BIM技术在新白沙沱长江特大桥钢梁架设中的应用

刘宏刚，张海华，甘一鸣

（中铁大桥局集团有限公司，湖北 武汉 430050）

1 概述

1.1 项目背景

渝黔铁路新白沙沱长江特大桥（简称新白沙沱大桥）北部位于重庆市大渡口区跳磴镇，南跨长江进入重庆市江津区珞璜镇（见图1），是渝黔铁路客运线和货运线引入重庆枢纽的重要过江通道，也是远期渝湘铁路的预留过江通道。1960年竣工的渝黔铁路既有白沙沱长江大桥，由于运力不足、原设计通航水位较低等原因，将于新白沙沱大桥建成后拆除。

新白沙沱大桥建成通车后，重庆—贵阳客运列车平均运行时间将由10 h缩短至2 h以内，成为重庆—贵阳高效便捷的铁路通道，并与兰渝、贵广铁路实现联网互通，对促进西南、西北地区经贸发展与人文交流具有重要意义。

1.2 工程概况

新白沙沱大桥全长5 320.334 m，其中6线合建部分2 098.780 m。主桥孔跨布置为（81+162+432+162+81）m，设计为双塔双索面6线铁路钢桁梁斜拉桥（见图2），是世界首座采用双层桥面布置的铁路斜拉桥（见图3），其中上层为4线铁路客运专线，包括渝黔铁路双线及预留渝湘铁路双线，设计速度200 km/h；下层为渝黔铁路货运双线，设计速度120 km/h。大桥主梁采用N形桁架，桁宽24.5 m、高15.2 m，节间长度13.5 m[1]。

图1 新白沙沱大桥地理位置与线路走向

图2 新白沙沱大桥效果图

图3 新白沙沱大桥主梁双层桥面布置方案

作为渝黔铁路控制性工程，新白沙沱大桥是目前世界上跨度最大、荷载最大的铁路斜拉桥，也是中国铁路总公司批准立项的我国高速铁路建设中首批采用BIM技术进行设计和施工的特大型铁路桥梁试点项目之一。

2 施工方案

2.1 施工环境

新白沙沱大桥桥址区先后跨越重庆侧构造剥蚀丘陵地貌区、河流侵蚀地貌区、河流堆积地貌区（长江阶地）和贵阳侧构造剥蚀浅丘地貌区，地面高程180～270 m，相对高差约90 m，地形起伏较大，居民住宅和工厂等建筑物密集。贵阳侧主塔墩3#墩位于长江中心，桥下河段通航繁忙，且处于“长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区”的缓冲区，对环保要求较高。大桥多处跨越既有公路或铁路运输干线，其中重庆侧主塔墩2#墩边跨钢梁跨越3条既有线（见图4）。由于在施工过程中限制条件较多、地形复杂、交通不便，现场施工组织和管理难度较大。

2.2 施工方案

为满足环保要求，减少对长江水体及河床的扰动破坏和污染，主桥基础钻孔桩施工采用KTY及KPG系列大扭矩液压动力头旋转钻机[2]，配置泥浆分离器、泥浆运输船等设备对泥浆进行循环利用和环保处理。承台施工采用特大型双壁钢围堰进行封底止水和支撑围护，塔柱施工采用成熟的液压爬模及混凝土垂直泵送浇筑技术。

钢梁架设是施工难点，尽管采用了整体节点等先进设计和加工技术，全桥钢梁吊装次数仍多达1 428次，考虑钢梁上岸、存放等施工过程中的转运，钢梁累计吊装次数达7 140次。吊装构件最大平面尺寸13.5 m×11.0 m，质量为70 t。钢桁梁结构复杂，工地连接为高强螺栓和焊接并用，制造及安装精度要求较高，架设难度大。经反复研究比选，确定水路运输、码头吊机及浮吊配合运梁台车转运、专用提升站及全回转架梁吊机散拼安装的方案，并修建相应码头、栈桥、存梁平台等临时设施。

图4 重庆侧边跨钢梁施工场地

2.3 风险控制

由于施工环境复杂，施工过程中存在大量安全风险问题，既要保障长江航运和既有线运营安全，又要保证大桥的施工安全和工期目标，为对大桥施工安全风险进行系统的分析、识别、评价和有效控制，项目组开展专项研究，提出包括项目建设规模、气候环境、水文地质、地形地貌、桥位特征及施工工艺成熟度等桥梁整体风险评价指标，根据专家评价结果采取相应风险控制技术[3-4]，如受既有线影响的施工便线的安全控制技术，包括临近既有线的爆破施工检查与安全防护、合理拟定施工便线过渡段施工方案及临近营业线路结构施工安全风险评估等[5]。

