基于SLP 方法与BIM 技术的马鞍制梁场布局探究

张 磊

(中铁十八局集团第二工程有限公司,河北唐山 064099)

随着我国高速铁路网的逐渐完善,高速铁路桥梁的数量也在不断增加。截至2019 年年底,国内高速铁路运营里程超过35 000 km,其中一万多座的高速铁路桥梁总长约为16 000 km,占运营里程的45.7%[1]。在修建桥梁的过程中,预制梁是关系到桥梁质量、施工进度和工程成本的重要构件,因此需要重点关注预制梁的生产过程。

制梁场是预制梁的生产加工场地,为了满足场地平面布置需求,须对制梁场进行科学合理的规划。目前常用的场地布置方法较为主观,大多在实践经验的基础上,根据各种设计手册自主拟定或参照类似场地,在实际运用中部分场地布置方法缺乏定量分析与科学依据。

因此,本项目引入SLP 方法对马鞍制梁场各个功能区之间的关系进行研究分析,并结合BIM 技术,在设计阶段进行方案优化,达到降低工程成本、减少安全隐患的目的。同时为制梁场的布置提供科学依据,从而优化布局效果。

1 SLP 方法与BIM 技术概述

1.1 SLP 方法

SLP 方法是由美国人理查德·缪瑟(Richard Muther)在实际工作中结合理论基础与布局设计经验提出的一个系统、完整的施工场地总平面图布置流程方法。

SLP 方法条理清晰、逻辑性强,可分析场地中各功能区之间的物流关系和非物流关系,并经过对比评价后得到合理的场地布置形式。该方法最早被应用于布置工厂场地,现已被广泛应用于生产制造领域。

1.2 BIM 技术

BIM 即建筑信息模型,是对建筑进行信息化、数字化的集成应用[2]。通过对BIM 三维技术进行施工技术交底,并模拟重要施工过程,能确保施工安全、顺利、有序地进行[3]。对SLP 方法得到的方案进行BIM 建模,检查场地应用是否合理,并对不同专业的相关建筑信息进行汇总,这有利于不同部门之间的协同工作。

1.3 SLP 方法实施步骤

主要通过以下步骤实施SLP 方法。

(1) 收集和准备原始资料。SLP 方法有5 个要素:R(生产路线)、T(时间安排)、Q(产量)、S(辅助部门)、P(产品)。利用原始资料对作业单位进行功能区划分,通过分解和合并各作业单位,得到合理的功能分区结果[4]。

(2) 分析各功能区之间的相互关系。相互关系包括物流关系、非物流关系,以及综合考虑两种关系后使用加权法求得的综合关系。

(3) 绘制功能区相互关系图。利用加权得到的综合关系图绘制各功能区之间的位置相关图[5]。

(4) 计算各功能区的占地面积,结合场地实际情况,绘制面积相关图,得到多个可行方案。

(5) 方案评价与决策。使用合理的评价方法对可行方案进行单独评价和联合对比,然后利用BIM 软件建立模型,消除功能区之间的碰撞和交叉,确定方案实施计划。

2 SLP 方法模型构建与工程应用

2.1 工程概况

马鞍制梁场工程场地位于四川省南充市仪陇县马鞍镇钢铁村,汉巴南高速铁路DK96+920～DK97+220 线路前进方向右侧。场地地形呈中间低、四周高态势,整体共占地约9.2×104m2。经勘探,场地土层由上至下分别为第四系人工耕植土层、第四系全新统坡残积粉质黏土层、下伏侏罗系上统遂宁组砂岩层。

该制梁场承担包括土寨沟大桥、曾家沟大桥等在内的共35 座桥梁的405 榀箱梁预制任务,其供应线路范围为DK82+270～DK134+193,该范围含跨度31.5 m 的双线箱梁345 榀、跨度23.5 m 的双线箱梁43 榀、跨度31.5 m 的单线箱梁12 榀、跨度24.5 m的单线箱梁5 榀,生产时间共计350 d。马鞍制梁场位于马鞍高速路路口,该线所经区域公路网发达,沿线分布多条高速公路干线。

