懸索橋隧道錨施工BIM技術(shù)的應(yīng)用
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摘要：結(jié)合BIM技術(shù)在宜昌伍家崗長江大橋隧道錨施工中的應(yīng)用實例，對BIM技術(shù)在隧道式錨碇施工中的應(yīng)用進(jìn)行了探索和實踐。實踐證明，BIM技術(shù)的應(yīng)用節(jié)約了施工成本，可為BIM技術(shù)在隧道錨施工中的具體應(yīng)用提供借鑒。
關(guān)鍵詞：隧道錨；BIM技術(shù)；深化設(shè)計；懸索橋
隨著交通基礎(chǔ)項目相繼開工建設(shè)，懸索橋擁有用料省、自重輕、應(yīng)對地形和地質(zhì)條件復(fù)雜能力強等特點，在各種體系橋梁中優(yōu)勢逐漸凸顯，受到越來越多建設(shè)者青睞。錨碇主要有巖錨、隧道錨和重力錨等3種形式，巖錨對地層要求最高，隧道錨次之，重力錨要求最低。相對于重力錨，隧道錨能較好地利用錨址區(qū)的地質(zhì)條件，具有環(huán)境擾動?。▋H為重力錨的20%～25%）、工程量少（僅為重力錨的20%～25%)、投資低（僅為重力錨的30%～35%）的特點，在保護(hù)自然環(huán)境和提高工程建設(shè)效率等方面具有明顯優(yōu)勢。隧道錨將主纜中的拉力直接傳遞給周圍山體的基巖，因而要求橋位處必須有良好的地質(zhì)條件。因其傳力機理，受力條件、開挖施工要求高等特點，導(dǎo)致隧道錨施工成為懸索橋施工的難點和重點之一。
1工程概況
宜昌伍家崗長江大橋項目是構(gòu)建宜昌“三縱五橫”快速骨架路網(wǎng)的重要控制性工程，對拓展城市空間、提升綜合交通樞紐城市地位具有重要意義。其中，主橋為單跨1160m雙塔鋼箱梁懸索橋，分南、北岸兩側(cè)，北側(cè)為隧道錨式錨碇（簡稱隧道錨）。隧道錨主要由洞口、前錨室、錨塞體及后錨室等部分組成。隧道錨軸線長度（理論散索點距離錨室底部長度）90m，距離設(shè)計路面的最大埋深為80m，錨塞體設(shè)置于微風(fēng)化巖層。錨體軸線的傾斜角度為40°，前錨面尺寸為9.04m×11.44m，后錨面尺寸為16m×20m，上下游隧道錨中心距離37.50m，最小凈距為23.42m。懸索橋每根主纜由85股127絲和6股91絲索股組成，主纜索股在隧道錨散索鞍散開后，通過拉桿、錨固連接器連接到預(yù)應(yīng)力鋼絞線上，通過預(yù)應(yīng)力將索股拉力傳遞到錨體混凝土。本項目隧道錨結(jié)構(gòu)凸出（圖1），工藝流程復(fù)雜，技術(shù)難度大，管理要求高，給施工帶來不小的困難。具體歸納如下：1）隧道隧洞口斷面尺寸較小，機械材料轉(zhuǎn)運以及出渣困難。2）施工工況復(fù)雜，管理難度大。3）隧道錨錨體呈前小后大楔形結(jié)構(gòu)，傾角大、洞口小，二次襯砌施工難度大。4）錨固系統(tǒng)作為主纜索股將拉力傳遞至錨體混凝土的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其預(yù)應(yīng)力管道定位、安裝精度高。本工程隧道錨為城區(qū)淺埋軟巖隧道錨，如何盡可能采用新技術(shù)、新工藝降低成本消耗水平，保障施工質(zhì)量，加強施工管理，精心組織施工生產(chǎn)是隧道錨施工中亟需解決的難題。bim技術(shù)主要應(yīng)用在房建相關(guān)領(lǐng)域，特別是在歐洲發(fā)展已近成熟，但對于我國來說，BIM技術(shù)在橋梁方面的應(yīng)用仍處于初級階段[1-9]。BIM理念的引入，給建設(shè)領(lǐng)域項目管理注入了新的活力，也受到施工單位的高度重視。
2項目BIM應(yīng)用
項目中BIM技術(shù)在隧道錨的應(yīng)用內(nèi)容主要包括4個方面：施工方案模擬、施工場地布置、方案深化設(shè)計、預(yù)應(yīng)力管道坐標(biāo)定位復(fù)核。下面分別對這4個方面的BIM應(yīng)用的方法進(jìn)行探討。
