BIM技术在高速公路桥梁高墩施工中的应用

2022-09-21中铁长江交通设计集团有限公司黄有为

中国建设信息化 2022年17期

文｜中铁长江交通设计集团有限公司黄有为

高墩施工属于公路桥梁建设的重难点，存在较高技术要求和施工难度，直接影响公路桥梁整体施工质量和运行安全。结合实际调研可以发现，公路桥梁高墩施工技术本身具备施工周期长、技术要求高等特点，为保证技术应用取得预期效果，正是本文研究的目标所在。在这个过程中可以利用到BIM 技术，对工程施工过程展开分析，实现动态化施工，从侧面助力数据精确度得到提高，让施工工作得到稳定落实。

1.适合BIM 技术应用公路桥梁高墩施工技术特点分析

1.1 施工周期长

一般公路高墩需要进行3m 左右高度的混凝土浇筑，很多施工高墩存在30m 以上的实际高度，受施工高度和复杂施工环节影响，高墩施工的周期往往较长。如存在出现故障的施工设备，施工周期将进一步拉长，这种情况在公路桥梁工程实践中较为常见，图1为典型的高墩施工流程[1]。

图1 典型的高墩施工流程

1.2 设备需求大

受项目进度等因素影响，公路桥梁工程一般需要同时开展多个高墩施工，这对施工材料和施工设备提出较高要求，相应准备工作直接关系施工进度和施工质量。同时进行复数高墩施工会提升施工难度，施工设备和机械的投资也会同时增加。

1.3 技术要求高

公路桥梁高墩施工技术在应用中存在较高要求，这是由于高墩在桥梁结构中极为关键，会对桥梁整体质量造成影响。高墩施工本身存在较高难度，因此技术应用必须深入了解和把握要点，科学选用质量控制措施，保证工程建设目标顺利实现[2]。

2.公路桥梁高墩施工技术的具体应用

在现代化信息技术飞速发展的今天，充分融入BIM 技术，从二维结构设计转向三维结构设计，高效率、高质量完成公路桥梁高墩施工设计，不仅可以确保结构设计的科学性、安全性，也能够让高墩施工工程项目实现绿色环保要求，降低工程施工成本。最为关键的是，BIM 技术应用后，高墩施工中的数据管理、数据分析等环节也会受到其影响，让建筑工程项目得到进一步优化。

2.1 工程概况

以某高速公路桥梁工程为例，该工程总长240m，设置于山谷地带，施工区域存在较大的山谷落差，谷底与桥台间存在60m 左右高差，这使得工程存在50m 长高墩。基于施工环境特征和工期要求，案例工程施工选择多工作面、分段、分流水方式，分界线为15m。对于施工区域存在较为平缓地形的，通过吊车进行模板安装并浇筑混凝土，支架搭接用于其他墩柱施工。案例工程的5#-8#号墩柱为典型高墩，常截面段长分别为37m、42m、46m、50m，变截面段长分别为35m、40m、40m、45m。

2.2 测量放样

工程通过极坐标控制测量进行放样，在高墩施工过程中，内外模位置内隔4～5m调整1 次，以此在5mm 内控制高墩柱误差。在施工条件允许前提下，通过水准仪、全站仪测量和调整高墩高程，辅以严格开展的施工场地清理，混凝土浇筑可能出现的浮浆等问题实现有效预防。测量在工程项目中具有着重要作用，尤其是BIM 技术出现后，测量精确度得到了根本上的保证，根据施工图纸可以确定具体的高墩桩分部情况，确定桥墩和装桩基的相对位置，并且借助Pro Structure 软件提供坐标提取功能，不仅可以提高施工坐标的精准性，通过具体的坐标提取为后续的工作奠定了良好的基础。测量放样中还可以利用BIM 技术玩车南工程量统计，通过对材料进行编号，导出钢筋统计表，没为后续的施工奠定良好的基础。

2.3 模板施工

案例工程的模板制作加工在现场完成，之后需要审核其质量并向施工位置处运输。施工用模板由工作平台、横竖背肋、拉杆、外模板、内模板组成，一套模板由四节模板构成，高度为1.5m，基于施工顺序，施工人员需要依次拼接6 块外模、12 块内模，以此组装一节模。施工过程中每次翻模3节，板面及模板间接缝需要及时调整，保证存在10mm 内的模板错台误差。安装模板完成后，通过检测尺、全站仪等检查安装精准度并进行调整。传统的二维图纸设计的相对简单，但利用BIM 技术可以实现3D输出技术，而且出图便捷，借助Bentley 自带打印机，可以输出3D-PDF 模型，在最短时间内取得具体的项目信息，包括剖面图和透视图。在这一技术的辅助下，可以在设计工作批量输出二维图纸，明确具体的数据。该施工团队利用Revit 软件实现BIM模型的构建，在这个过程中借助拉伸、融合、放样等功能实现了高墩模型构建，将内外模板结合实际需求落实得参数化调解，其中内外模板可以借助梁体截面偏移获得。根据不同构件的局部细节可以完成更好的拼装，并且得到整体结构。但考虑到高墩施工技术本身的反复杂性，还需要对模型进行进一步的优化，落实参数化建模。采用了Python OCC 技术，针对内外模板、坐标信息进行创建，为后续的施工奠定基础。