2.2 SLP 方法在制梁场中的应用

2.2.1 作业需求

根据施工现场平面布置的总体特点,对铁路施工中的制梁场情况进行综合研究和分类,提出铁路建设施工中制梁场的总体作业主要有以下3 个方面[6]。

(1) 建筑构件生产作业。其主要包括箱梁制作、箱梁存放以及箱梁装车作业。

(2) 辅助建筑构件生产作业。其主要包括建筑材料的存放以及混凝土拌制、运输和试验检测,同时还包括部分零构件(如钢构件、钢绞线等)的存储以及化石燃料的燃烧等内容。

(3) 施工管理人员生产生活配套作业。

2.2.2 制梁场工程概况及功能区划分

根据制梁场的作业需求分析,本项目共划分为9 个功能区:存梁区、制梁区、钢筋加工存放区、砂石料区、混凝土搅拌区、仓库、办公室、实验室以及生活区。此外,本应包含在功能区内的场内运输道路发挥着连接各功能区的作用,与其他功能区之间不存在物流关系或非物流关系,因此不对场内运输道路进行后续物流关系和非物流关系的分析。

2.2.3 制梁场功能区物流关系分析

在本项目中,制梁场各功能区之间的物流强度等级主要是通过分析不同功能区和作业单位之间的施工工艺联系、建筑要求以及施工生产建筑构配件的物流强度来确定[7]。物流强度等级分别用符号A、E、I、O、U 表示,依次代表的强度值为4、3、2、1、0,物流强度等级如表1 所示。

表1 物流强度等级

物流强度等级由专家评定并结合现场工程实际情况最终确定。以制梁区和钢筋加工存放区之间的物流关系为例,分析其物流强度等级。由于钢筋是预制梁的原材料之一,钢筋加工存放区和制梁区之间的联系非常密切。从施工成本及运输安全的角度考虑,制梁区和钢筋加工存放区之间的距离越近,搬运成本和安全风险就越低,所以这两个功能区之间的物流强度超高,用强度等级符号A 表示。根据物流强度等级对制梁场各功能区的物流关系进行绘制,各功能区物流关系如图1 所示。

图1 各功能区物流关系

2.2.4 制梁场功能区非物流关系分析

在不同功能区之间除物流关系以外,还存在非物流关系,本项目主要从各功能区的人员交流、环境噪声、质量安全、构件流动等方面分析它们之间的非物流关系等级,功能区密切程度主要影响因素如表2 所示。非物流强度等级同样用符号A、E、I、O、U 表示,依次代表的强度值为4、3、2、1、0,非物流关系等级如表3 所示。

表2 功能区密切程度主要影响因素

表3 非物流关系等级

非物流关系等级同样由专家评定并结合现场工程实际情况最终确定。以办公室和制梁区之间的非物流关系为例,两个功能区之间的人员交流和构件流动关系密切程度虽然较低,但为保证工程进度和施工安全,它们之间的非物流关系为密切,用等级符号Ⅰ表示。各功能区非物流关系如图2 所示,图中非物流关系等级符号右侧的数字表示对应的主要影响因素编号。

图2 各功能区非物流关系

2.2.5 制梁场功能区综合关系分析

通过对功能区之间的物流关系和非物流关系的调研分析,得出在施工现场布局时,物流关系对工程的实际影响程度稍大于非物流关系对工程的影响程度,因此在进行各功能区综合关系分析时,取物流强度和非物流强度的权重比例为1.5 ∶1。功能区综合关系计算如表4 所示,各功能区综合关系如图3 所示。

图3 各功能区综合关系

表4 功能区综合关系计算

2.2.6 位置相关图绘制

根据制梁场各功能区的相互关系进行分析,在不考虑制梁场各功能区的面积影响因素及布局方式等限制条件下,两个功能区之间的关系等级越高,表示相关单位之间的联系越紧密,功能区位置相关图如图4 所示,功能区序号之间的连接线越多表示关系等级越高。

图4 功能区位置相关图

2.2.7 布局方案设计

结合功能区位置相关图,综合考虑制梁场的地形结构限制及不同作业单位之间工作性质的影响(如干湿作业区须分离),得出两种制梁场场地布置方案,方案1 平面布置如图5 所示,方案2 平面布置如图6 所示。

