BIM技术在节段梁预制施工全流程的管理与应用

摘要

针对某市域高速铁路桥节段梁短线法施工特点，通过借助 BIM 技术与信息化手段，整体建模规划预制场地，合理优化设备布置，对生产工艺和线型控制调整优化。辅助钢筋加工绑扎、模板安装拆除、混凝土施工养护，降低决策沟通成本，提高施工效率，科学合理地使用 BIM 技术为工程落地提供有效技术支撑。

工程背景

某规划建设市域高速铁路桥梁，连续梁全长 79.85 m，计算跨度为（39.325+39.325）m。其主梁断面为单箱单室直腹板形式，梁中心高 2.4 m、梁宽11 m；采用短线法施工，将主梁沿纵向划分为 26 个节段，梁长分别为1.97 m、2.45 m、3 m三种类型节段。全联在边墩、次边墩、中墩处设横隔板，横隔板设有孔洞，供工作人员通过。边墩横隔板厚1.425 m，次边墩、中墩横隔板厚1.9 m。节段梁先在工厂预制，再运至桥位处利用架桥机起重拼装系统进行施工，跨中节段采用平衡悬臂拼装，边跨节段梁采用整体悬吊拼装（图1）。节段接缝面剪力键采用梯形，按密键形式布置，节段间通过密齿形剪力键传递剪力，接缝面胶接缝处涂刷环氧树脂胶粘剂，两接缝面直接对接，接缝表面不开槽，采用密封垫圈加涂胶方式密封。每个胶接缝沿箱梁四周内、外侧各刷 20 cm 宽的聚氨酯防水涂料，聚氨酯防水涂料与混凝土颜色一致，满足城市景观要求。合龙位置采用 C50 补偿自收缩混凝土现浇湿接缝连接。

图1 节段梁架设拼装示意图

1.1

节段梁主要特点

该节段梁构件采用多剪力键形式有效减少应力集中，对于模板的刚度和灵活性要求较高，节段梁端部如图 2 所示。根据桥梁标准化设计与施工要求，预制节段梁可划分为跨中标准节段、中墩节段、边墩节段、次边墩节段等。梁体为单箱单室直腹板形式，跨中节段顶板中心厚 30 cm，底板厚 45 cm，腹板厚 45 cm，中墩边墩局部向内侧加厚，分别为顶板厚 50 cm，底板厚 55 cm，腹板厚 90 cm。节段宽度 11 m，节段长为 2～3 m。混凝土采用 C50 高性能混凝土。

1.2

节段梁在预制施工中的重难点

（1）预制场规划建设涉及到如何把预拌混凝土生产区、钢筋加工区、节段预制区等进行有机衔接，施工现场转运高效便捷，各工序相互不产生交叉影响，因此预制场设备布置及规划等方面需要优化调整空间大。

（2）节段梁采用短线法预制，短线匹配法施工是一个循环反复的过程，匹配梁定位不牢、浇筑混凝土的侧压力及振捣器作用等会导致匹配梁转动移位，由于偏差累积效应，一整段梁的结构和线形都会受到影响，所以对于工艺及线型控制等均具有很高的精度要求。

（3）针对内部空腔体积为变截面的梁段，内芯模伸展角度尤为关键，稍有偏差则会影响节段梁成型质量及施工精度，另外，模板体型庞大，造成施工过程中模板拼装误差较大。

（4）面对随时可能出现的工期紧张的情况，对钢筋绑扎、模板安装与拆除、混凝土施工以及现场管理提出了很高的要求。

BIM 技术在节段梁预制施工全流程管理与应用研究

2.1

BIM技术辅助预制场规划建设

工厂选定在上海某预制工厂内，生产场地整体呈东西向布置，总平面为矩形，其中东西向长约280 m，南北向45 m，总面积约为 12 600 m2。厂内设有生活办公区、预拌混凝土生产区、钢筋加工区、节段预制区、节段储存区和仓库车间等六个部分。预制厂建设同 BIM 技术相结合，对厂内各临时结构及蒸汽管道进行碰撞检查及布置优化，预制厂内临时建设均采用统一规划。场地规划主要包含钢筋加工和绑扎、模板安装和拆卸、混凝土拌车路线规划、梁段吊装存放，减少中间曲线环节，形成流水线施工。

规划采用平行流水线生产方案，布置 2 条短线法台座、2 套外侧钢模、2 套箱梁内芯模，确保每天生产 2～4 段节段梁。每条作业线设有 1 台100 t 龙门吊、2台15 t 龙门吊，100 t 龙门吊轨距为 45 m，15 t 龙门吊轨距均为30 m，起升高度主钩 15 m、副钩 17 m。预制台座东西两端分别设有测量台与测量坐标点供模板安装定位用。根据节段梁结构尺寸及龙门吊跨度和场地漫游演示结果，横向并排布置 6 个钢筋绑扎胎架。

2.2

基于BIM技术的节段梁生产工艺优化及线形控制

2.2.1 BIM技术优化调整节段梁生产工艺

短线法即利用已浇筑梁段截面作为匹配面浇筑下一榀梁段的循环过程，具体流程见图2。

图2 短线法预制工艺流程

通过建立场地、建筑物及设备模型，结合整个节段梁预制施工仿真动画模拟，细化工艺流程，帮助参与施工人员了解施工过程的质量控制要点、施工安全管理要点，避免因经验不足引起的质量安全问题。对于模拟发现的施工过程中各种问题和重难点，分析问题并制定解决措施，反复模拟施工过程并加以完善，形成一套完整的节段梁预制全流程施工模拟体系，和以信息化建造为特色的企业级工法，为以后类似项目施工提供经验借鉴。