2.4 支架搭设施工

支架搭设属于高墩施工技术应用重点，具体施工前需要对脚手架及基土性质开展校验和调整，在施工要求满足后搭设支架。搭设过程需要按照1.2m 控制立杆与横杆距离，同时保证存在0.9m 左右的排间距。为保证高墩施工安全，需做好支架受力验算，验算过程应计算结构配件、立杆底段与地基自重，对比设计值和计算结果，施工质量将更好得到保障[3]。

2.5 钢筋施工

完成支架搭设验算后，需开展钢筋施工，墩身模板选择定制定型钢模板，墩身能够由此具备更高负荷承载力水平。按照1.5m 内控制模板高度，吊装由大吨位吊车负责，模板的中部和顶部通过风缆绳紧固处理，竖直方向的模板刚度能够得到保障。安装钢筋环节需要首先安装竖向主筋，之后依次安装环向水平筋、加劲箍、倒角筋，拉结筋最后安装。关于劲性骨架，安装前需做好放样准备工作，定位角钢安装位置需要在内层位置准确定位。绑扎水平箍筋过程需要基于确定的主筋绑扎位置，在4.5m内控制绑扎高度，之后的竖筋绑扎施工按照从下而上顺序开展，同时这一过程需保证钢筋保护层厚度不会受到损害。竖筋外侧需要设置混凝土垫块，该垫块的强度等级相同，具体按照每平方米4 个垫块的比例设置，固定处理由双股扎丝和钢筋负责，具体布置采用梅花状设计。

2.6 混凝土施工

混凝土浇筑施工同样属于案例工程高墩施工技术应用的重要环节，该环节同样会对工程整体施工质量造成直接影响，具体施工需关注以下几方面要点：第一，严格控制混凝土配比。在拌和混凝土的过程中，混凝土配比必须得到严格重视和科学控制，以此遵循配比原则，优选施工用混凝土搅拌机，案例工程混凝土浇筑使用的搅拌机为常用的强制式搅拌机；第二，施工交底。在混凝土浇筑施工开始前，施工单位结合浇筑技术和要点开展了针对性的技术交底，施工在保证技术达标的前提下开展，同时混凝土搅拌的颜色质量和时间控制要求也能够满足设计及规范要求；第三，混凝土运送。基于二级泵站运送方式运送混凝土，运送过程需保证其严密性得到最大程度保证，在全面的准备工作支持下，混凝土浇筑得以顺利完成。浇筑过程中，施工质量得到较好控制，案例工程在之后的混凝土养护环节也投入大量精力并取得预期成果。利用大数据技术可以更加顺利的完成混凝土配合比设计，在实际应用过程中，借助配合比数据库和keras 开源深度学习框架完成了多目标需求的计算分析，可以获得候选最优配合比。根据施工工程项目具体的强度要求和单方生产成本、单方生产碳排放量、混凝土材料等方面指标参数，就可以输出最为合适的配合比数据。借助这一人工智能模型设计相应的混凝土配合比，先要输入配合比要求和具体的水泥型号、细集料、粗集料、减水剂等方面的数据，从实际应用性能效果来看，在实际发展过程中借助随机森林算法和keras 开源深度学习框架完成了配合比优化设计，充分考虑到不同目标之间的关联性。这种模型不仅可以完成高精度的预测，还可以根据公路桥梁高墩施工工程的要求给出最优配合比参数。在人工智能模型设计下，会根据不同的公路桥梁高墩需求找到相对应的配合比参数，根据物理实验试拌的结果来看，配合比优化后抗压强度和给定值相近，不会出现强度不足或者强度冗余等问题。

2.7 施工质量评估

为保证高墩施工技术更好服务于案例工程桥梁施工，需围绕该技术应用开展针对性的施工质量评估，由此开展的稳定性评估公式为：

式（1）中的A、q、γ 分别为桥墩横截面面积、高墩单位长度、混凝土容重，c、r 分别代表高墩的周长、半径，γ 为高墩稳定系数，结合式（1）进行计算，可得到高墩常截面（表1）与常变截面自体稳定结果（表2）。

结合表1和表2进行分析可以发现，受增加的墩身高度影响，存在逐渐降低的稳定系数，因此案例工程在施工过程中重点调整高墩荷载以及节段施工误差，高墩结构的刚度和稳定性因此得到保证，工程整体施工质量也得以大幅提升。综合来看，BIM 技术在该高速公路桥梁施工过程中，实现了深层次的应用，不进件解决了反复施工的问题，也降低了施工成本。尤其是在技术交底阶段，BIM 技术最大程度避免了工件丢失问题，切实强化施工坐标的精确性，还需要借助工程量展开统计，从根本上控制施工构件，设计边界条件、添加荷载，展开有限元计算，减少误差。以高墩施工微弹力，桥墩实心段和空心段的应力相对较大，尤其是在浇筑进行过程中，桥墩和承台对流条件各不相同，桥墩散热降温较慢，很容易导致局部温差过大，借助BIM 技术可以有效避免这一情况出现，减少开裂风险发生。

表1 高墩常截面稳定性

表2 高墩常变截面稳定性

从后期养护角度来看，BIM 技术也发挥着不可替代的作用，可以实现可视化管养体系，针对高墩施工落实荷载管控，可以在平台上添加专项检查和荷载试验记录，记录检查信息，将桥梁总体技术状况评定为下拉菜单，还可以在开展周期性监测和养护措施。借助BIM 技术可以全面系统的保存高墩施工技术的相关信息，包括理论高程、实测高程，明确混凝土浇筑时间、横纵钢束压浆时间，以此为后续的包养工作开展情况奠定良好的基础。