图5 方案1 平面布置

图6 方案2 平面布置

2.2.8 制梁场功能区布局方案确定

1) 加权要素分析法

在使用加权要素分析法判定最优方案时,首先要对制梁场的若干重要指标进行判断识别,影响施工进度方面的主要指标有建筑材料及构配件的搬运、施工工艺流程;影响项目成本方面的主要指标有管理便利程度;影响项目安全方面的主要指标有安全管理与污染处理。

综合确定评价指标后,采用专家打分法对制梁场布局评价指标进行打分,赋予每一个评价指标相应权重,越重要的指标分数越高。

2) 布局方案评比

方案评比计算如表5 所示。

表5 方案评比计算

对布局方案进行评比,方案1 得分更高。方案1 的材料搬运路径避开了生活区,有效减少安全隐患,材料运输路径更短,并且可避免二次搬运,运输更加方便,运输成本可降低9%,因此方案1 的布置更好。

3 BIM 技术在制梁场中的应用

BIM 技术与SLP 方法的结合应用,既可以有效解决SLP 方法只能得到二维布局且不能验证空间布置是否存在三维空间下碰撞冲突的问题,又可以在得到最优场地布局方案之后将原有的二维图纸转换为三维模型,通过BIM 三维模型提高施工现场的三维可视化管理能力[8],还可使项目各方都清晰了解制梁场布局,加强各方沟通与联动。同时,可提高施工现场平面布置设计的效率,合理布局,避免施工现场出现二次搬运及运输碰撞问题,有效降低工程成本并减少安全隐患。

3.1 参数化模型族库的建立

根据分析得到合理的制梁场布局方案,利用BIM 技术对场内各功能区的构件进行参数化建模,使模型可以根据项目需求进行参数修改,减少因设计变更等引起的重复建模问题。在模型尺寸发生变化时,只需要对族库中对应模型文件的参数修改,并重新载入制梁场的场布模型中,即可更新模型信息。

3.2 制梁场场地布置模型的建立

根据施工组织要求确定各功能区的面积大小,结合场地布置原则及标准将族库中的模型布置到制梁场场地内。以制梁区为例阐述模型布置面积的确定:以最大需求值作为本项目应具有的最大产量,从而得到所需制梁台的数量,之后计算制梁台所占场地面积,并考虑在生产施工过程中工作人员所需要的工作面积和制梁区与相邻功能区的位置关系,最终进行制梁区的面积计算和模型布置。存梁区、钢筋加工存放区等功能区布置方法也可由此得出。场地布置方案如图7 所示。

图7 场地布置方案

3.3 碰撞检查

制梁场的碰撞检查区别于普通工程项目检查,在制梁场中不仅会出现场内机电管线碰撞冲突,还可能因提梁机起吊等不同工作内容之间构件的碰撞引发安全问题。

通过BIM 技术可实现机电管线的碰撞检查,在发现管线冲突后可实现快速定位,对冲突的管线进行优化调整,使用Navisworks 软件对场内车辆运输、构件起吊等工作进行模拟并观察是否发生碰撞,并可由该软件直接返回到Revit 模型中,对构件位置进行调整。通过BIM 技术能有效地在设计阶段减少安全隐患并降低返工次数,为项目施工提供便利。

4 结语

结合SLP 方法与BIM 技术对马鞍制梁场的场地布局进行合理规划,通过量化不同功能区之间的紧密程度及加权要素的方法确定布局方案,再结合BIM 技术明确功能区的面积以及临时设施、施工机械的位置等,并实现三维可视化管理。SLP 方法与BIM 技术在制梁场的场地布置综合应用中的优势如下。

(1) SLP 方法可以弥补BIM 技术无法确定布局方案、只能在设计阶段进行翻模的缺陷,通过SLP方法确定各功能区的相对位置后,可以直接使用BIM 技术进行模型布置,使BIM 技术在设计阶段得到充分应用。

(2) BIM 技术可以弥补SLP 方法二维布置上的不足,通过BIM 技术可以明确制梁场中各施工机械在三维空间上是否存在交叉碰撞的现象。

实例证明,SLP 方法和BIM 技术的应用为制梁场的场地布置提供了科学、合理的参考依据,保证了预制梁的生产安全,提高了生产效率,可为类似制梁场场地布置提供借鉴。