张 玮
上海浦兴路桥建设工程有限公司 上海 201206
上海市济阳路快速化改建工程全线采用预制拼装工艺施工,相对于现浇施工而言,不仅节约了工期,提高了施工质量,也大大减少了施工对周边交通的影响,该工艺非常适合用于城市中心区域复杂工况下的施工。
济阳路快速化改建工程道路断面形式为“主线高架+地面辅路”,工程内容包括主线高架、新建匝道、老桥拆除、顶升改建、地面道路、排水工程等。本项目包括下部结构在内,全线采用预制拼装工艺施工,最大预制构件质量240 t,预制构件施工工艺精度要求控制在±2 mm[1]范围内。由于构件体型大、质量大,在生产、运输、吊装每个环节都需要确保施工准确无误,施工难度非常大。
利用BIM技术进行建模、碰撞检查,避免构件生产返工所导致的损失。预制构件厂内利用预制构件数字化信息管理系统,实现预制构件线上管理、数字化生产。现场使用机器人自动测量放样,并指导校准预制构件安装位置。最后利用三维激光扫描仪对工程结构进行实体扫描,获取空间实体点云模型,并将其与三维BIM模型进行比对,验证立柱吊装精度。通过BIM建模、虚拟试拼、数字化加工、机器人自动测量、吊装后三维扫描验证,通过预制构件施工事前、事中、事后三管齐下的模式,能有效提高预制构件生产质量,提高现场安装精度。
BIM建模碰撞检查→三维拼装→预制构件生产→预制构件吊装→三维扫描复核验收
2.3.1 BIM建模范围
本项目BIM建模范围包括承台、承台预埋插筋笼、预制立柱、预埋灌浆套筒、立柱钢筋、立柱钢模板及其他施工辅助设施等。
2.3.2 碰撞检查
1)对预制立柱、承台连接部位进行重点检查,主要检查承台预留钢筋与立柱灌浆套管之间是否碰撞、立柱主筋与灌浆套管是否冲突、承台预留插筋笼与承台钢筋是否匹配。项目一阶段施工过程中,预制盖梁立柱拼接部位在BIM模型碰撞检查中发现问题,提前将灌浆套筒型号进行了调整,即将灌浆口位置向下调整3 cm,避免了预埋套筒采购后又无法使用所造成的材料浪费及成本损失。
2)利用BIM模型与周边环境模型进行碰撞检查,主要针对本项目与地下管线,轨道交通6、7、8、11号线,龙耀路隧道,打浦路隧道交叉范围内施工区域进行模拟检测。由于预制构件质量达百吨,对地下构筑物影响大,必须确保施工机具与地下构筑物保持安全警戒距离。以盾构边线两侧各50 m为地铁盾构保护区,沿保护区布设智能监控摄像头,实时监测大型设备活动范围,当大型设备触碰到保护警戒边线时随即发出警示,保证预制构件吊装安全、有序。
3)BIM工程师参与图纸会审,并将碰撞检查问题反馈至设计,进行图纸修正工作。修正过程中,同步进行模型更新工作,并再次进行碰撞检查,直至碰撞全部消除。
2.3.3 三维打印试拼
在本项目中,选取了济阳路高架桥标准节段进行三维高精度打印,预埋件、预留钢筋、预留孔等均按照施工图要求设置,打印得到实体模型后进行模拟试拼,确定拼装无误后,利用模型指导预制构件生产及现场施工。这种可视化、可操作的方式能辅助施工人员更为直观地理解方案内容,提前解决图纸问题,减少预制构件生产返工的问题。
2.4.1 预制构件管理系统
利用基于BIM技术的预制构件生产管理系统,进行预制构件协同管理,从构件深化、下订单、生产、仓储、运输、安装等方面实现全面管理,实现数据可追溯及共享调用,提升构件厂质量管理。
2.4.2 预制立柱模板设计与数字化下料
1)钢模板设计。立柱侧模板根据立柱的高差变化及便于模板装拆的原则,进行分片分段制造。侧模由圆弧段和直线段两部分组成。侧模钢模面板由厚10 mm钢板组成,背部法兰连接板及圆弧筋板均为厚20 mm钢板,横向骨架为16#双拼槽钢,竖向骨架为16#工字钢。接缝高低差为零,顺直度允许偏差为±1 mm,平整度允许偏差为±1 mm。立柱底座:底模上面板和下底板均为厚20 mm钢板,筋板为厚12 mm钢板。拉杆分为横向和竖向2种规格,一组拉杆由1根φ25 mm精轧螺纹钢及2个精轧螺母组成。钢模板采用龙门吊在地面专用台架上进行拼装,每块钢模与钢模的拼缝之间垫厚5 mm的海绵条,以防漏浆。拼装好的钢模板与预埋底座通过螺栓进行紧固,确保立柱的施工安全。拼装完成后通过专用翻转架进行翻转。
