高湾特大桥工程钢筋模块化BIM技术的应用

江鹏飞，梁 建

（宏润建设集团股份有限公司，上海市 200235）

1 工程概述

象山县高湾特大桥属于石浦高速公路新桥连接线的一部分，其包含一座主线桥及两条匝道桥。

主线桥长1 683 m，桥面宽26～49 m，基本跨径35 m，共布设48跨；采用钻孔灌注桩基础，设重力式桥台及工字型承台，墩柱采用微弯型双柱式桥墩上接盖梁，梁跨为预应力混凝土现浇连续箱梁，左右分幅设置。

两条匝道桥长均为250 m，桥面宽10 m，基本跨径35 m，各布设7跨；采用钻孔灌注桩基础，设桩柱式桥台及矩形承台，墩柱采用独柱花瓶墩，梁跨为预应力混凝土现浇连续箱梁，单幅设置。

高湾特大桥工程中桩基、承台、墩柱、盖梁等结构，均采用了“钢筋模块化”施工技术。各构件钢筋模块最大尺寸分别为：桩基1.8 m×13 m、盖梁19.6 m×2.6 m×2.4 m、立柱11.4 m×2 m×2.2 m、承台9 m×7.5 m×3.5 m。单个钢筋模块最大重量约24 t。

2 钢筋模块化施工特点

“钢筋模块化”施工技术，是“建筑业10项新技术”中“建筑用成型钢筋制品加工及配运技术”的提升。即先在钢筋加工厂内定尺下料加工，并用定型胎架将分散的钢筋制作成一个个独立成型的构件模块，再逐个运输至施工现场进行组拼安装，实现“集中化、工厂化、装配化”的钢筋施工工艺。

钢筋模块生产中，采用了“钢筋笼滚焊机、数控钢筋加工设备、定型胎架”等一系列专业设备及工艺，保证了“模块化”的生产需要，并通过吊车、平板车进行运输安装，整个过程机械化程度高。

“钢筋模块化”技术，相较于传统现场绑扎工艺，不仅改善了作业环境，减轻了劳动强度，降低了安全风险；还提高了钢筋加工的质量，缩短了现场施工周期，提高了施工效率；使得施工管理更加集中高效。

但由于桥梁结构的钢筋布设较为复杂，且钢筋直径较大，按照以往的钢筋设计图纸直接生产出来的钢筋模块，经常在其安装过程中存在“钢筋碰撞”的现象，见图1。若在安装现场再进行钢筋调整，难度较大且影响作业效率和施工质量。

图1 钢筋碰撞示意图

因此，需要在“钢筋模块”生产阶段，就对各构件之间可能出现“钢筋碰撞”预先进行处理，以降低现场模块安装的难度，从而才能让“钢筋模块化”施工技术发挥出“高质、高效、安全”的优点。

3 三维建模优化

高湾特大桥工程“钢筋模块化”施工中，就应用BIM技术，先在计算机上模拟钢筋模块的内部构造以及各模块之间的空间位置，并进行钢筋碰撞校核，事先发现钢筋模块制作安装过程中可能存在的问题。

同时通过BIM技术的三维建模，这种直观的形式，能更加方便地与监理、设计、业主等参建各方进行沟通讨论，有利于钢筋局部设计变更的决策和钢筋定尺加工细节的事前控制。

3.1 优化调整思路

三维建模优化调整的主要对象为“各模块间相互关联钢筋的位置”，以及“模块内钢筋的布设”；调整的内容主要是钢筋间距，此外还可能涉及个别钢筋的增减和弯制。

优化调整前可先列出存在关联的钢筋对象，然后由可调度最少的构件开始，依次根据相邻构件的钢筋布置情况，逐个进行优化调整。

此外，钢筋优化调整还应做到三个“尽量”：（1）尽量控制钢筋间距基本均匀；（2）尽量保持原设计的钢筋数量；（3）尽量减少对受力主筋的调整。

3.2 建模优化调整

针对高湾特大桥工程下部结构的钢筋布设，钢筋模块安装过程中，需要调整的交界面及构件对象为：桩基主筋与承台底面钢筋；承台顶面钢筋与墩柱主筋；墩柱主筋与盖梁骨架、箍筋及预应力束之间。

（1）桩基主筋与承台底面钢筋

为了便于桩基钢筋笼的节段对接以及滚焊机的加工，先按原设计图确定桩基主筋为均匀等间距布置，再依据其作为基准参照，用以调整承台的底面钢筋的布设。

承台底面钢筋调整情况见表1、图2。

表1 承台底面钢筋调整汇总表

（2）承台顶面钢筋与墩柱主筋

考虑到墩柱主筋下接承台，上承盖梁，且承台顶面钢筋与底面钢筋之间无直接对应关系，为了减少调整量，因此先按原设计图确定墩柱主筋为均匀等间距布置，用其作为主要基准参照(调整后的承台底面钢筋作为次要参照)，用以调整承台顶面的钢筋位置。

图2 承台底面钢筋平面布设图(调整后)

承台顶面钢筋调整情况见表2、图3。

表2 承台顶面钢筋调整汇总表

图3 承台顶面钢筋平面布设图(调整后)