2.1施工方案模擬
隧道錨施工因其結(jié)構(gòu)特性，施工技術(shù)難度大，工藝流程復(fù)雜。傳統(tǒng)技術(shù)交底以二維圖紙和規(guī)范為主。這種方式難以體現(xiàn)施工過程中的技術(shù)難點與工藝，從而影響施工進(jìn)度、施工安全和施工質(zhì)量。通過BIM模型結(jié)合施工工序?qū)λ淼厘^土方開挖及出渣、二次襯砌施工、隧道錨大體積混凝土施工等重點工況進(jìn)行三維模擬施工（圖2）。通過模擬施工，對施工工序間的合理性進(jìn)行驗證，將復(fù)雜工序簡單化、可視化，幫助現(xiàn)場施工人員理解施工方案，避免對圖紙及技術(shù)方案的錯誤理解從而造成的錯誤施工，節(jié)省看圖時間，提高溝通效率，確保工序準(zhǔn)確有序地開展。
2.2施工場地布置
本項目隧道錨地處丘陵地帶，南側(cè)緊臨城市快速路不足40m，因此，合理布置施工場地是施工準(zhǔn)備階段的重要內(nèi)容。因此，在隧道錨山體三維彈塑性有限元數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，建立BIM三維場布模型，直觀形象地展示施工場地的布置，架設(shè)出渣卸車平臺，科學(xué)規(guī)劃渣土車及施工車輛出入路徑，合理布置現(xiàn)場材料堆場及加工區(qū)域，降低材料運輸和起吊費用。使用場布三維BIM模型能形象直觀模擬土方出渣運渣、材料等進(jìn)出場、起吊過程及運輸?shù)目臻g需求等，真實反映項目周邊情況，合理布置場地（圖3）。
2.3方案深化設(shè)計
本項目隧道錨軸線與水平線夾角為40°，整個隧洞呈傾斜結(jié)構(gòu)，由于截面連續(xù)變化，且安排在主纜索股架設(shè)完成后實施隧道錨二次襯砌，主纜在隧道錨中呈發(fā)散狀布置，二次襯砌施工無法采用傳統(tǒng)的隧道臺車，支架采用扣件式腳手架方案，支架搭設(shè)易和發(fā)散的主纜索股相沖突。相較常規(guī)的AutoCAD軟件無法準(zhǔn)確定位支架在變截面桿件位置且整體可視性差，工作效率低，安全隱患大。項目通過BIM技術(shù)搭建支架模型，借助Revit輸出準(zhǔn)確施工圖紙，綜合分析調(diào)整支架間距，橫向間距、步距并根據(jù)主纜形狀呈發(fā)散狀布置，支架搭設(shè)橫向間距最大160cm，步距最大為140cm。支架從前錨面逐漸向洞口方向搭設(shè)，軸向橫桿支撐在掌子面。在縱向合理搭設(shè)剪刀撐，每道剪刀撐寬度不小于4跨，斜桿與地面傾角在45°～60°之間，利用BIM技術(shù)提出AutodeskRevit輸出準(zhǔn)確施工圖紙[4]，相較于傳統(tǒng)CAD出圖節(jié)省繪圖時間50%（圖4、圖5）。后期通過可視化技術(shù)交底，有助于現(xiàn)場施工人員對支架搭設(shè)全過程充分了解，確保支架整體安全性。
2.4坐標(biāo)定位復(fù)核
隧道錨錨塞體段軸線長度45m，錨固系統(tǒng)由索股錨固連接構(gòu)造和預(yù)應(yīng)力鋼束錨固構(gòu)造組成。預(yù)應(yīng)力鋼束錨固構(gòu)造由管道、預(yù)應(yīng)力鋼絞線及錨具、后錨面處錨頭防護(hù)罩等組成。因隧道錨空間較狹窄，預(yù)應(yīng)力定位鋼架每一排角鋼長度都不一樣長[9]，故定位鋼架拼裝及坐標(biāo)定位計算難度大、坐標(biāo)復(fù)核任務(wù)重。通過BIM模型提取每段定位鋼架、預(yù)應(yīng)力錨墊板的坐標(biāo)，與測量人員計算出的測量數(shù)據(jù)復(fù)核，使得測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確（圖6）。為了將在錨固系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力管道的累積誤差控制在允許范圍內(nèi)，在定位鋼架施工過程中，預(yù)應(yīng)力管道按照“分節(jié)支撐、分段接管、實時監(jiān)控”的要求，預(yù)應(yīng)力管道及定位支架在洞外根據(jù)尺寸精確下料，全站儀現(xiàn)場精確定位，提高了錨固系統(tǒng)線性控制能力和施工精確度，確保項目施工安全有序進(jìn)行（圖7）。
