·90· 福 建 建 筑 2023 年

行對象種類與矩形框位置等預(yù)測。 常見的作法之一,

為特征金字塔 ( Feature Pyramid Network,FPN)。 而

YOLO - v5 則是延伸使用了更為復(fù)雜的 Path Aggregation Network (PANet),充分利用高低階特征,并成功

訓(xùn)練模型。 由于 YOLO - v5 模型能達到實時運算,且辨

識表現(xiàn)也有一定的水平,因此,能為建物損壞檢測提供實

時的辨識成果,輔助檢測人員快速掃描建物的現(xiàn)況。

2. 3 實例分割方法 - Mask R - CNN

[2]

本研究選用 Mask R - CNN 作為實例分割模型。

比起對象偵測,能將目標(biāo)物位置輪廓精確至像素級

別,并區(qū)分同一類別之不同個體。 Mask R - CNN 結(jié)

合對象偵測模型 - Faster R - CNN 和全卷積網(wǎng)絡(luò),在

對象框識別基礎(chǔ)上加入預(yù)測語義屏蔽 (mask) 的網(wǎng)

絡(luò)分支,并修改 Faster R - CNN 池化層,保留圖像上

準(zhǔn)確的空間位置,優(yōu)化影像分割之對象邊緣。 對建物

損壞檢測應(yīng)用來說,Mask R - CNN 因為比 YOLO - v5

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較多,且需要更長的運算時間,所以較難達

到實時辨識。 但是作為影像分割算法,可以提供更為

精確的損壞范圍,仍能提供檢測作后續(xù)的分析。 即現(xiàn)

地檢測結(jié)束后,為確定損壞目標(biāo)邊緣與位置而做二次

影像判別,利用像素級之影像辨識,大幅提升肉眼難

以辨識之損壞確切位置和尺度,尤其是對于裂縫或裂

紋等較細(xì)微且形狀不規(guī)則的損壞。

3 應(yīng)用案例與成果

本研究實作之場域為桃園市小學(xué)之走廊,該場域

可再細(xì)分為五個區(qū)域,如圖 3 所示。 由于該場域校舍

近期經(jīng)粉刷整修,結(jié)構(gòu)表面幾乎未有裂縫裂紋,亦沒

有鋼筋裸露的現(xiàn)象,故整體損壞類別為大量壁癌滲水

和極少量裂縫裂紋。 因此,以下成果將探討壁檢測場

域之癌滲水與極少量裂縫裂紋辨識成果。 本研究使

用 iPhone SE2 相機記錄結(jié)構(gòu)表面損壞,并采固定之拍

攝流程,如圖 4 所示。 首先,以全景或透視視角拍攝

檢測區(qū)域全貌,以便取得圖像映射場域之相對位置。

再次,依建物特性區(qū)分成墻柱與版梁,由下而上、由遠

至近來回拍攝,并使相機平行于受檢測之結(jié)構(gòu)表面,

逐一完整記錄建物表面之影像。 對特定范圍或需加

強檢測之區(qū)域,補強拍攝,紀(jì)錄該位置之損壞,且拍攝

時不需限制,將相機平行于受檢測物表面。 檢測區(qū)域

紀(jì)錄完成后,再將拍攝的影像分別輸入于訓(xùn)練好的

YOLO - v5 作對象偵測,以及 Mask R - CNN,作影像

分割。 本研究在訓(xùn)練模型設(shè)定上,除參考模型開發(fā)之

默認(rèn)值,亦參考網(wǎng)絡(luò)上公開討論之超參數(shù)設(shè)定成果,

并經(jīng)由多次實驗反復(fù)調(diào)整設(shè)定值,訓(xùn)練迭代次數(shù)(epoch)為 300,批次數(shù)量(batch - size)為 16,初始學(xué)習(xí)率

(learning rate)分別為 0. 001,并隨著梯度下降調(diào)整學(xué)

習(xí)率。 另外,為增加模型學(xué)習(xí)效率,本研究利用采遷

移式學(xué)習(xí),利用預(yù)先針對 COCO 公開數(shù)據(jù)訓(xùn)練之成

果,作為預(yù)訓(xùn)練權(quán)重輸入模型中,經(jīng)由微調(diào)可提升模

型,對結(jié)構(gòu)損壞影像的特征提取能力。 而本研究經(jīng)多

次實驗后,采用 YOLOv5 - l,作為模型之預(yù)訓(xùn)練權(quán)重。

由于實驗場域的影像多為壁癌滲水,故僅先考慮 YOLO - v5 所預(yù)測的偵測結(jié)果,并與人工判定損壞之基

準(zhǔn)真相(Ground Truth)做比較,如圖 5 所示,并統(tǒng)計各

個區(qū)域辨識的混淆矩陣(Confusion Matrix),獲得 True

Positive ( TP)、False Positive ( FP) 與 False Negative

(FN)值,利用其比例關(guān)系計算精確率 (Precision)、召

回率 (Recall) 及皮氏分?jǐn)?shù) ( F - score),上述各指標(biāo)

的計算公式如式(1) ~ (3):

Precision =

TP

TP + FP

(1)

Recall =

TP

TP + FN

(2)

F - score = 2 ×

precision × recall

precision + recall

(3)

圖 3 檢測場域分區(qū)示意圖

圖 4 拍攝手法示意圖

圖 5 模型辨識示意圖

2023 年 08 期 總第 302 期 陳宗珷,許筠曼,許舜翔,等·人工智能(AI)在建筑物構(gòu)件損壞辨識中的應(yīng)用研究 ·91·

精確率、召回率與皮式系數(shù)為計算 True Positive

(TP)、False Positive (FP) 與 False Negative (FN) 間

的比例關(guān)系,借此評估其辨識成效。 矩形框為模型預(yù)

