要连接通道。

本项目为新建鲁南高铁跨越营业线的6座特大桥工程，是鲁南高铁控制性工程。其中，肖家庄特大桥、永新特大桥采用转体法施工，另外4座桥采用架桥机架梁上跨营业线施工。

3 项目重难点分析

3.1 营业线基础资料缺失，空间位置关系难确定

由于既有兖石铁路、胶新铁路等营业线运营时间较长，存在图纸等技术资料缺失问题，导致无法精确掌握新建特大桥与既有营业线的空间位置关系，很难制定详细的跨越营业线施工方案。

3.2 施工周期长，行车安全风险大

项目存在跨越营业线多、邻近营业线施工周期长、作业体量大等难点。以肖家庄特大桥为例，转体施工需跨越瓦日铁路上下行线、兖石铁路上下行线4条铁路，邻近营业线施工约13个月，设计采用跨度78 m+144 m+78 m双线连续梁，转体结构总重约125 000 kN(图1)，对铁路正常运行安全影响大。

图1 新建肖家庄特大桥转体施工后实景

3.3 施工风险大，安全管理要求高

安全管控是各参建方关注的焦点，由于桥梁施工工艺、邻近营业线地下管线复杂，施工期间不仅要保证既有铁路的正常运行，同时要确保施工安全。以跨沈海高速特大桥为例，新建26号～29号墩依次邻近青连铁路左线、兖石铁路上下行线，28号墩帽梁模板距离铁路建筑限界最小距离约1 m(图2)，现场作业空间受限，存在严重的安全隐患。

图2 新建跨沈海高速特大桥28号墩与营业线空间位置关系

3.4 要点施工时间有限，施工要求高

由于天窗施工有严格时间要求，需在规定时间内完成既定工序施工，每道工序都要确保万无一失。例如，永新特大桥跨越兖石铁路转体施工，按要求需在110 min天窗点内，完成特大桥转体64°的施工准备、转体施工、现场清理等工作。

3.5 零号块钢筋碰撞多，施工难度大

本项目连续梁零号块钢筋及预应力筋纵横交错，施工操作空间小，存在钢筋碰撞点多、预应力管道定位困难等问题，容易产生混凝土不密实，甚至空洞、浇筑不密实、蜂窝麻面等质量问题[9]。

4 实施方案

项目团队在详细研究6座特大桥的施工重难点以及铁路主管部门发布的(济铁总发〔2014〕325号)《营业线施工安全管理实施细则》等文件后，制定“安全第一、预防为主”的实施方针(图3)。依次编制《鲁南高铁跨越营业线施工BIM技术应用实施方案》、《鲁南高铁跨越营业线施工BIM执行计划》等指导性文件作为整个BIM实施过程指南，规范BIM工作实施流程、应用模式、交付物、数据统一等内容，指导项目科学实施，为项目管理提供技术支撑[10]。

图3 BIM技术应用技术路线

5 多层次、多角度、多方位BIM技术应用

本项目以高标准、高起点、高质量的要求推动BIM技术落地应用，综合运用多项新技术开展建设管理深度探索与实践，提高跨越营业线施工效率[11]。

5.1 无人机应用

为避免对营业线影响，采用无人机倾斜摄影方式采集营业线数据，形成设计结构与复杂施工环境整合的三维BIM实景模型(图4)，用于指导现场总平面布置、校核新建特大桥与营业线空间位置关系[12-13]。

图4 无人机倾斜摄影应用

5.2 三维扫描仪应用

针对营业线基础资料缺失的工点，采用三维扫描仪采集营业线桥梁、电气化立柱等关键节点处点云数据，建立营业线点云模型。通过点云模型与总装BIM模型对比分析，一方面，完善技术资料缺失位置的BIM模型，另一方面，校核资料完整部分的BIM模型(图5)。

图5 三维扫描仪点云模型校核

5.3 零号块钢筋模型应用

针对零号块钢筋碰撞问题，通过建立零号块钢筋BIM模型(图6)，提前发现多处钢筋碰撞问题，基于BIM模型优化支座加强钢筋网位置及层数、调整横隔板横向钢筋间距，避免施工现场返工。

图6 零号块钢筋模型

5.4 新建特大桥与营业线BIM模型

基于搜集的营业线资料及无人机、三维扫描仪数据，按照铁路BIM联盟发布的BIM标准，搭建项目新建特大桥、营业线、场布模型、施工深化模型(图7)，用于技术交底、指导现场施工。

图7 新建肖家庄特大桥与营业线BIM模型

5.5 碰撞检查

按照施工方案既定工序，基于BIM总装模型开展碰撞检查，发现多处影响安全施工的碰撞问题，其中包括新建永新特大桥转体过程中跨中钢盒碰撞问题(图8)、新建跨沈海高速特大桥27号墩帽梁模板与既有兖石铁路回流线碰撞(图9)等。通过出具碰撞报告等技术文件，为施工方案论证提供数据支撑。