3BIM技術(shù)帶給錨碇專項施工的革新
目前我國BIM技術(shù)在市政橋梁工程領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，但是在錨碇專項施工的應(yīng)用較少，具體表現(xiàn)為：缺少標(biāo)準(zhǔn)的項目級實施方法和體系，以及BIM在錨碇專項施工中應(yīng)用的系統(tǒng)解決方案。總結(jié)本項目BIM技術(shù)在隧道錨專項施工中的應(yīng)用經(jīng)驗，具體可包含以下幾點。
3.1方案評審的直觀性
基于BIM技術(shù)在錨碇施工中的應(yīng)用，可讓業(yè)主在方案評審階段更加直觀地感受工程相關(guān)數(shù)據(jù)分析及完工后的效果，加快了評審速度。
3.2更加準(zhǔn)確的工程造價
基于BIM模型的工料計算相比基于2D圖紙的預(yù)算更加準(zhǔn)確，由計算機出圖完成，且節(jié)省了大量時間。用BIM軟件來統(tǒng)計工程量可以減少人工統(tǒng)計的失誤，合理安排材料的采購，縮短工期、降低了工程成本[2]。
3.3有助于錨碇施工技術(shù)的創(chuàng)新性與先進(jìn)性
作為當(dāng)今建筑業(yè)最具前瞻性的技術(shù)之一，BIM技術(shù)用可視的數(shù)字模型串聯(lián)起設(shè)計、建造和運營全過程。BIM技術(shù)所提供的信息共享交互平臺能使早期參與方案設(shè)計的各個協(xié)作方進(jìn)行互相經(jīng)驗探討、信息協(xié)調(diào)，實現(xiàn)項目創(chuàng)新性與先進(jìn)性。
3.4有助于施工質(zhì)量的管控
橋梁工程項目的施工建設(shè)中，最為核心的無疑還是施工質(zhì)量，而在這種施工質(zhì)量的管理和控制中，同樣能夠運用BIM技術(shù)進(jìn)行有效的優(yōu)化。從目前國內(nèi)BIM技術(shù)在工程項目建設(shè)中的應(yīng)用情況看，BIM技術(shù)發(fā)揮較大的實際應(yīng)用價值點是施工階段[3]。BIM技術(shù)在施工質(zhì)量管理中的應(yīng)用主要就是為了能夠較好地提升其管理的全面性和可靠性，基于信息模型的呈現(xiàn)優(yōu)化對于整個施工操作流程的控制和審查，從而也就能夠最大程度上提升其施工質(zhì)量的控制力度效果，為工程施工帶來了可觀的社會效益和經(jīng)濟效益[8]。
4結(jié)語
隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)在施工中的應(yīng)用彰顯巨大的優(yōu)勢[6]。基于BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用為新時期的項目管理提供了新的思路，已經(jīng)在全國許多大型橋梁建設(shè)項目中進(jìn)行BIM技術(shù)應(yīng)用的工程實踐[7]，促進(jìn)了施工過程中信息的共享與傳遞。宜昌伍家崗長江大橋在隧道錨施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)，通過施工方案模擬和BIM協(xié)同平臺的應(yīng)用，解決了現(xiàn)場施工中碰到的問題，有效指導(dǎo)了項目的施工，取得了良好的效果。
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作者：龔磊 羅實 熊飛中 單位：建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司