測為包含損壞類別之對象框。 若模型預(yù)測之損壞矩

形框內(nèi),若確實有損壞,縱使僅包含其部分范圍,仍視

為成功辨識,歸屬于 TP;若模型預(yù)測之損壞矩形框

內(nèi),并未包含任何損壞,則屬 FP;若人為判定實際含

有損壞的地方,模型未預(yù)測出任何與損壞范圍有交集

的偵測矩形框,即為 FN。 在本研究之實驗中,由于

TN 值不具實驗統(tǒng)計之意義,故不會計算各區(qū)域辨識

之 TN 值。 本研究實驗以各場域影像中的損壞個體為

單位,分別統(tǒng)計 TP 值、FP 值和 FN 值,并將之代入計

算精確率、召回率與皮氏分?jǐn)?shù),以圖 6 為例,綠色框為

識別成功計入 TP 值;紅色框為模型預(yù)測為損壞,實際

卻未有損壞,計入 FP 值;藍色框為實際含有損壞而模

型為預(yù)測,則計入 FN 值。

圖 6 模型識別成果示意圖

圖 7 第四區(qū)檢測成果圖

本研究于五個區(qū)域之辨識總成果整理于表 2。

五個檢測區(qū)域中,第一和第二區(qū)總損壞樣本僅約十多

個,任一個損壞范圍未成功辨識或識別為其他類別,

對各指標(biāo)的影響較大。 由于第三區(qū)至第五區(qū)較接近

另一棟校舍接合處,施工不良且校舍老舊,總損壞樣

本數(shù)遠高于前二區(qū)。 此三個區(qū)域的辨識精確率皆高

于 95% ,第五區(qū)甚至高達 100% ,足以顯示模型已能

精確地識別出壁癌滲水,僅有少數(shù)辨識錯誤。 相較之

下,雖然整體召回率為 79% ,表示已能掌握 8 成的損

壞位置,但仍略遜于精確性的 97% ,代表模型仍有漏

判的情況。 推測原因,為模型尚未完全掌握損壞所有

可能的樣態(tài)。 如本研究之實驗場域的梁柱與墻面皆

有額外粉刷顏色,可能導(dǎo)致部分壁癌滲水于顏色外觀

上,較異于訓(xùn)練模型的數(shù)據(jù)集,以致于模型無法成功

認(rèn)定為損壞。 為應(yīng)用于建物損壞檢測,以實務(wù)人員的

角度,盡量避免漏判的情形發(fā)生,縱使錯誤率較高,也

應(yīng)完整定位所有損壞。 若沒有識別出損壞位置與類

別,將導(dǎo)致后續(xù)低估損壞修繕的需求,或與建物使用

者發(fā)生爭議,降低輔助檢測的效果,如第二區(qū)的檢測

結(jié)果,比起第五區(qū)要來得更為理想,因此,于未來精進

模型辨識能力時,將以提升召回率為優(yōu)先,提升目前

訓(xùn)練數(shù)據(jù)的質(zhì)量與數(shù)量。

本檢測場域整體裂縫裂紋樣本較少,于實例分割

之案例較少,但仍可達到輔助檢測之效果,提供人類

肉眼無法迅速識別之裂縫裂紋位置和形狀,有助于后

續(xù)檢測評估,其辨識成果如圖 8 所示。

表 2 實驗成果總結(jié)

分區(qū) 第一區(qū) 第二區(qū) 第三區(qū) 第四區(qū) 第五區(qū) 總結(jié)

TP 8 8 39 155 50 260

FP 2 4 2 1 0 9

FN 3 1 16 36 15 71

Precision(% ) 80 67 95 99 100 97

Recall(% ) 73 89 71 81 77 79

F - score(% ) 76. 3 76. 4 81. 3 89. 1 87. 0 87. 1

圖 8 裂縫辨識成果圖

·92· 福 建 建 筑 2023 年

4 結(jié)論

本文成功研發(fā)深度學(xué)習(xí)模型,可自動偵測建物安

全鑒定重要項目,其中包括鋼筋外露、壁癌滲水、裂紋

裂縫。 目前人工智能于建物損壞識別,已能夠在特定

檢測目標(biāo)達約 80% 的檢測精度。 所使用研發(fā)工具,包

括具有偵測框之 YOLOv5 模型及具屏蔽之 Mask R -

CNN 模型。 具有偵測框之 YOLOv5 模型可應(yīng)用于辨識

壁癌滲水之耐久性損壞類型,而具屏蔽之 Mask R -

CNN 模型可應(yīng)用于辨識裂縫。 現(xiàn)階段研發(fā)成果與模

型,可輔助工程師在工作現(xiàn)場快速分析耐久性損壞的

位置、損壞類型及損壞數(shù)量,同時亦可作為修繕成本

評估之依據(jù)。 不但能提升工作效率,并能增加耐久性

檢測之質(zhì)量。

人工智能(AI) 應(yīng)用耐久性損壞檢測方面,如需

做到一般民眾或是工程先進可以大量使用的條件,尚

有兩大方向必須持續(xù)研究。 第一個研究方向,是在工

作現(xiàn)場的流程化安排,事先規(guī)劃整體檢測的路徑及正

確的拍攝方式,才是取得相片來源最需要考慮的點,

使得取得的相片來源具有可量測化及消除尺度效應(yīng)。

因此,未來研究方向,是將規(guī)劃整體的鑒定流程及標(biāo)

準(zhǔn)化的照片拍攝與定位工作,例如數(shù)據(jù)的來源是透過

手機連續(xù)的拍攝或者是利用錄像的方式以達到數(shù)據(jù)

收集的目的,并針對某一些比較異常的部分再采用聚

焦的方式記錄與拍攝。 第二個研究方向,是 AI 模型

的辨識優(yōu)化部分,未來研究上還要再加上一些幾何的

信息,以求得較精確的損壞數(shù)量。 例如照相技術(shù)的訓(xùn)

練或是鏡頭的選擇,或是采用比較低階的光學(xué)雷達

(Lidar),將拍攝的照片轉(zhuǎn)換成可以作為量化標(biāo)準(zhǔn)的

一些幾何信息。 除上述兩個未來研究方向之外,更重

要的是建立數(shù)據(jù)的管理與檢視。 未來如果能夠建置

個案的歷史數(shù)據(jù)庫,也可以結(jié)合建筑物長期監(jiān)測及健

康診斷,以觀察這些損害的增長或者觀察補強構(gòu)件的

效果等等。 最后,是結(jié)合后處理應(yīng)用程序(APP),將

每次的鑒定成果匯整成報表,并自動描述損壞的型態(tài)

與數(shù)量。 透過使用云端數(shù)據(jù)庫儲存,整理現(xiàn)有影像數(shù)

據(jù)及案例數(shù)據(jù),再依屬性做數(shù)據(jù)分類,可數(shù)據(jù)使用度

最大化,也可做為專業(yè)檢測人員評估之依據(jù)。 最后,

未來可朝向結(jié)合技師檢測報告書,協(xié)助輸出模型識別

之圖像文件,再由技師檢核現(xiàn)況照片后完成報告書,

讓人工智能模型最大化輔助技師做結(jié)構(gòu)損壞檢測,同

時節(jié)省下寶貴的人力與時間成本。

參 考 文 獻

[1] 新北市建筑物工程施工損壞玲芳鑒定手冊[S]. 2020.