2)针对预制立柱钢模板进行BIM三维设计,利用BIM模型导出每块钢板的尺寸信息,转换形成数控文件后导入数控生产设备进行立柱钢模板数字化下料。采用数字化方式,利用BIM物料清单智能输出套料图,替代人工排版,提高钢材使用率,也有效避免了因人工下料时的误差所导致的尺寸不准、质量不达标等问题,在减少人工工作量的同时,提高了生产效率 。
2.4.3 立柱吊装施工
1)可视化交底。本项目利用BIM技术对基坑围护结构、承台模板、钢筋定位架、立柱、盖梁、插筋笼以及其他各种预埋件进行了精确建模,并按工序流程在施工前对施工人员进行了三维可视化技术交底,避免了平面图纸表达不清可能导致的施工错误。通过可视化技术交底,提高了交底的质量,使施工现场施工更加规范,进一步提升工程实体施工质量。
2)施工测量。为尽量减少施工测量误差造成的吊装偏位,本项目基于三维BIM模型,快速提取构件的坐标、高程、尺寸等数据,直接用于现场测量、放样、监测等工作。减少过程中的人为干预,保证测量数据来源的唯一性,进而保证测量的精准度,具体步骤如下:在BIM软件中设置放样点,提取其空间坐标,再导入手持式终端,现场使用BIM三维模型数据进行放线作业,放样机器人可以自动捕捉棱镜,指挥机器人发射红外激光自动照准现实点位,然后在激光指示位置进行标记,从而将BIM模型数据精确地反映到施工现场。由于采用自动化测量方式,因此在吊装过程中可进行不间断地连续测量,实现全过程定位控制,相比传统测量方法,BIM放样机器人施工范围更广,可操作性比较强,技术门槛比较低,大大提高了作业效率和精度。
3)预制立柱就位与校正工艺。
① 立柱翻转时,底部铺设橡胶轮胎保护后进行翻身。立柱竖立后,吊机回转至承台位置,使立柱套筒对准承台插筋,将立柱缓缓下落、吊装就位[2]。
② 清理承台顶面,在承台顶面做临时四边形挡浆板,用于铺设垫层砂浆,按立柱的底面面积,各边预留1.5 cm缝隙。在拼接面中心位置下部安放20 cm×20 cm橡胶支座,根据测量标高,橡胶支座上方放置不同厚度的20 cm×20 cm钢板。垫层砂浆搅拌好后倒入挡浆板区域内,人工找平。垫层砂浆的厚度略低于中心垫块高度。
③ 垫层砂浆浇筑完成后,把套筒底部止浆环穿入承台预留钢筋。起吊立柱至承台上方,调整立柱方位,使得立柱底面的套筒孔口与承台顶面预埋钢筋一一对齐,结合预先标记的控制轴线缓慢下放立柱就位。立柱吊装就位完成后,测量上口平面坐标,如允许误差值超出设计及规范要求,则采用千斤顶对立柱垂直度进行微调,确保立柱上口平面坐标精度要求。
④ 相对位置调整到位,缓慢下放立柱后,方可连接套筒灌浆。灌浆前应采用空压机对灌浆孔进行清孔,灌浆时从底部注浆口进行压浆,直到顶部出浆口冒出浆液为止。灌浆后应及时对灌浆设备进行清洗,再移动至下一工作面进行灌浆。当检验的灌浆料1 d强度大于35 MPa后,可拆卸校正千斤顶,拆除挡浆模板及其他临时设施,至此立柱安装完毕[3]。
2.4.4 三维扫描复核验收
本项目在施工阶段,通过三维激光扫描技术记录施工现场的信息,并生成高架桥点云模型。利用该点云模型和三维BIM模型进行对比查看和拟合。对比数据如超出阈值,系统会自动生成检测报告,及时发现问题并指导进行纠偏,减少质量问题和后期的返工。
通过对本项目多根立柱进行三维扫描复测、数据对比分析,由实验数据得出立柱及承台施工误差值均控制在±2 mm以内,符合施工标准要求。
另外,本项目在施工期间每间隔一段时间对高架桥进行扫描,通过前后2次扫描对比能够判断桥梁的沉降、变形是否在合理范围内。通过这种方式,对比传统的测量方式(水准仪、全站仪、GPS等)或预埋传感器等方式去检测桥梁使用状态,可快速、准确地反映出高架桥总体变形趋势和局部变形情况,为高架桥全生命周期使用和养护提供更多的数据支持。
随着城市的发展和施工技术的提高,标准化、工厂化的装配式建筑发展也会不断扩大,采用上述安装方法辅助预制拼装施工,可以为项目施工提供更精确的数据信息,确保预制构件安装精度达到标准要求。
本文主要介绍的是预制装配式高架桥下部结构精准安装方法,上部结构施工同样也可以参考本方法进行,本项目将会在后续施工过程中不断优化该安装方法,深入研究BIM技术在市政工程施工中的应用,为更多项目提供参考经验。