（3）墩柱主筋与盖梁钢筋及预应力束

由于盖梁设有成片的骨架钢筋以及预应力束，因此先按照原设计图确定预应力束的位置，再接合考虑墩柱主筋，去调整盖梁骨架钢筋以及其箍筋的位置。

盖梁钢筋调整情况见表3、图4、图5。

由于墩柱个别主筋与盖梁预应力束之间存在位置上的冲突，因此需要对其进行截短，调整情况见图6。

4 钢筋模块制作及安装

通过BIM技术三维建模，对钢筋模块进行优化布筋，从理论层面上保证了钢筋模块组拼时的匹配性，基本能避免模块安装时钢筋的冲突碰撞。

图4 盖梁骨架立面布设图（调整后）

图5 盖梁箍筋立面布设图(调整后)

图6 墩柱主筋与盖梁预应力束冲突调整

但要真正实现BIM技术优化布筋的效果，更重要的是通过保证钢筋制作及安装的精度。

本工程通过采用专业的机具设备和严格的工艺标准，保证了钢筋模块，从加工制作，到吊装运输，再到安装到位，全过程的施工精度，基本实现“三维模型”的具象化，达到优化布筋的实际效果。

4.1 钢筋模块加工制作

本工程钢筋模块在专门的钢筋加工厂内集中制作，通过采用数控钢筋弯曲中心和数控弯弧机，确保了钢筋原材下料、弯制的统一性和准确性，并利用钢筋笼滚焊机（适用于圆柱体模块）和定尺胎架（适用于立方体模块），满足了钢筋布设、固定的要求，实现了钢筋模块的批量化生产，见图7。

图7 承台钢筋模块

4.2 钢筋模块运输吊装

为了控制钢筋模块从加工厂内吊装运输至安装现场的过程中的变形，实现“减少弹性变形，不产生塑性变形”的目的，需要根据钢筋模块后期的受力形态和受力点，进行吊点布设和构造强化。

对于承台、盖梁等不需要翻转的钢筋模块，按构造支撑点布设吊耳，并保证起吊合力作用于模块重心；对于桩基、墩柱等需要进行翻转的钢筋模块，除了优化吊点外，还通过增设环向加强箍，以满足模块吊运过程中的刚度要求。

同时在运输过程中，保证支点与吊点的对应，并通过临时固定（捆绑、点焊等）、控制运输车速等措施，减少颠簸和振动，降低对钢筋模块的影响，见图8。

4.3 钢筋模块安装定位

为了实现“三维模型”模拟的工况，钢筋模块安装时，需要从桩基开始，依据不同构件的特点进行精确的定位和临时固定，而其中最关键的就是桩基钢筋笼的定位和固定。

图8 墩柱钢筋模块吊运

首先在桩基开钻前，就应做好护筒的固定，成孔过程中注意垂直度的控制，在最后一节钢筋笼下放时，于搁置梁上测放出四个钢筋笼吊筋的点位后（注意相对转角），再采用直螺纹套筒接头的吊筋，固定好钢筋笼。灌桩时控制浇筑速度，并做好钢筋笼后续的定位保护。

保证桩基钢筋笼定位后，随后的承台、墩柱、盖梁的钢筋模块安装，方可按计划落位。每个部位的钢筋笼落位后，均进行测量复合，并采用焊接、缆索、支撑等方式进行临时固定。

此外，本工程承台、墩柱、盖梁等构件均采用定型钢模板，除了保证构件浇筑外观质量外，还能通过保护层垫块，利用钢模板的自身刚度，起到临时固定钢筋笼的作用，见图9。

图9 盖梁钢筋模块安装

5 建议与要点

根据BIM技术在高湾特大桥工程“钢筋模块化”中的实践经验，主要归纳出以下几个建议：

（1）根据钢筋模块制作及安装的实际情况，其施工精度基本在±5 m m的级别，因此在BIM建模优化布筋时，可按1 cm为数量级进行调整定位。

（2）建模优化布筋时，应与参建各方进行充分的沟通，对于需要进行较大调整的，或调整难度较大的，可直接通过设计变更的形式进行简化。

（3）对于优化调整后的布筋情况，应进行全面地交底，让质检员、班组长、作业工人均清楚钢筋模块的布筋要求，保证技术方案的落实。

（4）要实现BIM技术模拟的效果，最关键的还是实际制作安装精度的控制，因此要重视“定尺胎架、滚焊机、数控机具”等设备的维护保养，以及操作人员的技艺水平。

（5）若前一构件的钢筋模块安装存在偏差，应根据实际情况进行回调，下一钢筋模块可采用预留出个别钢筋不进行固定，在安装过程中再灵活调整的方式，以保证整体安装的顺利。

6 结语

高湾特大桥工程采用BIM技术辅助“钢筋模块化”工艺，加工了近10 000 t钢筋，生产了桩基钢筋笼1 500节、承台钢筋笼128个、墩柱钢筋笼128个、盖梁钢筋笼48个。桥梁结构施工基本顺利，工程质量良好。

“建筑工业化”是我国建筑业的发展方向，今后将它通过“标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理和智能应用”的方式，改变传统建筑业的生产方式。

“建筑用成型钢筋制品加工及配运技术”以及“钢筋模块化”作为体现“建筑工业化”的一方面，也将成为今后的发展趋势。本工程通过灵活利用BIM技术，优化布筋，保证的施工现场钢筋模块安装的便利性，真正地发挥“钢筋模块化”的优点，为工程质量、安全、进度，提供了有力的保障。