BIM技术在悬索桥异形横梁支架拆除工艺中的应用

彭超志,周 俭,方 升

(1.湖南省高速公路集团有限公司,湖南 长沙 410023; 2.中交路桥华东工程有限公司,上海 201203)

1 工程概况

龙潭长江大桥索塔下横梁为预应力混凝土结构,下横梁长35.1m、宽10.7m、高9.0m,腹板厚1m,横梁下缘处设置厚度为1m、高度1～8m的渐变弧形装饰板。下横梁顶面标高55.000m距承台顶面高度49m,下横梁支架采用落地钢管支架。

北塔下横梁支架结构由钢管立柱、平联杆、弧形梁、承重梁、分配梁和底模系统组成,支架整体结构模型如图1所示。承台顶布置20根φ820×10钢管,塔座顶布置10根φ1 224×12钢管,钢管间布置4层HN450×200型钢平联杆件。装饰板下方采用HN800×300型钢弧形梁+HN450×200型钢桁架片组合结构,底模下方横纵向承重梁分别采用2HN600×200,3HN600×200型钢,承重梁上铺I25a分配梁及底模,支架总重约508.33t。

图1 下横梁支架结构模型

2 BIM综合应用

2.1 BIM建模与应用框架

龙潭长江大桥北塔下横梁支架拆除BIM模型包含索塔主体结构、下横梁、支架模板体系、支架拆除和下放临时结构、施工临时平台及安全辅助措施等,整体建模与应用框架如图2所示。主要模型采用Revit软件和Dynamo插件创建,支架结构杆件大量采用参数族,建立参数族库,可推广应用于其他项目支架模型创建。起重吊装机械等临时设施主要采用Revit软件创建构件集,在支架拆除施工模拟中发挥辅助作用。

图2 下横梁支架下放BIM建模与综合应用框架

2.2 拆除施工流程

支架拆除遵循“先底部拆除再整体下放”的原则,考虑施工安全、结构物成品保护及施工效率等各项因素,具体施工步骤如图3所示。

图3 拆除作业施工流程

2.3 施工关键技术

2.3.1拆除施工准备

1)三角托架加工及安装 三角托架是悬吊上部支架的关键临时结构,起到固定卷扬机和滑轮组体系的作用。横梁顶面共布置4套三角托架,在三角托架前端设置3HN600×200承重梁,作为定滑轮固定端,卷扬机底座下方设HN600×200支垫。考虑下横梁顶面支座垫石、挡块等构件影响,利用Revit软件建立三角托架模型(见图4),有效避让既有构件,在下横梁顶面预埋精轧螺纹钢以锚固三角托架,保证悬吊受力体系合理稳定。

图4 三角托架模型

2)卷扬机及滑轮组系统安装 支架整体下放质量约260t,同时考虑下放时动荷载系数1.1和不均衡系数1.1,则所需牵引力为71.5kN,故在下横梁顶面设置4台10t卷扬机、4套6门100t滑轮组(绕11线)。如图5所示,利用BIM技术模拟卷扬机安装位置,滑轮组绕线,绳卡固定方式,吊点固定位置和固定方式等具体安装细节,确保具体施工无遗漏,安全保证到位,降低安全隐患。同时,在动滑轮尾端设置4台无线数据采集拉力计,通过移动端实时监测四点受力情况,保证受力体系整体可控。

图5 卷扬机及滑轮组体系模型

3)精轧螺纹钢保险系统 鉴于底部钢管桩及平联拆除时间较长,为减少卷扬机悬吊系统钢丝绳长时间受力,在支架承重梁底部设置4组反托梁,利用φ40精轧螺纹钢通过预留孔锚固于下横梁底板,作为刚性受力体系。如图6所示,建立三维模型使悬吊保险系统安装位置可视化,提前考虑横梁底板预留精轧螺纹钢孔洞位置,精确判断保险系统是否与结构物、临时结构存在碰撞。

图6 精轧螺纹钢保险系统模型

4)安全保障措施 利用Revit参数族功能,建立支架拆除期间各项安全防护措施公制常规族,如图7所示,模拟支架拆除过程安全防护措施的可行性和安全性,针对局部细节建立详细模型,提高施工作业交底可视化深度。

