于向东 王慧慧

中南大学土木工程学院

摘 要： 近年来,由于桥梁快速拆建的需求扩大,SPMT工法应运而生,然而在应用SPMT工法进行斜交连续梁快速拆除施工时会遇到碰撞问题。以沈海高速公路改扩建工程T2标段上某斜交连续梁的快速拆除为依托,针对在预拆除过程中移除中跨梁段与剩余梁段的碰撞问题,采用BIM核心建模软件(Revit)建立施工场地的3D模型,结合Navisworks软件的Animator功能模拟连续梁拆除、移运、落梁的动态全过程。使用Clash Detective进行了原施工方案的碰撞检测,找到了碰撞原因,并提出了相应的改进措施,对同类型桥梁应用SPMT工法进行拆建施工具有借鉴意义。

关键词： 连续梁;BIM;SPMT;快速拆除;碰撞;

1 引言

近几十年来,我国大力发展交通网络,随着车流量的增加,交通压力逐年递增,现有部分桥梁已无法满足日益增大的交通需求,因而众多桥梁需要进行改扩建。传统拆除方法一般为*破爆**式就地拆除,工期较长。但是一些复杂跨线桥梁,若采用传统的桥梁拆除方法,给人们的交通出行带来极大的不便,进而产生巨大的经济损失。因此基于自行式模块运输车(Self-propelled modular transporter,以下简称SPMT)的桥梁快速拆建施工工法应运而生。SPMT工法智能化高、施工进度快、封闭道路时间短、安全环保、社会影响小且有显著的社会经济效益。SPMT是计算机控制的平台车辆,能进行独立转向和高度调节,转向模式多样。以此设备为核心对旧桥进行整体拆运,并对新桥进行整体运输、安装,达到快速施工的目的,符合桥梁改造的发展趋势。

SPMT 技术在桥梁工程中的应用源自欧洲,例如荷兰阿姆斯特丹A4 / A5高速公路的双跨桥梁更换、法国PRA1309 铁路桥的安装。2004年,美国开展了SPMT工法应用的相关研究。2006年,首次使用SPMT来跨越美国州际公路的桥梁。2007年,犹他州管理局成功使用SPMT快速拆除和更换犹他州盐湖城4500南桥I-215。目前,美国已采用SPMT技术完成100多座桥梁的更换。而我国应用SPMT工法较晚,现在仍处于起步阶段。2011年北京市政路桥养护集团将SPMT工法成功应用于北京昌平西关环岛桥梁改造工程,开创了在我国应用的先河。2018年,深圳市政设计研究院采用国际标准化SPMT,更换了深圳彩田立交桥。2019年,武汉二航路桥特种工程有限责任公司等多家公司,提出了超重弯坡梁式桥快速移除技术,应用于上海、舟山、和武汉等多地桥梁拆除项目。然而在众多工程实例中尚无拆除斜交连续梁桥的实践,以及对拆除过程中的碰撞研究。

运用SPMT进行正交连续梁切割拆除施工,只要按八字形切割就能顺利移除梁体,但对于斜交连续梁切割面如何布置必须事前进行模拟,因此需建立三维动态模型进行研究。建筑信息模型(Building Information Modeling,以下简称BIM)是当代信息技术于建筑行业的直接应用,用于描述虚拟设计、施工和设施管理。在项目开始施工之前做好BIM设计,可以提前发现项目的不合理之处以及施工存在的问题,这样可以极大的发挥BIM技术在桥梁工程领域的应用。近年来,有不少学者探究了基于BIM技术的桥梁可视化研究,连续梁桥转体施工等研究。运用BIM技术来解决各种施工问题已经屡见不鲜,但至今公开文献尚未发现运用BIM技术解决SPMT工法进行斜交连续梁桥拆除中的碰撞问题。本文运用BIM技术构建了施工场地3D模型,关联时间进度后形成BIM 4D模型,模拟桥梁施工的全过程,进行动态碰撞检测,查找碰撞原因,优化施工方案,调整施工进度。

2 工程背景

本工程为沈海高速公路水口至白沙段改扩建工程中上跨天桥的拆除重建。该改扩建工程的T2标段高速公路上有7座跨线分离式立交桥,因改扩建公路跨度要求需要全部进行拆除。为检验SPMT工法的可行性,预先对以下表1所示两座桥梁进行试拆除。