[2] Zou,Z. ,Shi,Z. ,Guo,Y. ,& Ye,J. Object Detection in 20

years:A survey[C]. Proceedings of the IEEE,2023.

[3] He,K. ,Gkioxari,G. ,Dollár,P. ,& Girshick,R. (2017).

Mask R - CNN[C]. Proceedings of the IEEE International

Conference on Computer Vision,2017:2961 - 2969.

[4] Liu YF,Cho SJ,Spencer BF Jr,Fan JS. Automated assessment of cracks on concrete surfaces using adaptive digital

image processing[J]. Smart Struct Syst,2014,14 (4):719

- 41.

[5] Ghanta,S. ,Karp,T. ,& Lee,S. Wavelet Domain Detection

of Rust in Steel Bridge Images[C]. 2011 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing

(ICASSP),2011:1033 - 1036.

[6] Zhang,A. ,Wang,K. C. ,Li,B. ,Yang,E. ,Dai,X. ,Peng,

Y. ,. . . & Chen, C. Automated pixel ‐ level pavement

crack detection on 3D asphalt surfaces using a deep ‐

learning network [ J]. Computer ‐ Aided Civil and Infrastructure Engineering,2017,32(10):805 - 819.

[7] Hoskere V,Narazaki Y,Hoang TA,Spencer BF Jr. Vision -

based structural inspection using multiscale deep convolutional neural networks[C]. Proceedings of the 3rd Huixian

International Forum on Earthquake Engineering for Young

Researchers;USA;2017.

[8] Sadreddini,Z. ,?avdar,T. ,& Jond,H. B. A distance measurement method using single camera for indoor environments

[C]. 2016 39th International Conference on Telecommunications and Signal Processing (TSP),2016:462 - 465.

[9] Pang,Y. ,Zhao,Y. ,Chen,J. ,Wang,S. ,& Chen,H. Viewing distance measurement using a single camera[C]. 2014

IEEE 7th Joint International Information Technology and

Artificial Intelligence Conference,2014:512 - 515.

[10] 謝承穎. 結(jié)合圖像處理,計算機視覺與人工智能之混凝

土結(jié)構(gòu)表面裂縫識別研發(fā)[D]. 臺北:臺灣大學(xué),2019:

1 - 113.

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

全過程工程咨詢中建筑供應(yīng)商信息共享研究

肖凌軍 林清宇 金雪松

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院 湖北宜昌 443002)

摘 要:近年來,隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和市場的細(xì)分,建設(shè)材料在全過程控制與管理中的把控越來越精細(xì)化。 傳

統(tǒng)的建筑供應(yīng)鏈下,由于建筑供應(yīng)商之間存在信息壁壘,使得在項目建設(shè)的全壽命周期內(nèi)信息共享程度低,項目決策

方案落實情況較差。 為了促進建筑供應(yīng)商成員共享的積極性,提高供應(yīng)鏈運行的穩(wěn)定性,引入隨機演化博弈的 Moran

過程,構(gòu)建了建筑供應(yīng)商數(shù)據(jù)資源共享的動態(tài)博弈模型,借助 Matlab 仿真,分析推動建筑供應(yīng)商信息共享程度的實現(xiàn)

條件,為今后建筑供應(yīng)商信息共享提供參考。

關(guān)鍵詞: 隨機演化博弈;Moran 過程;建筑供應(yīng)商;信息共享

中圖分類號:TU12 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0093 - 05

Research on information sharing of construction suppliers in whole - process engineering consulting

XIAO Lingjun LIN Qingyu JIN Xuesong

(School of Water Conservancy and Environment,China Three Gorges University,Yichang 443002)

Abstract:In recent years,along with the continuous development of our economy,the segmentation of the market,the construction material

in the whole process control and management control more and more refined. Under the traditional construction supply chain,information

barriers exist among construction suppliers,leading to a low degree of information sharing and poor implementation of project decision plans

during the whole life cycle of project construction. In order to promote the enthusiasm of members of construction suppliers to share and improve the stability of supply chain operation,this paper introduces Moran process of stochastic evolutionary game,builds a dynamic game

model of data resource sharing of construction suppliers,and analyzes the conditions to promote the realization of information sharing degree

of construction suppliers with the help of Matlab simulation. This paper provides reference for information sharing of construction suppliers

in the future.

Keywords:Stochastic evolutionary game; Moran process; Construction supplier; Information sharing

作者簡介:肖凌軍(1996. 8 - ),男。

通訊作者:林清宇,男。

E-mail:2741126291@ qq. com

收稿日期:2023 - 03 - 06

0 引言

《國務(wù)院辦公廳關(guān)于促進建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的

意見》(國辦發(fā)〔2017〕19 號)中,首次明確提出“完善

工程建設(shè)組織模式,培育全過程工程咨詢”,所謂全過

程工程咨詢是指采用多種服務(wù)方式組合,為項目決

策、實施和運營持續(xù)提供局部或整體解決方案以及管

理服務(wù)。 隨著數(shù)字化信息技術(shù)的出現(xiàn),推動建筑公司

數(shù)字信息化轉(zhuǎn)型,是實現(xiàn)建筑業(yè)務(wù)增長、創(chuàng)新發(fā)展的

重要因素[1]

。 與此同時,業(yè)主和各參建方因利益目標(biāo)

不同,分散決策和信息不對稱的機會成本,導(dǎo)致信任

度受損,嚴(yán)重影響項目進展。 顧昱[2]針對供應(yīng)鏈管理

提出安全的信息保障體系和相互信任的信息交流方

式,有助于提高建筑供應(yīng)鏈內(nèi)的信息共享效率,有助

于在項目全過程咨詢中提高項目的局部管理水平,從

而保障項目整體績效目標(biāo)的實現(xiàn)。

由于大型建筑施工周期長,項目成本高,結(jié)構(gòu)更

加復(fù)雜、涉及的建筑供應(yīng)商種類較多,合作難度大。

且建筑供應(yīng)商之間合作的非契約性、合同性,這導(dǎo)致

建筑供應(yīng)商管理難度大,應(yīng)對突發(fā)風(fēng)險抵御能力差,

甚至成員之間組織關(guān)系也逐漸開始瓦解[3]