为确保下横梁顶面施工作业安全,在横梁顶设置2组安全通道,防止高空索塔作业期间物体打击,确保人身安全。同时,各卷扬机均设防护棚,防止高空焊接作业火星溅落灼伤钢丝绳。

为防止滑轮组体系钢丝绳被刮伤,影响支架整体下放安全性,在卷扬机出绳口及动、定滑轮组固定型钢边缘位置,采取圆管剖开包边进行钢丝绳防护。

底部钢管桩拆除均为高空施工作业,人员上下使用钢管桩侧面既有背笼,同时在平联、钢管接长位置下方均焊有角钢,用于固定人员施工作业的U形平台。使用Fuzor模拟人员上下及施工作业平台设置,保证现场施工作业安全措施合理有效。

2.3.2底部支架拆除

支架拆除前对所有平联及钢管桩进行编号。按图8中①所示分割线环切钢管桩,环切高度为40cm,考虑支架下放到位后整体稳定性,承台塔座高差4m,故分割线设置在标高33.400,37.400m处。

首先进行上部悬吊结构整体落架,落架前解除精轧螺纹钢保险系统,使滑轮组体系受力,缓慢下放使下横梁底板与底模脱空,落架高度为20cm,落架后锚固精轧螺纹钢保险系统,由柔性悬吊受力体系转换为刚性悬吊受力体系,使精轧螺纹钢作为主要受力。

然后按编号顺序分2层依次拆除承台顶面φ820钢管桩及其平联杆件,按“先拆除相临平联,随即拆除钢管桩”的原则进行,如图8中②所示。

最后拆除左、右幅塔座顶部φ1 224钢管桩及其平联杆件,如图8中③所示。保留塔座及承台顶面预埋件,拆解后材料随即进行转运,保证横梁下方无杂物,以便支架整体下放,如图8中④所示。

2.3.3支架整体下放

底部钢管支架拆除后解除精轧螺纹钢保险系统,使钢丝绳及滑轮组(柔性受力)体系受力。正式下放支架前,作业人员通过4台无线采集拉力计进行实时数据采集,通过收放卷扬机钢丝绳微调四点受力大小,使各点受力均衡,处于允许误差范围(单点钢丝绳受力<75kN)内。

1)第1阶段 统一指挥,协同操作。先缓慢下放使底模段脱离1m高弧形装饰板范围,确保下放过程中不剐蹭塔壁和弧形段装饰板内墙。下放过程中宜点动轻放,实时测量四点受力情况,并单点微调,确保受力均衡,如图9中①所示。

图9 支架分阶段整体下放模型

2)第2阶段 四点同步匀速下放,实时测量偏差值,及时进行单点调整,同时观察是否剐蹭左、右幅塔柱,如图9中②所示。

3)第3阶段 减缓下放速度,塔座四处支撑点均安排人员观察,防止整体下放支架与塔座顶面临时结构碰撞,下放到位后与塔座、承台顶面预埋件焊接固定,确保支架整体结构稳定可靠,如图9中③所示。

2.3.4支架解体转运

整体下放支架利用汽车式起重机进行解体拆除,汽车式起重机、平板车站位以及施工作业警戒区域如图10所示。按从上往下、两侧往中间的顺序依次拆除底模、分配梁、承重梁、弧形梁、支撑桁架、钢管桩和平联杆件。

图10 支架解体转运

2.4 Fuzor施工模拟

下横梁支架拆除作业安全风险等级高,为规避施工过程中可能存在的安全隐患,利用Fuzor软件并结合项目实际情况,通过三维可视化生成施工进度,模拟施工动态过程,查验施工安全风险,确定支架拆除步骤合理。同时,针对不同施工阶段梳理可能出现的作业风险点,如表1所示。

表1 下横梁支架拆除作业危险源梳理清单

2.5 可视化共享

利用广联达BIMFACE控制台,将Revit三维模型(.rvt项目文件)编译转换成在线可视化模型。如图11所示,利用平台生成链接或分享二维码至相关人员手机,无须下载APP和借助BIM信息集成服务器平台,只需通过手机端浏览器打开链接或扫描二维码即可实时在线溯源杆件信息、测量构件长度、了解施工阶段,结合可视化手段更好地帮助作业人员理解施工方案和安全技术交底。

