基于BIM 技术的公路工程泡沫轻质土应用

马汝杰，赵 杰，李夕林

（山东省交通规划设计院集团有限公司 全寿命周期BIM 技术应用研究中心，山东 济南 250101）

引言

泡沫轻质土是一种在水泥基浆料中加入泡沫后凝固而成的轻质类新型混凝土，其原材料主要由水泥、水和泡沫组成［1-2］。泡沫轻质土凭借其轻质性、重度和强度可调节性、自流性、直立性、易开挖及施工便捷性等特性，逐步应用于公路建设领域［2-5］。其填筑工程以降低荷重或土压力为目的，可应用于软基路堤、软基桥台台背、道路加宽路堤、陡峭路堤、地下结构顶部减荷回填，软土地基与基础处理，塌方快速抢险修复，寒区路堤填筑工程。

公路工程中泡沫轻质土的应用带来了结构体系的变革，土压力的降低减少了肋板台的使用，转而应用新型柱式台构造；荷重的降低减少了路基放坡，仅需外保护壁构造。BIM 技术发挥其可视化和信息化的特点，面对应用泡沫轻质土带来的结构体系变化，通过参数化、程序化结构设计实现新型柱式台和路堤填筑的三维表达和工程量计算，为BIM 技术与泡沫轻质土的融合应用提供新思路。

1 工程概况

沾化至临淄高速公路是《山东省高速公路网中长期规划（2014—2030 年）调整方案》中“纵四”沾化（鲁冀界）至临沂（鲁苏界）高速公路的一部分，是连接山东半岛蓝色经济区、黄河三角洲高效生态经济区与济南都市圈联系的重要通道，北接埕口至沾化高速，南接临淄至临沂高速［6］。根据信息化建设要求，该项目在规划、设计及施工阶段全流程应用BIM 技术，辅助项目高质量高品质建设。本项目设计方案：对于填土高度＞5 m 的桥台台背、明涵及两个距离较近的结构物（距离＜3 m）的台背采用泡沫轻质土填筑。BIM 技术与泡沫轻质土的融合应用主要体现在新型柱式台和填筑路堤构造两方面。

2 新型柱式台的BIM 化表达

2.1 桥台结构的BIM 设计

肋板式桥台是一种常见的桥台形式，在桥台高度较大时常被使用,通过设置肋板构造来抵消土压力、汽车荷载及汽车制动力和汽车冲击力产生的顺桥向位移和拉应力，保证桥台结构体系的稳定性。泡沫轻质土产生的土侧压力远小于传统台背回填的荷载效应，可采用构造简单施工便捷的柱式桥台形式，在满足工程受力性能需求的基础上降低工程造价。考虑该项目地基承载力情况，创新性的采用柱式台身加小型承台加柱式桩基的新型柱式台结构。利用BIM 的可视化特点，通过三维空间化表达不同的桥台构造类型，见图1～图3。

图1 肋板台（砂土回填）

图2 传统柱式台（土回填）

图3 新型柱式台（泡沫轻质）

2.2 基于设计的程序化表达

沾临高速项目中除新型柱式桥台外，传统柱式台的应用也较为常见，为实现BIM 参数化驱动构件的统一性，从设计流程中判断是否有承台构造。若构造中没有承台，直接调用柱式台的桩基族，基于桩基底部高程计算每根桩基的长度，赋予构件参数ZJH2；若构造中有承台，需根据台身底标高计算台身高度，按照设计台身直径赋予参数TSD；顺序开展承台设计和桩基设计，在桩基设计中充分考虑两排桩基的直径、桩长差异，实现设计方案的精确性表达。程序化流程见图4。

图4 项目柱式台设计流程

3 填筑路堤的BIM 化表达

泡沫轻质土路堤填土顺路线方向长度按倒梯形设计，底部距基础内边缘3 m，坡率为1 ∶ 2，与一般路基填土间设置台阶。用复合土工膜包裹（土工膜厚0.3 mm），外侧设直立式钢筋混凝土挡墙保护壁或混凝土预制板保护壁。从BIM 构件的角度出发，按设计线将泡沫轻质土分为左右两侧，分别设定不同角度横坡以满足超高设计需求；沿纵向设定角度以实现竖曲线坡度；按设计坡率驱动倒梯形比例，完成和一般路基填土的结合；设定纵向长度参数L调整填筑桩号范围。综合考虑BIM 构件的通用性和参数表达的简约性，简化台阶构造细节。泡沫轻质土BIM 构件及参数见图5。

图5 泡沫轻质土BIM 构件

4 泡沫轻质土工程量计算

在沾临高速某通道较近范围内已施工完成2 道涵洞，按原设计方案此处应凿除部分已施工构造（如涵洞的翼墙和八字墙等），为减少工程变更，最大程度利用原有方案和已施工完成的涵洞，将通道台背调整为泡沫轻质土回填。利用无人机倾斜摄影技术，真实还原现场施工情况，将通道BIM 模型叠加于三维场景中，为泡沫轻质土调整方案的可视化比选和讨论提供了参考依据。为估算方案调整后泡沫轻质土用量，利用BIM 模型基本尺寸信息集成的特点计算通道两侧的回填体积，分别为6 651.215 m3和4 603.107 m3。小桩号侧应用见图6。

图6 BIM+倾斜摄影的泡沫轻质土应用

5 结语

（1）利用BIM 的可视化特点，通过对比肋板式桥台、传统柱式台和新型柱式台的不同空间构造，实现了新型柱式台的三维表达。（2）利用程序化和参数化的方法实现了桥台设计方案的精细化BIM 模型创建。（3）针对泡沫轻质土的路堤填筑，采用设定多角度、多参数、左右分幅的方法满足不同纵横坡、不同桩号的设计要求。（4）基于倾斜摄影和BIM 技术辅助轻质泡沫轻质土优化设计，并计算工程量。从沾化至临淄高速公路泡沫轻质土的设计方案出发，开展基于BIM 技术的泡沫轻质土工程应用研究，可视化信息化表达新型设计方案，减少了应用新材料的顾忌和担忧。