表1 开阳高速T2标段试拆除桥梁一览表 导出到EXCEL

为保证施工顺利进行,SPMT行走时移除梁体与剩余梁体不发生碰撞,一般对梁体正面和立面均采用八字形切割方式,如下图1所示。在进行T2-1桥梁的拆除移运施工时非常顺利,然而用同样的切割方式对T2-2桥进行切割移运时却发生了梁体碰撞问题。由表1可知T2-1桥与T2-2桥均为(24+34.4+24m)预应力混凝土连续箱梁直桥,区别在于T2-1桥与下跨高速公路正交而T2-2桥与下跨高速公路成62.21 ° 夹角,且T2-2桥为该项目与下跨高速公路夹角最小的桥梁。故以此桥为例,应用BIM技术构建三维模型,创建4D模拟动画并进行碰撞检测,寻找碰撞原因。

图1 梁体切割示意图 *载下**原图

3 创建SPMT移运一体化BIM模型

采用Revit软件作为本项目的BIM核心建模软件。在该软件中局部参数化构件又被称为“族”,依据桥梁局部构件在空间造型上的相似程度将其分类构建成族,并形成族库,以方便模型的存取和使用。即在同类型局部构件建模时,先创建一个通用的模板,同时在该模板中设置范围、长度、材料等构件属性。通过对模板内的尺寸及其他属性的修改,即可对形状相似、尺寸和材料不同的桥梁局部构件进行快速建模。

3.1桥梁参数化建模

本文主要研究桥梁切割移运过程中的碰撞问题,故只对桥梁主体外形进行3D建模,不进行钢束等内部结构建模。在桥梁主体模型的构建过程中,桥墩可以用公制常规模型使用拉伸、放样、空心融合等命令完成创建,但是梁体为变截面单箱双室箱梁桥,无法通过已有族库进行创建,故先建立了箱梁内外轮廓族,通过将外轮廓族实心放样后使用内轮廓族空心融合建立了全桥模型如图2所示。

图2 全桥整体模型 *载下**原图

3.2支架参数化建模

本项目采用了两种类型的支架,一种是支撑剩余梁体的临时支架,另一种是SPMT上支撑移除梁体的驮运支架。将两种支架设置为两种类型的部件,方便建模和之后进行动画模拟。两种支架都是通过钢管或者工字钢焊接而成,只需利用结构框架模型即可建立,临时支架如图3(a)所示,驮运支架如图3(b)所示。

图3 支架模型图 *载下**原图

3.3 SPMT的BIM模型创建

SPMT由模块和动力单元及其他附属设备组成。实际应用的SPMT模块有2、3、4和6轴线的规格,其中以4、6轴线模块最为常见。SPMT模块宽2.43 m,长5.6 m(4轴线模块)和8.4m(6轴线模块),模块的每个轴线由2个摆式轮轴组成,每个摆式轮轴安装有2个轮子,两轮的中轴可沿中心在垂直面作一定角度的摆动,这可以使模块在横向上对地面的高低作出补偿。模块通过液压系统来控制升降,正常高度为1.5 m,上下各有350mm的升降范围。每个摆式轮轴都有独立的液压悬挂,当通过坡道或高低不平的路面时,可以自动调节每个轮轴的液压油缸来适应地面,在纵向上作出补偿,这和摆式轮轴的横向补偿相结合,可以适应各种路面,也可通过人为控制液压系统升降,便于装卸货物。本项目采用4台6轴线SPMT两两并联,在两个动力单元的驱动下同步运输移除梁体。

本文是研究SPMT移运过程中的梁体碰撞问题,需模拟SPMT的升降功能和不同走向的功能,根据SPMT自身特点及项目需要建立了BIM模型如下图4所示。

图4 SPMT模型图 *载下**原图

3.4动态模型建立

根据现场采用的梁体切割方式(如图1所示)对桥梁模型进行局部对称切割,建好Revit全桥模型后导入Navisworks中,根据现场实际情况进行适当的渲染,然后利用Animator建立动画场景,模拟桥梁移运过程如图5所示。