图8 新建永新特大桥跨中钢盒碰撞

图9 新建跨沈海高速特大桥27号墩碰撞

5.6 施工BIM模型深化及施工方案论证

针对碰撞问题，项目团队充分发挥BIM可视化、可提供各参与方协同工作等技术特点，开展基于BIM模型的施工方案论证，应用虚拟建造技术“先试后建”，不断深化施工BIM模型(图10)，为项目决策、风险分析提供依据[14-18]。以跨沈海高速特大桥帽梁施工为例，经过反复方案论证，综合考虑作业空间、支架搭设、模板拼装、混凝土浇筑、模板拆卸等因素，仿真多种复杂条件下的施工工序，最终确定帽梁采用钢模板整体吊装、地泵浇筑混凝土、模板分段拆卸的施工方案，保证施工效率的同时，确保了现场安全。

图10 新建跨沈海高速特大桥总装模型与28号墩施工深化模型

5.7 施工重难点BIM虚拟仿真

针对营业线转体施工、中跨钢盒吊装、整体钢模板吊装及拆卸、上跨营业线架梁施工等重难点，应用BIM技术对重难点施工过程进行虚拟仿真，将高风险工序提前预演，发现风险源并制定保障措施(图11)。以跨沈海高速特大桥架梁施工为例，通过将喂梁、出梁、落梁、就位、架桥机过孔等对铁路运营安全影响大的施工工序动态仿真，分析风险源，制定了提前检修架桥机、检查吊梁钢丝绳机械性能等方案。

图11 跨沈海高速特大桥上跨营业线架梁施工虚拟仿真

5.8 天窗施工方案审查

我国铁路运输网密集，列车运输间隔小，为铁路新建、改建、扩建所预留的天窗作业时间越来越短，天窗施工方案审查严格。通过将施工重难点仿真等BIM成果用于铁路主管部门方案审查(图12)，可视化展示天窗时间内各施工工序的衔接及安全防护，方便快速深刻地了解整个施工流程，更有针对性地提出审查意见[19]。

图12 新建永新特大桥天窗施工方案审查

5.9 天窗转体施工BIM应用

BIM技术应用归根结底需要落地于现场施工。通过BIM与无人机技术结合，创新特大桥在营业线转体施工应用，在永新特大桥与肖家庄特大桥天窗转体施工中，利用无人机将现场航拍数据传输至总控室大屏。同时，应用物联网设备将转体数据同步到总控室的BIM实景模型，实现现场与BIM模型转体数据同步，转体过程中基于BIM实景模型实时测量梁体间安全距离，远程调度指挥转体进度，提高天窗点内施工效率，确保特大桥顺利转体(图13)。

图13 新建永新特大桥天窗转体施工BIM应用

5.10 营业线施工工艺工法库

将经过工程实践验证的工艺工法流程与BIM仿真成果整合后，形成营业线施工工艺工法库，主要包括零号块施工、转体施工、中跨钢盒吊装、纵向悬臂墩施工、架梁施工等施工重难点(图14)。

图14 跨越营业线施工工艺工法库

在未来跨越营业线施工项目中，项目实施人员可以通过扫描二维码访问存储在云端的工艺工法库，随时随地查看工艺工法标准以及施工流程，加强施工过程中安全防护与质量过程控制。

5.11 数字化交付

BIM是大数据承载容器，包含设计数据、施工过程数据[20]，项目完成后，将BIM成果按照统一数据标准要求，对建设过程中设计资料、BIM模型、咨询报告、交底文件、工艺工法库等各类工程数据信息以通用格式的电子文档移交，形成内容全面、格式统一、结构完整的数字化档案，为运维阶段基础设施管理提供基础数据[21-25]。

6 结语

针对铁路主管部门、建设单位重点关注的营业线安全管理、质量控制等问题，结合铁路建设管理抓源头、抓过程、抓细节方面的管理需求，项目团队积极探索BIM与先进工程建造技术融合，在营业线数据采集、零号块钢筋碰撞、天窗施工仿真等应用中起到良好效果，总结如下。

(1)项目创新性应用无人机、三维扫描仪采集铁路营业线重点区域实景数据，建立数字高程模型、点云模型，校核新建特大桥与营业线空间位置，解决了空间定位不准确的难点。

(2)通过建立新建特大桥零号块钢筋模型，提前发现多处预应力钢筋碰撞并开展钢筋排布优化，有效提高零号块钢筋施工效率。

(3)通过建立贯穿设计、施工阶段的BIM实景模型，开展碰撞检查、专家论证、方案优化、可视化交底等工作，形成转体施工、零号块钢筋碰撞等咨询报告，为精细化施工提供数据支撑。

(4)项目创新性应用BIM成果向铁路主管部门汇报天窗施工方案审查，提高了审查效率，缩短方案审批时间。

(5)项目创新性将BIM、无人机、物联网等新技术用于跨越营业线转体施工中，提高了天窗施工效率。

(6)建立了跨越营业线施工工艺工法库，仿真施工作业风险大的工序，保障跨越营业线施工安全，为后续项目提供技术支撑。