山岭地区高速公路桥头路基预制梁场优化布置

中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司，湖北 宜昌 443000

山区高速公路一般地处高山深谷，依山区山势而建。在建设过程中，由于交通运输不便，而沿线的大中小桥梁较多，受山区地形条件限制，预制梁场多设置在桥头路基上。桥梁工程中，预制梁场合理的布置和科学的规划对保证桥梁工程进度、控制成本、消除安全隐患有着非常重要的意义。山岭地区高速公路预制梁场布置优化技术，是针对狭窄的桥头路基上的预制梁场，结合静态与动态、定性与定量的优化布置方法，综合考虑建设投资费用、施工进度需求、整体性因素、空间因素、流动性因素和安全因素等，在相对狭窄的地形、地势条件下，对基于经验条件下的预制梁场布置进行优化，不仅减少了施工成本、满足施工进度需要，还便于施工管理、降低安全风险，可为同类型项目提供借鉴。

1 山岭地区高速公路桥头路基预制梁场布置

桥头路基的预制梁场通常采用长宽比较大的单列布置方式，根据现场实际情况，既需要从建设投资费用、施工进度需求、整体性因素、空间因素、流动性因素和安全因素等方面对局部进行适当调整，也需要增加或减少部分区域。

桥头路基的预制梁场具体的布置如下：（1）预制梁场场地设置在桥位区桥头路基或桥尾路基。（2）预制T梁所需的混凝土自混凝土搅拌站（预制梁场外）经运输罐车运至预制梁场。（3）预制梁场的区域设置包括从远离所述桥位区到靠近所述桥位区依次设置预制区、存梁区、架桥机安装区，还包括运输通道、龙门吊、生活区、钢筋制作区。（4）预制梁场的区域设置还包括以下内容：生活区、钢筋制作区设置在路基外场地；运输通道可设置于预制梁场中间位置，也可设置于预制梁场侧边位置；运输通道沿架桥方向穿过预制区、存梁区；预制区、存梁区均匀分布在运输通道两侧；架桥机安装区设置在存梁区与桥位区之间。（5）预制梁场布置中生活区、钢筋制作区根据现场情况可设置在路基外场地，可避免龙门吊运转、运输通道行车过程中的人员伤亡；如果地形狭窄且路基旁边地势陡峭，钢筋制作区也可布置在路基上，布置在近制梁区旁边，远离存梁区。（6）架桥机安装区设置于存梁区与桥位区之间，极大地减少了将存梁区的预制梁体运输吊装至施工地点的距离。在以上预制场布置时，还需要综合考虑动态的施工工序与进度计划安排。

2 桥头路基预制梁场优化布置

2.1 需求不均衡条件下的预制梁场制梁台座定量优化计算

确定预制梁场制梁台座数量的传统计算方法假定预制T梁需求是均衡的，因此这种传统计算方法仅适用于预制T梁需求均衡的情况，而这种情况在实际生产与施工过程中是不可能存在的，可见传统计算方法计算结果不够精确。

需求不均衡条件下的预制梁场制梁台座定量优化问题描述如下：预制梁场制梁任务总数量为D，架梁总工期为T，共分为n次架梁过程，其中第i次架梁所需预制T梁的数量为di，而第i次架梁和第（i-1）次架梁的时间间隔为ti；设单独一片预制T梁整个施工工序需要的时间，即制梁周期为T1，模板的周转周期为T2，进而合理地确定预制制梁台座规模数量和模板数量。

该问题还具有如下特点：（1）n次架梁过程可以看作n个阶段的生产工程，第i次架梁的预制T梁数量就是第i阶段的T梁需求量，第i阶段的总工期为ti；（2）第i阶段的预制T梁需求量di可以是在第i阶段生产所得，也可以是在第1～（i-1）阶段内的任意时间生产所得；（3）第i阶段生产产出成品梁的数量不仅来自第i阶段的生产数量，还可能来自第（i-1）阶段的成品梁剩余数量。

需求不均衡条件下的预制梁场制梁台座定量优化计算就是基于上述问题的分析，从第1阶段到第k阶段（1≤k≤n），分阶段建立预制T梁总需求数量、阶段的需求数量、成品梁需求率、最大需求率、单位预制台座的周转次数以及生产数量和生产天数的数学模型，通过迭代的方式求得最优解，该结果即为需求不均衡条件下的预制梁场制梁台座数量。