图5 梁体移运过程图 *载下**原图

4 碰撞检测及原因分析

4.1碰撞检测

建好动画场景之后,将Clash Dtective 与Animator链接起来,检测在桥梁移运过程中移除梁体与剩余梁体之间是否会发生碰撞,检测结果截图如下图6所示。正如之前在施工现场所遇到的问题,在对T2-2连续梁桥采用与T2-1连续梁桥同样的切割方法,仍沿高速公路方向运输时,梁体发生了碰撞,导致在实际移运过程中梁体卡在中间,很难移出。针对这一碰撞问题,进行了仔细的研究分析。

图6 碰撞检测结果图 *载下**原图

4.2原因分析

根据碰撞结果,仔细观察其移运路径,发现梁体移运方向与梁体切割线相交,导致了碰撞问题的产生,如下图7所示。T2-1桥与下跨高速公路正交,采用正八字形切割,并沿着高速公路的方向移运时,移运方向恰好在梁体两端切割线中间,梁体可以顺利移出,但T2-2桥与下跨高速公路斜交,当仍采用正八字形切割方式,沿高速公路方向移运时,移运方向与左端梁体切割线相交,故移除梁体左端会与剩余梁体发生碰撞。

图7 碰撞原因示意图 *载下**原图

4.3改进措施

针对上述碰撞原因,我们通过研究论证提出了两种避免移运过程中发生碰撞的改进方法,分别如下图8(a)、(b)所示。

方法一:改变梁体切割线倾角。为了方便运梁车运输,使其沿原有高速公路移运,由上述分析可知,为了避免在移运过程中梁体发生碰撞,则应尽可

图8 改进方法示意图 *载下**原图

能使梁体两端切割线的角平分线与高速公路方向平行。如上图8(a)所示,与高速公路平行的切割线(虚线①),是保证移运过程中梁体不发生碰撞的临界切割线,在桥梁整体拆除施工过程中,为了方便梁体移出,通常对梁体进行正八字形或倒八字形切割,且切割线越短(尽量不能切到实心)则切割工作越容易,图中给出了几种可行的切割线示例,如图8(a)中虚线所示。推荐左②右④切割线,其切割线比较短,满足正八字形,且移运方向保持在梁体两端切割线之间。

方法二:改变移运路径。实际采用左右切割线如上图8(b)所示,为避免梁体移运过程中发生碰撞,推荐移运路径在左右切割线形成的夹角之间。但此种方式需要对地面进行平整,以满足运梁车的行走安全。假若T2-2保持与T2-1同样的切割线倾角,需先将梁体沿垂直梁体方向移出,然后沿高速公路方向斜向移运一定距离,之后再绕中心旋转,使其与高速公路正交,顺序如图8(b)中①②③所示,之后便可沿着高速公路方向顺利将梁体移运到位。通过BIM动态模拟得出需平整场地的极限最小面积是16.13m2,如图8(b)所示(格子阴影区域),为了保证安全,向外扩展一米的宽度(横线阴影区域),得到相对安全面积为32m2,即图8(b)中所示阴影部分。

方法一和方法二都遵循同一个原则,即行走路径需在梁体两端切割线所成夹角之间,这样可以避免在移运过程中移除梁体与剩余梁体发生碰撞。

5 结论

本文根据沈海高速公路改扩建项目T2标段连续梁桥的整体拆除移运施工,针对移运过程中发现的碰撞问题,通过BIM建模分析,详细研究了梁体切割方式和运梁车行走路径对其碰撞的影响,得出了以下结论,对同类型桥梁应用SPMT工法施工具有借鉴意义。

(1)为保证移运过程中梁体不发生碰撞,则行走路径需在梁体两端切割线所成夹角之间;

(2)梁体碰撞问题,可以通过改变切割线倾角和改变行走路径两种方法解决;若梁体已切割完毕,在施工过程中发生了碰撞,可不必对梁体进行二次切割,只需调整运梁车的移运路径即可;

(3)建议在应用SPMT工法进行旧桥拆除施工时,可根据桥位周围地理环境,先选取合理的移运路径,再根据移运路径设计合适的切割线倾角,以避免施工过程中发生碰撞。

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