3 BIM实施

新白沙沱大桥地处艰险山区和长江天堑，环境复杂、施工场地受限，跨多条既有线，安全问题突出，每次要点时间仅2 h、工序紧凑，，要采用BIM技术能够对每步工序详细模拟，检验其可行性、安全性，以便科学制定工序流程和作业组织方式，确保施工过程安全、高效。

本期可使用资金，包括考核期内存在于小额贷款公司的自有注册资金、增资和融入资金，融入资金包括再贷款融资金额、发行可转债融资金额等。

3.1 应用方向与应用点

为充分发挥BIM技术优势，研究团队将技术难度最大、施工风险最高的重庆侧边跨钢梁架设方案研究及实施过程控制作为BIM技术应用重点，以保证钢梁架设的安全、质量、效率、成本、环保等施工目标。重庆侧边跨钢梁架设施工具体BIM应用点见图5。

在图5所示的BIM应用点中，对主体结构设计模型处理主要指将设计院提供的成桥状态BIM模型按确定的施工方案进行必要的分节、分段或构件编组，并赋予时间及状态属性，使其能在后续应用中按不同工况模拟并呈现施工过程及状态，属于施工阶段BIM应用的前处理工作。

3.2 资源配置

3.2.1 人员配置

BIM研究团队由中铁大桥局集团有限公司BIM小组、设计事业部及项目部等技术骨干人员组成，并分为策划组、设计组、实施组，其具体分工为：

（1）策划组。负责BIM技术应用的策划、督导、效果评估及应用价值研究；

（2）设计组。采用BIM技术进行施工方案研究、计算分析、过程模拟、成果管理等；

（3）实施组。负责方案实施、技术协调、监测监控及问题反馈等。

3.2.2 软件配置

为与设计模型对接，采用Dassault V5系列BIM软件，软件配置见表1。

3.2.3 硬件配置

Catia等软件对运行环境的要求较高，硬件配置见表2。

图5 重庆侧边跨钢梁架设施工BIM应用点

表1 BIM软件配置

表2 BIM硬件配置

3.3 初步方案

重庆侧边跨钢梁跨越3条既有铁路线，且部分钢梁侵入山体，陆上交通不具备进场条件，为解决钢梁运输难题，并保证列车运行和钢梁施工安全，提出在支架上拼装钢梁，采用同步顶推技术完成跨线段钢梁架设的施工方案（见图6），以减少跨线施工时间、降低安全风险[6]。

贵阳侧主塔墩位于长江主河槽内，钢梁架设拟采用对称悬臂拼装的方案，栈桥前端设置1座固定式提升站，在主塔墩施工期间即通过水路运输将钢梁运至主塔墩3#墩旁，由专用提升站将钢梁提升至施工平台上的运输台车，经栈桥运输至预拼场存放，后期钢梁架设时通过栈桥运输至主塔墩钢梁提升站下方，再由架梁吊机提升至桥面进行拼装架设。

3.4 BIM建模与组装

建模是开展BIM技术应用的准备工作之一，由于大桥结构复杂，施工临时设施、设备较多，除对主体结构模型按施工方案要求进行处理外，还需要完成各种临时设施及场地的建模（见图7），利用软件模拟钢梁杆件等材料吊装、运输、存放等过程的空间需求，合理布置场地。BIM团队分工完成各单体模型创建，再利用软件装配功能按照统一的全局坐标系组装为一个整体（见图8）。由于模型精确反映结构尺寸及相对位置，能全面模拟各构件安装过程和干涉情况，消除各种设计缺陷和人为错误，提高了设计质量。

图6 重庆侧边跨钢梁拼装与跨线施工方案总布置图

图7 施工临时设施建模

图8 组装后的大桥主体结构、临时设施及场地布置

设计采用Catia的BOM表功能，快速统计模型中各构件材料数量，提高了统计效率，配合出图功能完成二维图纸设计，且可输出为Excel表格，便于物资部门管理材料，为工程的材料采供和备料提供准确数据（见图9）。

