基于BIM技术的涉铁钢箱梁施工方案比选

黄为 方自安

【摘 要】 新机场连接线三标2×120 mT型刚构跨铁钢箱梁转体作为国内最大跨度耐候钢钢箱梁转体桥，上跨6条既有铁路 ，施工场地狭小，施工条件复杂，受道路运输、航空限高、临近铁路和业主要求年底主线通车等多种因素制约，施工难度大，工期紧张。文章基于BIM模型，得出地形数据，分析机械与铁路的界限关系，找出各机械之间的交叉作业冲突，通过钢箱梁结构深化设计，得出每一分块钢箱梁的重量，模拟过程中各方案的可实施性，分析整个施工过程中的进度、资源等因素对钢箱梁吊装的影响，分析了了大吨位吊车吊装、大吨位履带吊吊装、龙门吊吊装等多个方案，得出龙门吊吊装为此项目的最佳吊装方案，为以后类似施工提供借鉴。

【关键词】BIM技术; 涉铁工程; 转体桥; 方案比选

1 工程概况

1.1 钢箱梁简介

由中铁十四局负责施工的青岛市新机场高速连接线（双埠—夏庄段）工程三标段，控制性工程钢箱梁转体桥采用120 m+120 m T构钢箱梁施工工艺，桥梁高度18.6～29 m，分左右两幅布置，单幅桥宽24.58 m，全幅总宽49.53 m，转体总重量7 488 t，两幅同步逆时针转体。工程特点、难点、科技攻关及主要施工方法：上跨6条铁路转体桥（新机场专用线、青荣城际、胶济客专），本桥位于强风区，桥梁结构风致振动及大悬臂转体施工抗风性能是桥梁设计施工重难点。

主桥转体前施工临近既有铁路线，施工场地狭小，受道路运输、航空限高、临近铁路和业主要求年底主线通车等多种因素制约。先后通过了高大模板、支撑支架、深基坑、龙门吊安拆、钢箱梁安装等专项方案的专家评审。

120 m+120 m转体耐候钢钢箱T构，为国内同类最大跨度桥梁结构，是目前国内最大跨度耐候钢钢箱梁转体桥。

1.2 施工条件

青岛地区属华北暖温带沿海湿润季风区大陆性气候，春夏多东南风，秋冬多西北风，年均风速5.30 m/s，瞬间最大风速44.20 m/s。年均受台风侵袭或台风外围的影响达13次，是影响施工的主要自然灾害。沿线地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。基岩裂隙水主要赋存于基岩风化带中。地下水主要接受大气降水的补给，临近白沙河沿线，地下水与河水存在一定的补排关系。

1.3 建立地形

通过Infraworks软件建立基本地形进行方案比选的初步分析，通过Infraworks里的测量工具[1]，从白沙河跨过仙山西路至铁路之间，距离为240 m，坡角为1.8 %，240 m处铁路坡脚之间的距离为50 m，坡角为5.62 %，靠近仙山西路铁路坡脚之间的距离为52 m，坡脚为3.63 %，考虑到钢箱梁的横断面宽度为24.6 m，钢箱梁两侧必须留着便道以便于机械的进出，施工场地极其狭小，需要精细组织，仔细论证（图1）。

1.4 钢箱梁的加工与运输

钢箱梁制造常采用三阶段法：第一阶段工厂板单元构件制造，第二阶段是在胎架上匹配组装焊接成箱梁节段，第三阶段工地配合箱梁节段安装，完成箱体之间的焊接[2]。

钢箱梁在开始制造之前，梁段的划分是必须首先考虑的问题，分段的方案对钢箱梁的制造、运输及工地施工有着直接的影响。本项目中高架桥钢箱梁处于铁路、交通要道，交通繁重，施工场地和施工时间均受到限制，且箱梁运输经过城市公路，运输节段的高度、宽度和质量均受到很大制约。因此，本项目考虑在工厂加工，现场组拼的方式，在施工现场预设两个总拼场地，把板单元进至场后在总拼场地拼装成块体，采取吊装进行高位焊接的方式[3-4]（图2）。

2 钢箱梁施工方案比选

钢箱梁分为左右两幅，每幅东西两侧分为8个节段，中间为0#段（图3），一共为34个节段，采用机械吊装的方式把每个节段调运至设计位置，进行高位焊接，由于受现场条件限制影响 ，以左幅5#号墩的钢箱梁为例，本工程拟定三种方案进行比选。分别为：①大吨位吊车吊装方案;②大吨位履带吊吊装方案;③龙门吊吊装方案。

其中大吨位吊车吊装方案和大吨位履带吊吊装方案采取把每一节段钢箱梁分成10块的方式，通过Revit建模复核出每一节段（S0-S8）的重量（表1、图4），把每一节段的分成10份（图5）：中间一共8份，两翼分为2份。