。 因此,如

何加強建筑供應(yīng)商信息共享積極性,顯得格外重要。

楊慧琴、孫磊、趙西超[4]發(fā)現(xiàn),信息共享不僅有助于大

型建筑供應(yīng)商之間的合作程度、信任程度的增強,還

能避免傳統(tǒng)合作方式中存在的信息孤島問題,降低了

供應(yīng)鏈合作的風(fēng)險。 時茜茜、朱建波、盛昭瀚[5] 等針

對重大工程關(guān)鍵部件供應(yīng)商的合作問題,基于演化視

角建立供應(yīng)商的合作博弈模型,進一步構(gòu)建業(yè)主參與

下的激勵與懲罰機制,對其影響因素進行探討。 王軍

進、劉家國、李竺珂[6] 等研究在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)下供應(yīng)鏈企

業(yè)合作伙伴選擇,為探究供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)的合作規(guī)律和動

態(tài)變化過程提供可能性,同時對揭示了供應(yīng)鏈合作關(guān)

·94· 福 建 建 筑 2023 年

系網(wǎng)絡(luò)的整體宏觀性質(zhì)的重要性作用。 周建新、劉明

華、沈小偉[7] 等利用 Repast 仿真軟件建立合作行為

演化模型,研究空間囚徒博弈中 Moran 過程對合作行

為演化的影響。 王天日、郭靖云、王海濤[8] 等構(gòu)建了

基于 Moran 的博弈模型,研究了 PPP 項目中承包商不

采取機會主義行為的策略條件。

基于此,本文將考慮在建筑供應(yīng)鏈環(huán)境下,有限

數(shù)量競爭的建筑供應(yīng)商在進行信息共享投入決策時

的模型構(gòu)建。 主要考慮建筑供應(yīng)商個體數(shù)量有限的

條件下,基于 Moran 過程,建立信息共享行為演化模

型并進行仿真,構(gòu)建適應(yīng)性函數(shù),并選取適合強選擇

與弱選擇兩種情形的期望收益的線性函數(shù)形式,分析

建筑供應(yīng)商信息共享策略的演化決策,和機會主義共

享策略的演化決策。 對比并仿真分析信息共享的機會

主義收益、信息不共享行為的風(fēng)險系數(shù)、建筑供應(yīng)商舉

報的概率、政府監(jiān)管部門的懲罰等因素。 對建筑供應(yīng)

商信息共享合作行為的影響。 最終,探討 Moran 過程

對信息共享行為策略的占優(yōu)條件,并為指導(dǎo)建筑供應(yīng)

鏈實現(xiàn)全過程工程協(xié)同化管理提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 模型假設(shè)與構(gòu)建

1. 1 模型假設(shè)

基于單種群問題,假設(shè)在一個大型建設(shè)項目中有

N 個供應(yīng)商,并且他們之間無差異,每個供應(yīng)商可以

選擇的 2 個策略選擇空間為 S = {共享,機會主義共

享}。 將選擇兩種策略的不同供應(yīng)商抽象為兩個參與

人(N1 ,N2 ),考慮單一種群內(nèi)部競爭決策的動態(tài)演化

過程。 假設(shè)供應(yīng)商信息共享而增加的成本為 C1 ,包

括信息成本、溝通成本以及其他成本;供應(yīng)商信息共

享的收益為 π;供應(yīng)商之間信息共享獲得的聲譽價值

收益為 Δπ。 為了減少任何一方采取信息不共享策略

的可能性,信息不共享方需要向?qū)Ψ街Ц哆`約金作為

補償,違約金用 P 表示。 假設(shè)若供應(yīng)商一方選擇策略

A1 ,另一方選擇策略 B1時,則選擇策略 A1的以概率 α

(0 < α < 1)向政府監(jiān)管部門舉報,舉報的成本為 C2 。

若供應(yīng)商雙方都存在信息不共享行為,則會被政府監(jiān)

管部門發(fā)現(xiàn)并處以一定的罰款 F。 當(dāng)供應(yīng)商一方選

擇策略 A1 ,另一方選擇策略 B1時,信息不共享的一方

因為“搭便車”行為獲得的收益為 R,信息不共享的風(fēng)

險系數(shù)為 β。

1. 2 模型構(gòu)建

下文給出兩個供應(yīng)商之間的博弈收益矩陣,如表

1 所示。

表 1 供應(yīng)商 N1和供應(yīng)商 N2的博弈收益矩陣

策略選擇

供應(yīng)商 N2

A1 (共享) B1 (機會主義共享)

供應(yīng)商

N1

A1 (共享)

B1 (機會主義共享)

π + Δπ - C1 π + P - C1 - αC2

π + Δπ - C1 βR - P - αF

βR - P - αF βR - F

π + P - C1 - αC2 βR - F

注:π:供應(yīng)商選擇信息共享策略的收益,π > 0;Δπ:供應(yīng)商信息共享

獲得的聲譽價值收益,Δπ > 0;C1 :供應(yīng)商選擇策略 A1 的成本,C1 > 0;

α:供應(yīng)商一方選擇策略 A1 ,另一方選擇策略 B1時,則選擇策略 A1以概

率 α 向政府監(jiān)管部門舉報,α > 0;C2 :供應(yīng)商向政府監(jiān)管部門舉報的成

本,C2 > 0;P:供應(yīng)商一方選擇 A1 時,令一方選擇策略 B1 時,向?qū)Ψ街?/p>

付違約金,P > 0;F:供應(yīng)商信息不共享時被政府監(jiān)管部門懲罰的罰款

額為 F,F > 0;β:供應(yīng)商選擇策略 B1的風(fēng)險系數(shù),β∈[0,1];R:供應(yīng)商

選擇策略 B1時獲得的機會主義收益,R > 0。

2 有限供應(yīng)商頻率相依 Moran 過程

根據(jù)表 1 所示的支付矩陣,分別計算供應(yīng)商選擇

信息共享與信息不共享策略的期望收益。 假設(shè)數(shù)量

為 N 的供應(yīng)商中,選擇策略 A1的供應(yīng)商個體數(shù)量為

j,選擇策略 B1的供應(yīng)商個體數(shù)量為 n - j,UA1 (j)為選

擇 A1策略博弈個體的平均收益,UB1 (n - j)為選擇 B1

策略博弈個體的平均收益,則它們分別為:

UA1 (j) =

j - 1

n - 1

(π + Δπ - C1 ) +

n - j

n - 1

(π + P - C1

- αC2 ),j = 1,2,. . . n - 1 (1)

UB1 (n - j) =

j

n - 1

(βR - P - α1 ) +

n - j - 1

n - 1

( βR -

F),j = 1,2,. . . n - 1 (2)

為了接下來描述方便,將博弈期望收益簡記為:

a = π + Δπ - C1 ,b = π + P - C1 - αC2 ,C = βR - P

- αF,d = βR - F。

在演化博弈動力學(xué)框架中,適應(yīng)度取決于策略的

期望收益。 也就是說,個體繁殖速率與所選擇策略相

應(yīng)的期望收益正相關(guān)。 因此,我們選擇指數(shù)映射,即適

應(yīng)度 f 與期望收益為指數(shù)映射關(guān)系,則選擇信息共享策

略 A1和選擇信息不共享策略 B1的適應(yīng)度分別為:

fA1 (j) = 1 - θ + θUA1 (j) (3)

fB1 (j) = 1 - θ + θUB1 (n - j) (4)

其中,θ 表示選擇強度,θ∈[0,1]。 當(dāng) θ = 0 時,

自然選擇為中性選擇(中性選擇表示種群中的 A1 博

弈策略個體和 B1博弈策略個體的適應(yīng)度均相同);當(dāng)

θ?1 時,處于弱選擇狀態(tài),此時外界干擾因素影響較

大;當(dāng) θ = 1 時,處于強選擇狀態(tài),此時適應(yīng)度與期望

收益相等,不存在外界干擾。

基于頻率依賴的 Moran 過程進行研究,在每個

時間步,選擇信息共享 A1 的博弈策略個體被選中

復(fù)制 的 概 率 為

jUA1 ( j)

jUA1 ( j) + (N - j)UB1 ( n - j

, 選 擇 信

2023 年 08 期 總第 302 期 肖凌軍,林清宇,金雪松·全過程工程咨詢中建筑供應(yīng)商信息共享研究 ·95·

息不共享 B1的博弈策略個體被選中復(fù)制的概率為

(N - j)UB1 ( n - j)

jUA1 ( j) + (N - j)UB1 ( n - j

,每一時間步更新后,采

取信息共享策略的供應(yīng)商的數(shù)量會發(fā)生變化,或

者增加一個,或者不變,或者減少一個。 因此,Moran 過程的概率轉(zhuǎn)移矩陣是一個三對角矩陣,可由

以下的形式給出:

Pjj + 1 =

jUA1 (j)

jUA1 (j) + (N - j)UB1 (n - j)

N - j

N

(5)

Pjj - 1 =

(N - j)UB1 (n - j)

jUA1 (j) + (N - j)UB1 (n - j)

j

N

(6)

Pjj = 1 - Pjj + 1 + Pjj - 1 (7)

Moran 過程有兩個穩(wěn)定狀態(tài),分別為 j = 0 和 j =

N,當(dāng) j = 0 表示總體中所有供應(yīng)商均采取信息不共享

策略,j = N 表示總體中所有供應(yīng)商均采取信息共享策

略。 如果總體演化至其中任一策略,則該總體將會一

直保持這種策略狀態(tài)。

在大型建設(shè)項目中,供應(yīng)商之間的非合同關(guān)系如

何達到總體供應(yīng)商聯(lián)盟合作的標(biāo)志,即采取信息不共

享策略 B1的供應(yīng)商均采取信息共享策略 A1 ,達到 j =

N 的穩(wěn)定狀態(tài)。

積極合作 A1 策略減少一個的概率,與信息共享

A1策略增加一個的概率之比為:

rj =

Pjj + 1

Pjj - 1

=

UB1 (n - j)

UA1 (j)

=

1 - θ + θUB1 (n - j)

1 - θ + θUA1 (j)

(8)

如果比率趨于 0,那么選擇信息共享策略 A1的供

應(yīng)商的數(shù)量更容易增加。 如果比率趨于∞ ,那么選擇

信息共享策略 A1的供應(yīng)商的數(shù)量更容易減少。 如果

比率等于 1,那么選擇信息共享作策略 A1的供應(yīng)商的

數(shù)量增加或者減少的可能性相同。

下文分別計算演化至兩種穩(wěn)定狀態(tài)的概率,令 ωj表

示由初始狀態(tài) j 個供應(yīng)商選擇策略 A1 ,演化至終點存在

N 個生產(chǎn)企業(yè)選擇策略 A1的概率,由全概率公式可得:

ωj = Pjj - 1ωj - 1 + Pjjωj + Pjj + 1ωj + 1 , j = 1,2,. . . ,N - 1

(9)

邊界值 ω0 = 0,ωN = 1,將 pj, j + 1,pj, j,pj, j - 1

的表達式代入 ωj全概率公式(9)中,可解得:

ωj =

1 + ∑j - 1

i ∏i

k = 1

fB1 (n - j)

fA1 (j)

1 + ∑N - 1

i = 1 ∏i

k = 1

fB1 (n - j)

fA1 (j)

(10)

當(dāng)系統(tǒng)由 j = 1 最終達到穩(wěn)定狀態(tài) j = N,即總體

只有 1 個供應(yīng)商選擇信息共享作 A1策略,其他供應(yīng)商

均選擇信息不共享 B1策略時,最終策略穩(wěn)定 A1的概

率為:

PA1 = ω1 =

1

1 + ∑N - 1

i = 1 ∏i

k = 1

fB1 (n - j)

fA1 (j)

(11)

同理可知,當(dāng)總體有 N - 1 個供應(yīng)商選擇信息共

享策略,只有 1 個供應(yīng)商選擇信息不共享策略時,最

終策略穩(wěn)定 B1的概率為:

PB1 = ωN - 1 =

1

1 + ∑N - 1

i = 1 ∏N - 1

k = 1

fA1 (j)

fB1 (n - j)

(12)

故有兩種策略扎根概率的比值為:

PA1

PB1

= ∏N - 1

K = 1

fA1 (j)

fB1 (n - j)

(13)