3.5 方案模拟与优化

钢梁架设涉及大量起重作业，作业大多在高空或水上进行，存在较大安全风险，在吊装过程中需考虑吊机站位、吊臂长度与角度、工作幅度、空间关系与安全距离等因素，使用传统平面设计方法往往不够准确、全面。根据设备参数建立的施工机械模型可实现精确控制，通过定义模型的机构运动方式，模拟、验证钢梁吊装方案。

图9 材料统计与报表输出

图10 重庆侧边跨钢梁拼装与跨线顶推施工原始方案模拟

施工过程模拟主要在Delmia仿真平台进行，通过对钢梁各构件和吊装单元赋予时间属性、定义运动轨迹和显示控制，生成连续的生长动画，表达主体结构安装过程。

由于重庆侧边跨钢梁拼装与跨线顶推施工交替进行，施工辅助设计较多、工序复杂，设计人员根据成桥状态下各段钢梁的最终位置推导出该段钢梁的拼装顺序，采用BIM技术对钢梁构件的存放、运输、吊装，吊机的运动轨迹、钢梁的顶推过程等进行全面模拟（见图10）。

在最初的架设方案中，首先在主塔墩3#墩横梁上拼装架梁吊机临时支架，然后拼装额定起重能力为70 t的360°全回转架梁吊机，再利用该吊机拼装首段钢梁，架梁吊机走行至钢梁上，拆除架梁吊机临时支架，再从栈桥上取梁架设其他节间钢梁。

Delmia动态模拟发现，原设计方案中存在诸多影响钢梁架设安全及拼装效率的问题，如架梁吊机在取梁与拼装状态吊机扒杆变幅角度变化过大、起吊过程中架梁吊机扒杆无法旋转过主塔、无法拆除下横梁上的临时支架、360°全回转优势难以发挥、转杆件提升状态与顶推支架之间安全距离过小等问题。经研究讨论，决定对钢梁架设方案修改，并对修改后方案进行重新模拟和优化处理，有效解决了安全隐患、提高了作业效率，并据此制定出详细的作业流程和施工步骤，保证施工方案顺利实施。优化后的主塔墩2#墩边跨钢梁架设方案见图11。

按照同样流程，对贵阳侧主塔墩3#墩钢梁拼装与挂索过程进行模拟，并根据各工况的计算分析和模拟中发现的问题进行优化处理，拼装施工模拟见图12。

3.6 监测监控

为保证施工安全，新白沙沱大桥施工采取多种技术手段，如采用全站仪、传感器、摄像机等设备对钢梁线形、斜拉索应力状态、顶推千斤顶工作状况、人员分布情况等进行监测监控，并根据所处工况与设计时的计算分析数据实时对比，对异常情况及时进行处理，使钢梁架设得以顺利完成。

以索力监测为例，在施工的不同阶段，其索力设计值也不同，需要随工程进展检测出索力的实际值并与设计值对比，发现异常必须及时处理。本项目将拉索索力与杆件应力监测数据与BIM模型集成，将索力传感器监测到的数据传输至BIM应用平台，并通过图形平台实现数据可视化，为桥梁安全管理提供信息支持（见图13）。

4 结束语

新白沙沱大桥体量庞大、结构复杂、所处环境条件较恶劣，施工中面临各种困难与挑战。通过实施BIM技术，对施工过程和方案设计细节进行预先演练和分析，证明了施工方案的可行性，细化了作业流程和技术控制要点，确保了施工安全。特别在跨线顶推施工过程中，必须在要点时间内完成顶推工作，BIM技术在优化施工方案、加强安全控制、提高作业效率等方面发挥了巨大作用。

大桥施工过程中，大量高空和水上作业对所有参建人员都是严重考验，通过可视化交底对技术和劳务人员进行培训，使其充分理解各工序作业内容、技术要点，各自的责任分工、配合方式、安全注意事项等，消除其在工作中的盲目性和恐惧心理，增强其参与意识和责任意识，有效提高工作效率、降低安全风险。

图11 重庆侧边跨钢梁拼装与跨线顶推施工优化后方案模拟

图12 贵阳侧主塔墩3#墩钢梁双悬臂对称拼装施工模拟

图13 索力监测与数据处理

尽管可视化设计与施工只是BIM技术应用的一个方面，但由于紧贴现场需求，仍然取得了较好的效果。与应用同时实施的还有面向施工管理的4D BIM系统[7]，其4D进度模拟及安全、质量、成本管理，物料跟踪等功能也在新白沙沱大桥项目进行了有益的探索。