2.1 大吨位吊车吊装方案

本方案考虑从S0号段开始吊装，左幅5#沿线路的垂直方向两侧对称吊装，支架安装和钢箱梁块件安装同时进行，钢箱梁安装以主墩为中心，按照S1-S8段进行吊装。根据汽车吊起重能力及吊装参数拟采用350 t汽车吊进行钢箱梁的吊装焊接，350 t汽车吊参数：13 m×2.6 m×3.64 m。

根据吊车的吊装位置及起吊能力初步考虑把钢箱梁按10～13 m一个段进行划分吊装。通过地形测距图（图1）得知现场施工环境及各施工区域的限制，施工通道需具备大型吊车及重型卡车通过能力，现场需要场地平整后，钢箱梁可具备进场安装条件。考虑运输距离远，在节段划分时最大节段重量不大于62.6 t。左幅5#墩运梁道，只能设在支架投影西侧（紧靠青荣城际铁路上行线坡脚栅栏），主要用作箱梁进场运输通道及箱梁安装通道道路需C20混凝土硬化处理，运梁道宽8 m，长140 m。吊车吊装位置只能设在支架中心位置。吊装只能沿南北向逐段吊装。根据吊车大臂长度及回转半径的起重能力，钢箱梁按纵向、横向及竖直方向进行节段划分，共划分为424个块体（图6），通过Revit计量得出每一块钢箱梁的重量，其中最大块体重量为62.6 t。

吊装顺序：拼装S0号块支架—钢箱梁块体—临时索塔。

吊车在吊装钢箱梁块件时大臂垂直地面距离约38.5 m，安装临时索塔时大臂垂直地面距离约56 m，若发生倾覆均超出鐵路安全距离。且吊装顺序不能发生变化，必须拼装完支架再吊钢箱梁的顺序，且共需吊装424次，考虑两台吊车沿S0号块对称吊装，每次吊装时间需2～4 h，如果两台吊车同时作业，共需用212个天窗点，再考虑每次安装完一段钢箱梁就安装下一段支架时间，每安装下一段支架时间约3～5天，按目前时间推算，5月中旬开始安装，全部钢箱梁及支架完成时间约2021年3月15日，转体后全线能达到通车时间为2021年5月15日。

2.2 铁路内履带吊吊装方案

本方案考虑履带吊通过铁路下穿道路进入场地便道在青荣线及机场线间进行钢箱梁吊装焊接，施工步骤需考虑首先在场地内拼装履带吊，履带吊行走的道路及吊装场地要考虑硬化[5]。在履带吊进场阶段，现场未进行大规模的钢结构施工，可酌情考虑在地基加固区域或后期拼装场地，通过辅助吊装完成履带吊的安装。根据场地及钢箱梁的安装高度确定履带吊的吊装主臂42 m，吊转半径约20 m。拟选用300 t履带吊，尺寸为9.45 m×3.35 m×3.84 m（图7）。

安全距离同汽车吊方案，履带吊在吊装时倾覆的安全距离影响两侧铁路安全，且吊装顺序不能发生变化，必须拼装完支架再吊钢箱梁的顺序，施工场地严重受限，施工过程不可把控，工期延长的风险很高。同汽车吊一样，如按天窗点吊装钢箱梁推算，施工工期完成时间约为2021年5月15日。

2.3 机场专用线外侧大吨位履带吊分块吊装方案

铁路内侧因铁路安全等条件限制，考虑在机场专用线东侧采用履带吊进行钢箱梁吊装焊接作业（图8）。

根据回转半径及钢箱梁块件重量（最大62.4 t）需选用臂长72 m以上的大吨位650 t履带吊才能满足钢箱梁吊装要求。根据吊装角度及履带吊吊臂长度，此处履带吊竖直高度大于55.2 m超过此处机场航空48 m限高要求。如航空限高不作要求可采用此方案。可提前把所有支架拼装完成，钢箱梁快件拼装灵活，前期不受桥梁下部施工影响。钢箱梁块件加工完成后可考虑提前吊装。总拼场地设在铁路外侧。根据图9所示650 t履带吊吊装施工安全距离对青荣铁路及机场专用线存在安全隐患。吊装靠青荣城际侧块件需青荣城际上行线和机场专用线天窗点施工，吊装靠机场专用线侧块件需机场专用线天窗点施工。

根据吊装钢箱梁需在天窗点内施工的时间限制，不考虑安装支架的影响，用两台650 t的履带吊吊装钢箱梁的时间至主线通车约280天，从5月中旬开始吊装，2020年2月19日主线通车。

2.4 龙门吊吊装方案

为减少对工期影响，使前期不受梁下支架施工影响，考虑龙门吊方案：首先建设钢箱梁拼装场地，安装龙门吊、搭设钢箱梁板单元拼装胎架、块单元组拼支架。在总拼胎架上把钢箱梁板单元安装成块单元，接着采用龙门吊对钢箱梁的快单元进行吊装，在支架设计位置进行高位拼装焊接，部分梁段采用顶推的方式进行拖拉[6-7]（图10）。