2.2.2 基于有限元软件结合 BIM 技术的节段梁线形监控技术

在短线法工艺匹配梁定位中，成型后的节段梁每次移位后必须重新精准调整定位，进行匹配，因此对施工控制的精度要求比较高。施工中主要以水平度控制、中线控制、垂直度控制等“三点控制”进行调整，“三点控制”的调整方向对应空间坐标轴的三个方向。现场测出节段端模翼板中心对称位置坐标、节段匹配端翼板中心对称位置坐标，转换为空间坐标后导入有限元软件中，在三维空间坐标系模拟节段拼装状态，与理论预制线形进行对比。如果两者基本吻合，表明预制线形控制效果良好。如果出现偏差则要及时进行调整，对于竖向偏差，可以增贴相应厚度的环氧垫片。基于有限元软件和现场采集的数据可以实现对节段预制拼装的实时可视化，对预制线型同步控制，预测拼装偏差并给出调整意见。

2.3

基于 BIM 技术的节段梁预制施工生产流程数字化应用

BIM 技术基于真实物料信息的可模拟性特点在辅助钢筋加工与绑扎、指导模板安装及拆除、混凝土工程量统计等方面具有显著优势，BIM 技术融入预制构件生产流程与管理，可为预制场信息化转型提供有益参考。

2.3.1 BIM技术辅助钢筋加工绑扎与预埋件安装

（1）钢筋自动下料。根据施工组织计划和建立的企业节段梁施工族库，导出钢筋明细表，统计施工所需的钢筋重量和数量，安排生产计划。将 BIM 软件自动生成的钢筋线材下料单，交付给钢筋车间加工节段梁所需钢筋，钢筋加工完毕且验收合格后，将钢筋分类有序堆放于钢筋绑扎车间。

（2）钢筋碰撞检查与预埋件定位。根据精确的钢筋建模排布，对钢筋笼复杂节点（拐角处）及穿插波纹管进行碰撞检查，优化钢筋绑扎顺序和细部精度。胎架上先设置定位工装，在钢筋胎架上先绑扎腹板和底板的下层钢筋，再将波纹管平顺穿入并固定在波纹管定位钢筋中，在腹板和底板的下层钢筋上定位波纹管，然后绑扎顶板钢筋，绑扎腹板和顶板的上层钢筋和拉钩钢筋。安装预埋件时要严格按图纸位置、间距将预埋件焊接在钢筋笼骨架主筋上，焊缝质量需满足其技术规范，确保焊接牢固可靠。纵横向钢筋与波纹管、预埋件产生交错冲突的时候，可在保证保证钢筋顺直的前提下，适当挪动钢筋位置。保护层垫块采用 32 mm 规格，强度≥55 MPa，按梅花型布置，用镀锌扎丝十字交叉固定绑扎在钢筋上，扎丝尾部不得升入混凝土保护层内，不少于4个/m2。

2.3.2 BIM技术指导模板安装及拆除

在模板组装中，端模的体型较大，其安装精度对预制梁的偏差影响至关重要，施工中主要以水平度控制、中线控制、垂直度控制等“三点控制”进行调整。通过测量固定端模翼板中心两侧位置标高、距离平面基点距离、与垂直控制线位移等三组数据，形成已浇筑节段梁一端的空间坐标，根据梁体信息用软件计算出另一端的空间坐标，即匹配梁段与相邻预制件的坐标，再由现场测量人员进行匹配梁（1号梁时为移动端模）位置的调整。达到预定坐标后，用桁车配合使用专用多点式吊具将钢筋骨架调入模具中，入模完成后，调整内模模具。

对于内部空腔体积为变截面的节段梁，内芯模设计为多段式液压顶撑机构，根据软件模拟出的各段伸缩角度信息参数，输入自动化液压内模角度调整系统，调整到设定角度后保持固定，实现内模合模的数字化建造。内模合模完成，开始节段梁混凝土浇筑。节段梁混凝土达到一定强度（不低于设计强度 50%）后拆除模板，移出 1 号节段梁，吊入底模，调整节段梁匹配，进行第二个循环，待 2 号节段梁混凝土达到强度后移出 1 号节段梁，进行修饰养护。养护后待混凝土强度不低于设计强度 75% 时，方可起吊，移入存梁区。

2.3.3 BIM技术在混凝土施工及养护中的应用

在BIM软件中统计混凝土施工所需方量，降低沟通成本，减少多余混凝土浪费。利用虚拟场地漫游技术，引导混凝土拌车在规划的运输路线行驶，针对漫游中道路转弯半径不适宜通过的道口，应及时对现场路面进行加宽处理。混凝土浇筑应按照先底板再腹板再顶板的施工顺序，浇捣过程中采用插入式振捣棒和附着式振捣器共同进行振捣。早期采用蒸汽管道蒸汽养护。建立预制梁存放二维码信息管理系统，采集预制梁生产、养护和堆放信息，通过手机小程序扫描梁身二维码，实现对梁段信息的快速查询与定位。

结语

长期以来，预制场信息化水平较低，生产方式粗放、劳动效率不高、能源资源消耗较大等问题比较突出，在建筑业与先进制造、智能建造大融合的背景下，积极拥抱先进技术，改进生产效率，是企业长期高质量发展的必经之路。通过积极借助 BIM 技术与信息化手段，在整体建模规划预制场地，合理优化设备布置，生产工艺和线型控制调整优化，辅助钢筋加工绑扎、模板安装拆除、混凝土施工养护等节段梁预制施工全流程，开展数字化建造研究并逐步应用在日常生产中，起到降低决策沟通成本，提高施工效率作用。以此市域高速铁路桥梁连续梁预制施工组织为契机，科学合理地使用BIM技术为工程落地提供有效技术支撑。

（责任编辑：何雯丽）