當(dāng)式(13)比值小于 1,則有 PA1 PB1 ,這意味著

此系統(tǒng)在狀態(tài) B1下所處的時間更久,則變異策略 B1

更有可能達到穩(wěn)定狀態(tài);若式(13)比值大于 1,則有

PA1 > PB1 ,這表明信息共享策略 A1相對于信息不共享

策略 B1 ,更有可能成為穩(wěn)定策略。

3 弱選擇條件下的隨機演化動態(tài)

在強選擇條件下,供應(yīng)商完全理性,策略選擇的

適應(yīng)性,完全取決于個體期望收益。 但是,現(xiàn)實中,供

應(yīng)商選擇信息共享策略的適應(yīng)性,并非完全由未來期

望收益決定。 供應(yīng)商選擇信息共享策略,還受到對情

緒、決策偏好、非契約、主觀因素等非客觀因素的影

響。 因此,若選擇條件下 θ→0 時,供應(yīng)商策略選擇的

演化趨勢。 求解式(11)和式(12)分別在 θ→0 處的

泰勒展式。

PA1 =

1

1 + ∑N - 1

i = 1 ∏i

k = 1

1 - θ + θUB1 (n - j)

1 - θ + θUA1 (j)

≈

1

N

+

θ

6N

(μ + vN) (14)

PB1 =

1

1 + ∑N - 1

i = 1 ∏N - 1

k = 1

1 - θ + θUA1 (j)

1 - θ + θUB1 (n - j)

≈

1

N

+

θ

6N

(γ + τN) (15)

其中:μ = 3βR + 3C1 - 3π - 4F - 2Δπ + αC2 + αF,

γ = 3π + 4Δπ - 3C1 - 3βR + αC2 + αF + 2F,v = 3π -

3C1 + Δπ + 3P - 3βR - 2bC2 + αF + 2F,τ = 3βR - 2Δπ

- 3π + 3C1 - 3P - 2αF - F + αC2 。

命題 1:弱選擇條件下,即供應(yīng)商進行決策的依

據(jù)為期望收益作用極弱時,對于所有 N≥2 時,若滿足

3π > 3C1 - Δπ - 3P + 3?R + 2αC2 - αF - 2F,則 PA1 >

1 / N,PB1 < 1 / N,供應(yīng)商選擇“信息共享”策略。

命題 1 說明,隨著信息共享的收益 π 增大以及成

·96· 福 建 建 筑 2023 年

本 c 減小時,相應(yīng)信息不共享政府監(jiān)管部門懲罰額 F

增大、供應(yīng)商舉報的概率 α 增大,信息不共享賠償?shù)?/p>

違約金 P 增大、信息不共享的機會主義收益 R 減小、

信息不共享的風(fēng)險系數(shù) β 增大時,供應(yīng)商將采取“信

息共享”策略。

命題 2:若滿足 3βR - 2Δπ + 3C1 - 3P - 2αF - F

+ αC2 > 3π,則 PA1 < 1 / N,PB1 > 1 / N,供應(yīng)商選擇“信

息不共享”策略。

命題 2 說明,隨著信息共享的收益 π 減小以及成

本 c 增大,相應(yīng)信息不共享政府監(jiān)管部門懲罰額 F 減

小、供應(yīng)商舉報的概率 α 減小,信息不共享賠償?shù)倪`

約金 P 減小、信息不共享的機會主義收益 R 增大。 信

息不共享風(fēng)險系數(shù) β 減小時,供應(yīng)商將采取“信息不

共享”策略。

綜上所述,無論在強選擇條件下還是弱選擇條件

下,供應(yīng)商選擇信息共享策略還是信息不共享策略,

都與供應(yīng)商信息共享的收益與成本、以及賠償?shù)倪`約

金、政府的懲罰額等因素相關(guān)。 強選擇條件下,當(dāng)供

應(yīng)商完全基于理性做出的決策時,發(fā)現(xiàn)選擇信息共享

的供應(yīng)商數(shù)目存在著一個臨界值。 若選擇信息共享

的供應(yīng)商較少時,則供應(yīng)商將會選擇“信息不共享”

的策略。 只有當(dāng)選擇信息共享的供應(yīng)商收益高于信

息不共享的機會主義收益、賠償?shù)倪`約金和政府的懲

罰額增大以及供應(yīng)商舉報的概率增大時,則信息共享

策略優(yōu)于信息不共享策略。 反之,市場上兩種群體無

法互相入侵,兩種策略的混合均衡將同時存在。 弱選

擇條件下,當(dāng)信息共享的收益高于“搭便車” 行為收

益時,信息共享策略占優(yōu)。 若信息共享的收益低于機

會主義收益,且信息不共享行為的風(fēng)險系數(shù)較低、賠

償?shù)倪`約金較低、政府的懲罰額較低時,則信息不共

享策略占優(yōu)。

4 數(shù)值仿真

某裝配式建筑工程項目,總建筑面積為 30 萬 m

2

。

項目內(nèi)住宅區(qū)域占比為 70% ,綠化、基礎(chǔ)設(shè)施占比為

30% ,其中施工節(jié)水 60% 、節(jié)材 25% 、節(jié)能 25% ,垃圾

減少 80% ,腳手架和支架節(jié)省了 70% 。 由此可以看

出,不同建筑供應(yīng)商之間,是通過信息共享實現(xiàn)裝配

式建筑建設(shè)的集成化。 因此,需要考慮不同的選擇強

度 θ 下,采取信息共享策略演化率 ψ = NPA1與供應(yīng)商

總數(shù) N 的關(guān)系。 基于此,將關(guān)鍵參數(shù)供應(yīng)商舉報的概

率 α、政府的懲罰額 F、信息不共享行為的風(fēng)險系數(shù) β

和機會主義收益 R 作為變量。 為了更直觀地展式

Moran 過程中,下面運用 Matlab,對不同條件下供應(yīng)商

的演化過程進行數(shù)值仿真。 同時,并根據(jù)不同的情

形,對變量進行取值,分別對不同情形下的系統(tǒng)演化

趨勢進行仿真。

(1)舉報的概率 α 對供應(yīng)商策略的影響

在其他參數(shù)保持不變的情況下,不同參數(shù) α 對演

化穩(wěn)定狀態(tài)的影響,如圖 1 所示。

(θ = 0. 001,ψ1 :a1 = 5,b1 = 2. 5,c1 = 2. 3,d1 = 5;