钢箱梁的单元在加工厂加工完毕，运至施工现场，在总拼胎架上组装成块单元，每一個节段的钢箱梁分为5块（图11），翼缘板拆成2块，钢箱梁主体分为3块。为确保钢箱梁焊接质量，最大化工厂作业，钢箱梁在总拼胎架上组装成块单元后再进行吊装焊接[8]（图12）。

通过BIM建模，把分块的重量计算出来（如表3），为我们合理设计支架和龙门吊的型号提供依据，根据计算结果我们采用4台120 t龙门吊进行吊装，其中S0号块分为8块，把S0的1#、2#、3#均分为2块。

右幅靠近白沙河段，以北侧S4位置为龙门吊落梁平台，在S7段北侧左右两边设置2个连续顶拖拉平台，待拼装好的92.70梁体用龙门吊落在S4位置后，在钢梁尾部安装拉锚器，穿好钢绞线并预紧。采用连续顶推千斤顶进行顶推拖拉。顶推至预定位置，拼装下一节梁段，在进行下一节钢梁拼装后落在S4位置后，拆除拉锚器安装到下一梁段上。顶推过程中要确保两台顶推千斤顶行程一致[9-10]。

水中支架采用630×10 mm钢管桩基础，陆地支架采用钢筋混凝土扩大基础，其上采用478×8 mm钢管作立柱，立柱间通过L125×10角钢连接，立柱顶部为横向HW300×300H型钢横梁，横梁顶部为双拼HN700×300纵向滑道梁。

滑道顶面设置成水平，其上为倒U型滑靴，顶部根据梁段纵向线型设置不同高度枕木支撑，通过事前计算，确定顶推轨迹，按直线行走，立面按水平行走，根据钢梁纵向坡度设置不同高度垫块。拖拉过程中，通过控制下滑道标高来控制钢梁标高，通过横向限位装置控制钢梁的横向偏移，通过顶推千斤顶的行程控制钢梁的纵向位移。[11-12]拖拉千斤顶定设置在滑道前端内侧，后锚点设置在拖拉段钢梁底部，与拖拉千斤顶位于同一直线上如图11所示。

3 结论

通过对以上三个方案（大吨位吊车吊装方案、大吨位履带吊吊装方案、龙门吊吊装方案）进行细致分析（表4）。

（1）方案一：汽车吊方案。汽车吊方案优点是机械使用灵活，变换场地方便;缺点是由于场地收支架影响，支架不能提前安装，工期受工序影响不能平行作业，施工工期不可控，且在铁路间吊装施工时存在对两侧铁路倾覆危险。钢箱梁拼装均为邻近B类（夜间天窗点内）施工，工效极低。

（2）方案二：履带吊方案。优点是起吊能力比汽车吊大，缺点是大臂不能收缩，同样工期受工序影响支架不能提前安装，不能平行作业，施工时间工期不可控，且在铁路间吊装施工时存在对两侧铁路倾覆危险。钢箱梁拼装均为邻近B类（夜间天窗点内）施工，工效极低。

（3）方案三：龙门吊方案。优点是在桥下总拼能保证焊接质量，工期不受工序影响，吊装作业时对铁路不存在安全隐患;缺点是龙门吊基础处理要求高，现场投入成本较高。

综合分析：青荣城际、胶济客专行车密度大，速度快，施工以确保营业线行车安全为首位因素，龙门吊为本工程钢箱梁吊装焊接的最优方案。

参考文献

[1] 何关培. BIM总论[M].北京：中国建筑工业出版社，2011：1-3.

[2]  邹阳.桥梁信息模型（BrIM）在设计与施工阶段的实施框架研究[D].重庆：重庆交通大学，2014.

[3] Vanlande R'Nicolle C， Cruz C.1FC and building lifecycle management[J].Automation in ，Consrtruction 2008，18（1）：70-78.

[4] Yang Z，Arto K，Stephen W J.Developing a tailored RBS linking to BIM for risk management of bridge project [J].Engineering，Construction and Architectural Management.2016，23（6）：727-750.

[5] Hu Z，Zhang J.BIM-and 4D-based integrate solution of analysis and management for conflicts and structural safety problems during construction：2.Development and site trials[J].Automation in Consturction .2011，20（2）：1.

[6] 张春霞.BIM 技术在我国建筑行业的应用现状及发展障碍研究[J].建筑经济 2011（9）：96-98.

[7] 杨骇麟.基于BIM的可视化协同设计应用研究[D].西南交通大学，2016.

[8] 胡永生.公铁合建段公路大跨度钢箱梁施工技术[J]桥梁建设，2014（44）：2.

[9] 张连海.顶推法施工桥梁[J].北方交通，2012（7）：52-55.

[10] 周外男.铜陵公铁两用长江大桥主桥施工关键技术[J].桥梁技术，2014（44）：5.

[11] 陈鸣，吴启和，罗承斌等.苏通大桥钢箱梁吊装专用设备研究与应用[J].中国工程科学，2019（33）：6-10.

[12] 袁帅等.Bim技术在山区峡谷大型铁路桥梁施工中的应用[J].铁道建筑技术，2020（2）：0071-05.

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