图11 BIMFACE控制台模型共享

3 施工重难点

3.1 支架拆除步骤复杂

针对支架拆除杆件多,拆除顺序要求严格,利用Revit平台建立下横梁支架整体三维模型。利用BIM三维可视化优势,在进行支架拆除顺序的讨论过程中发挥重要作用,提高了拆除工艺的可行性,更加契合现场施工实际情况,保证支架拆除的安全性,规避常规二维图纸难以发现的安全隐患。

同时,利用Fuzor施工模拟软件,对支架拆除过程中各杆件拆除步骤制作施工模拟动画,助力施工现场管理,便于施工现场管控,让作业人员对施工内容、工艺了解更加直观。同时,对不同拆除阶段人员操作及机械站位进行模拟,确保实际操作可行,施工过程安全可靠。

3.2 支架拆除风险大

1)高空作业防护 下横梁支架最大高度46m,支架拆除过程均为高空施工作业。针对高空切割杆件、焊接吊耳、悬挂钢丝绳等施工作业风险,利用既有钢管桩背笼+U形平台结合的方式,便于施工人员上下和操作站位。同时,在钢管桩顶端焊接吊耳用于悬挂安全带、防坠器等安全防护措施。

2)吊装防荡移 针对杆件起吊作业风险,为防止杆件割断瞬间发生荡移,结合相邻钢管桩缠绕防荡移法和卷扬机钢丝绳辅助法,在相邻钢管桩上缠绕防荡移绳1圈,以及横梁顶部卷扬机钢丝绳导线方式辅助反拉措施,在割断钢管桩后分别缓慢放松防荡移绳和钢丝绳绳端,确保钢管桩、平联等杆件起吊平稳下放。

3)上部悬吊结构稳定性 上部支架悬吊期间采用精轧螺纹钢保险系统作为主受力体系,钢丝绳滑轮组体系不受力,确保上部悬吊安全。底部拆除作业起重设备严禁触碰上部悬吊结构,悬吊期间应定时测量各点卷扬机钢丝绳受力情况,确定钢丝绳是否处于受力状态,确保悬吊体系安全稳定。

3.3 整体下放危险性大

1)下放同步性 安装滑轮组时在动滑轮尾绳端设置无线数据实时采集拉力计,通过移动端接收器实时采集各悬吊点受力情况信息。同时,在悬吊点端头各固定1根测绳,测量各点下放高度。综合各悬吊点受力和高差判断支架整体结构姿态,确保整体下放支架同步性始终在允许误差范围内。

2)钢丝绳保护 支架悬吊期间对卷扬机钢丝绳及悬吊滑轮组钢丝绳进行覆盖包裹,卷扬机顶部设置防护棚,防止施工作业火星溅落灼伤钢丝绳。支架下放前对卷扬机钢丝绳进行全面检查,同时对钢丝绳出绳端、捆绑端型钢包边情况和绳卡固定情况进行检查。

3)支架整体稳定 支架拆除前对整体下放支架进行结构受力分析,确保支架整体稳定性。现场对整体下放支架进行全面排查加固,检查杆件接头焊接情况,对主要受力点加焊劲板。同时,在关键节点部位设置应力、应变监测点,采集下放过程中支架整体受力和变形情况信息。

4)安全防护措施 支架下方设置安全警戒区,所有人员禁止入内。支架下放过程中,操作人员一律站位于下横梁顶面防护棚内,卷扬机操作柜单独引出远离三角托架区域。统一服从现场总指挥口令,做到令行禁止。

4 结语

本项目基于BIM技术手段,从方案可行性、深化完善、施工模拟及安全监测方面作为主要出发点,利用BIM技术三维可视化优势,结合“先底部拆除后整体下放”的施工工艺,使异形横梁支架拆除作业更加安全高效,使复杂支架结构拆除步骤更加直观明了。综合考虑支架拆除各项安全隐患,提前采取有效安全举措,提高了支架拆除施工效率,提升了项目技术管理能力,助力龙潭长江大桥北塔下横梁支架拆除顺利完成,可为同类型桥梁异形横梁支架拆除提供参考。