ψ2 :a2 = 5,b2 = 3. 5,c2 = 3. 3,d2 = 5;ψ3 :a3 = 5,b3 =

4. 5,c3 = 4. 3,d3 = 5;ψ4 :a4 = 5,b4 = 5. 5,c4 = 5. 3,d4 =

5;ψ5 :a5 = 5,b5 = 6. 5,c5 = 6. 3,d5 = 5)

圖 1 不同舉報概率下建筑供應(yīng)商總數(shù)與信息

共享行為演化率關(guān)系圖

從圖 1 中的變化趨勢可以看出,建筑供應(yīng)商舉報

概率的增大,可以使建筑供應(yīng)商策略選擇最終穩(wěn)定在

信息共享策略,即策略選擇“信息共享”在博弈中占優(yōu)。

(2)政府的懲罰額 F 對供應(yīng)商策略的影響

在其他參數(shù)保持不變的情況下,不同參數(shù) F 對演

化穩(wěn)定狀態(tài)的影響,如圖 2 所示。

(θ = 0. 001,ψ1 :a1 = 7. 2,b1 = 7,c1 = 8. 2,d1 = 8;

ψ2 :a2 = 7. 2,b2 = 7,c2 = 7. 8,d2 = 7. 42;ψ3 :a3 = 7. 2,b3

= 7,c3 = 7. 1,d3 = 7;ψ4 :a4 = 7. 2,b4 = 7,c4 = 6. 7,d4 =

6. 5;ψ5 :a5 = 7. 2,b5 = 7,c5 = 6. 3,d5 = 6)

圖 2 不同懲罰程度下建筑供應(yīng)商總數(shù)與信息

共享行為演化率關(guān)系圖

2023 年 08 期 總第 302 期 肖凌軍,林清宇,金雪松·全過程工程咨詢中建筑供應(yīng)商信息共享研究 ·97·

從圖 2 中的變化趨勢可以看出,較低的政府監(jiān)管

部門的懲罰力度,會使得占優(yōu)策略為建筑供應(yīng)商采取

信息不共享行為策略。 隨著懲罰程度的加大,建筑供

應(yīng)商采取信息共享行為策略,為進化的穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)信息不共享行為的風(fēng)險系數(shù) β 對供應(yīng)商策略

的影響

在其他參數(shù)保持不變的情況下,不同參數(shù) β 對演

化穩(wěn)定狀態(tài)的影響,如圖 3 所示。

(θ = 0. 001,ψ1 : a1 = 8. 1, b1 = 8, c1 = 8. 9, d1 =

8. 6;ψ2 :a2 = 8. 1,b2 = 8,c2 = 8. 5,d2 = 8. 4;ψ3 :a3 =

8. 1,b3 = 8,c3 = 8. 3,d3 = 8. 2;ψ4 :a4 = 8. 1,b4 = 8,c4 =

8,d4 = 7. 8;ψ5 :a5 = 8. 1,b5 = 8,c5 = 7. 7,d5 = 7. 5)

圖 3 不同信息不共享行為風(fēng)險概率下建筑供應(yīng)商

總數(shù)與信息共享行為演化率關(guān)系圖

從圖 3 中的變化趨勢可以看出,信息不共享行為

的風(fēng)險系數(shù),對建筑供應(yīng)商策略演化較為明顯。 當(dāng)信

息不共享行為的風(fēng)險系數(shù)較小時,占優(yōu)策略為“信息

不共享”策略;反之,當(dāng)當(dāng)信息不共享行為的風(fēng)險系數(shù)

較大時,占優(yōu)策略為“信息共享”策略。

(4)機會主義收益 R 對供應(yīng)商策略的影響

在其他參數(shù)保持不變的情況下,不同參數(shù) R 對演

化穩(wěn)定狀態(tài)的影響,如圖 4 所示。

(θ = 0. 001,ψ1 : a1 = 5. 3, b1 = 5, c1 = 3. 5, d1 =

3. 4;ψ2 :a2 = 5. 3,b2 = 5,c2 = 4,d2 = 3. 9;ψ3 :a3 = 5. 3,

b3 = 5,c3 = 4. 5,d3 = 4. 4;ψ4 :a4 = 5. 3,b4 = 5,c4 = 5,d4

= 4. 9;ψ5 :a5 = 5. 3,b5 = 5,c5 = 5. 5,d5 = 5. 4)

圖 4 不同機會主義收益下建筑供應(yīng)商總數(shù)與信息

共享行為演化率關(guān)系圖

從圖 4 中的變化趨勢可以看出,減小機會主義收

益,會使最終的穩(wěn)定策略逐漸演化為建筑供應(yīng)商采取

信息共享行為策略。

5 結(jié)論

本文研究了在不確定復(fù)雜環(huán)境下,裝配式建筑供

應(yīng)商選擇“信息共享” 行為策略的演化趨勢,基于頻

率相依的 Moran 過程,計算相應(yīng)的固定概率和效用函

數(shù),并計算裝配式建筑供應(yīng)商是否采取信息不共享行

為策略的扎根概率。 結(jié)果表明:如果信息共享的機會

主義收益 R 減少、供應(yīng)商舉報的概率 α 增大、供應(yīng)商

信息不共享行為的風(fēng)險系數(shù) β 增大及政府懲罰程度

增大時,能夠使得建筑供應(yīng)商策略趨向于“ 信息共

享”策略。 為此,得出以下啟示意義。

建筑材料價對裝配式建筑的工程造價有著直接

的影響。 從項目可行性研究開始,經(jīng)方案優(yōu)選、初步

設(shè)計、施工圖設(shè)計、組織施工、竣工驗收直至項目試運

行投產(chǎn),乃至建設(shè)項目的竣工驗收以及后評價,在整

個項目建設(shè)周期的全過程中,進行工程造價控制和管

理。 全過程工程咨詢機構(gòu)才能采用更積極有效的措

施,對全過程造價進行控制,節(jié)約成本,合理利用資

源,使資源發(fā)揮到最大效果。

參 考 文 獻

[1] 國務(wù)院辦公廳關(guān)于促進建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見

[J]. 建材發(fā)展導(dǎo)向,2017,15(08):1 - 4.

[2] 顧昱. 建筑供應(yīng)鏈管理戰(zhàn)略研究[ J]. 宏觀經(jīng)濟管理,

2020(10):77 - 83.