2.2 基于BIM技术的动态模拟优化布置

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行三维建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。BIM技术可以三维建筑模型为基础进行项目规划、设计、施工和运营管理，形象直观地展示项目的设计效果、模拟施工过程，进行可视化指导施工等，项目设计、施工、运营均在可视化状态下进行，提高了工程效率和质量。

基于BIM技术的可视化与模拟性，在确定制梁、存梁台座规模数量的前提下，依据传统的平面布置通过对建立的山岭高速公路预制梁场的静态三维模型以及不同施工状态时的动态三维模型进行动态建模、模拟，优化调整以获得山岭地区高速公路桥头路基预制梁场最优场地布置。

首先，根据预制梁场各个功能区域的施工工序，确定各个功能区域，包括功能区域内的各个构件，处于不同施工状态时的施工作业对空间的影响范围，即确定对功能区域或者构件周围水平、竖直空间的影响距离，并通过给模型赋予一定的形式表征影响范围。需要说明的是，表征影响范围的一定形式，就是在功能区域或者构件的外围空间距离内设置一种固定材质的框架来表征三维模型的影响范围。然后，通过直观可视化的方式，利用BIM技术的碰撞检查功能，针对不同施工状态时的动态三维模型进行模拟，核对检查预制梁场各个功能区域，包括功能区域内各个构件的三维模型之间的交切情况，即三维模型体之间是否存在重叠区域或接触距离超过限制值。通过动态调整各个功能区域，包括功能区域内各个构件的三维模型属性参数，修改三维模型之间的水平、竖直距离，针对调整后的三维模型重新进行交切模拟，达到三维模型不再存在交切情况的目标。最后，获取预制梁场的最优场地布置，利用BIM技术建立三维模型。

基于BIM技术的动态模拟优化布置考虑动态的施工工艺与施工区域的影响，很好地满足了山岭高速公路预制梁场的合理布置需求，减少了临建返工率，极大地提高了施工效率，节省了费用，充分考虑了施工状态下的工序干扰与区域干扰，显著降低了施工安全风险。

3 实例应用

巴通万高速公路地处四川盆地北东缘大巴山区，属于典型的山岭地区高速公路。某一预制梁场的预制T梁任务总数为485片，制梁总工期为260d，分6次架梁，需求不均衡条件下的某预制场架梁安排见表1。

表1 需求不均衡条件下的某预制场架梁安排表

已知单片T梁整个施工工序需要的时间为10d，模板的周转周期为1d。在满足桥梁工程建设进度、施工质量的前提下，分别通过传统计算方法和需求不均衡条件下的预制梁场制梁台座定量优化计算方法的计算结果对比如下：传统算法、优化算法计算的制梁台座数量分别为30座、20座，模板数量均为3套，总生产能力分别为780片、500片，剩余生产能力分别为295片、15片。由此可知，优化算法节约制梁台座10座，不仅减少了制梁台座的建设费用，还节省了预制梁区的占地面积，从而为预制梁场的设计和生产创造了更有利的条件。根据现场实际情况，基于BIM技术的动态模拟优化布置结果，布置预制梁场制梁台座20座，分5行4列布置，横向间距为3.8m，纵向间距为5m；布置存梁台座为40座，分8行4列布置，纵向间距为5m；运输通道设置在中间，宽度为5m，制梁台座和存梁台座沿道路两侧布置；生活区、钢筋制作区布置在路基外，紧邻制梁区；布置4台龙门吊；混凝土采用罐车通过混凝土拌和站运输至预制梁场。

4 结论

（1）山岭地区高速公路桥头路基预制梁场采用需求不均衡条件下的预制梁场制梁台座定量优化算法，综合考虑了预制梁场主要因素，分阶段构建了数学模型，迭代求解最优解确定了制梁台座规模数量，相较传统算法，结果更加精确且更符合实际情况。（2）基于BIM技术的动态模拟优化布置，在传统平面布置的前提下，考虑动态的施工工艺与施工区域的影响，减少了返工率，提高了施工效率，节省了费用，充分考虑了施工状态下的工序干扰与区域干扰，极大地降低了施工安全风险。（3）山岭地区高速公路桥头路基预制梁场优化布置技术在巴通万高速公路预制梁场布置中获得了较好的应用效果，结合静态与动态、定性与定量的优化布置方法确定最优布置，并依据BIM技术建立了三维可视化模型，可供后续同类型项目参考。