[3] 高德生,張云寧,歐陽紅祥,等. 供應(yīng)鏈管理視角下裝配

式建筑可持續(xù)發(fā)展分析[ J]. 工程管理學(xué)報,2019,33

(04):15 - 20.

[4] 楊慧琴,孫磊,趙西超. 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的互信共贏型供

應(yīng)鏈信息平臺構(gòu)建[J]. 科技進步與對策,2018,35(05):

21 - 31.

[5] 時茜茜,朱建波,盛昭瀚,等. 重大工程關(guān)鍵部件供應(yīng)商

合作機制研究[J]. 軟科學(xué),2015,29(11):124 - 129.

[6] 王軍進,劉家國,李竺珂. 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的供應(yīng)鏈企業(yè)合

作關(guān)系研究[J]. 系統(tǒng)科學(xué)學(xué)報,2021(03):110 - 115.

[7] 周建新,劉明華,沈小偉,等. 基于演化博弈研究 Moran

過程對合作的影響[ J]. 計算機應(yīng)用與軟件,2020,37

(11):255 - 259.

[8] 王天日,郭靖云,王海濤,等. 基于 Moran 過程的 PPP 項

目承包商機會主義行為演化動態(tài)[ J]. 技術(shù)經(jīng)濟,2020,

39(08):168 - 173.

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

基于 BIM 在裝配式橋梁施工的智能化管理平臺應(yīng)用研究

余潔歆1 陳思超2 傅木森3 池善慶3 俞伯林3

(1. 福建江夏學(xué)院工程學(xué)院 福建福州 350108; 2. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福建福州 350108;

3. 福州市城鄉(xiāng)建總集團有限公司 福建福州 350108)

摘 要:隨著我國經(jīng)濟和信息化技術(shù)的快速增長,預(yù)制裝配式橋梁逐漸向智能化、信息化方向發(fā)展。 對于裝配式橋梁施

工現(xiàn)存在的構(gòu)件“錯漏碰缺”、施工進度與計劃進度不一致、施工偏差等問題,提出“Revit + Dynamo”實現(xiàn)空間曲線建模,

減少機械化建模形式,提高施工效率;將 BIM 技術(shù)和 RFID 結(jié)合起來,預(yù)制構(gòu)件被賦予唯一的標(biāo)簽,實現(xiàn)信息共享以及對

預(yù)制構(gòu)件的追蹤;通過 BIM 和 3D 掃描與 VR 技術(shù)相結(jié)合,對施工現(xiàn)場的誤差進行糾正,將 BIM、RFID、VR 與 3D 掃描結(jié)

合,實現(xiàn)對施工過程的現(xiàn)場控制、材料管理和安裝糾偏,建立一個以 BIM 為基礎(chǔ)的智能化管理平臺,提高施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞: BIM;裝配式橋梁;Revit + Dynamo;RFID;3D 掃描

中圖分類號:TU17 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0098 - 07

Research on the Application of Intelligent Management Platform in Prefabricated

Bridge Construction Based on BIM

YU Jiexin

1 CHEN Sichao

2 FU Musen

3 CHI Shanqing

3

YU Bolin

3

(1. Engineering College of Fujian Jiangxia College,Fuzhou 350108; 2. College of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108;

3. Fuzhou urban and Rural Construction Group Co. , Ltd. ,Fuzhou 350108)

Abstract:With the rapid growth of economy and information technology in our country,prefabricated and assembled bridges are developing

towards intelligentization and information technology. In order to solve the problems existing in the construction of assembled bridge,such as

“Missing and missing components”,the inconsistency between the construction schedule and the plan schedule,and the construction deviation,this paper puts forward“Revit + Dynamo” to realize the parameterized modeling,reduce mechanical modeling,improve construction

efficiency,combine BIM technology and RFID,prefabricated components are given a unique label,information sharing and tracking of prefabricated components; Through the combination of BIM and 3D scanning technology,the errors of construction site are corrected,and the

combination of BIM,RFID,VR and 3D scanning can realize on - site control,material management and installation rectification of construction process,build an intelligent management platform based on BIM to improve construction quality.

Keywords:BIM; Assembly bridge; Revit + Dynamo; RFID; 3D scanning

作者簡介:余潔歆(1989 - ),女,講師。

E-mail:dark_o@ 163. com

收稿日期:2023 - 02 - 16

0 引言

近年來,隨著我國綜合國力的增強,裝配式橋梁

的應(yīng)用越來越廣泛。 針對 2021 年 3 月國家住建部發(fā)

布的我國裝配式建筑的發(fā)展情況[1]

:截止 2020 年年

底,我國的裝配式橋梁面積較 2019 年有大幅提升,建

設(shè)規(guī)模逐年增加。 由此可見,裝配式橋梁是未來幾年

內(nèi)發(fā)展的一大方向。 然而,隨著裝配式橋梁的繁榮發(fā)

展,其設(shè)計、施工、運維等環(huán)節(jié)的要求也越來越嚴(yán)格。

研究表明[2]

:我國預(yù)制裝配式橋梁的施工技術(shù)仍然有

很大的進步空間,施工技術(shù)水平較低,預(yù)制施工的連

接仍存在問題。 而以 BIM 為基礎(chǔ)搭建的智能化管理

平臺,能夠優(yōu)化裝配式橋梁施工管理模式,提高施工

效率,減少返工和浪費的現(xiàn)象。 基于此,多位學(xué)者開

展了 BIM 技術(shù)在裝配式建筑施工過程中的深入研究。

李天華,袁永博,張明媛[3] 等在應(yīng)用 BIM 技術(shù)基

礎(chǔ)上與 RFID 技術(shù)相結(jié)合,研究裝配式建設(shè)全周期的

問題及解決方案,實現(xiàn)了施工過程中預(yù)制構(gòu)件的的信

息共享,但仍然存在施工建模較為繁瑣、建模效率低

等問題;王斐,賀生云[4]等研究并提出了精準(zhǔn)、快速繪

制門、窗和板等構(gòu)件的技巧,大大提升了建模效率,但

無法從根本上提高某一構(gòu)件的建模效率;沈彬提出了

“Revit + Dynamo”模式進行預(yù)制構(gòu)件的參數(shù)化建模形

式,使得構(gòu)件的建模通過參數(shù)化形式進行,提高了構(gòu)

件的建模效率,但仍存在施工過程偏差的問題;趙海

2023 年 08 期 總第 302 期 余潔歆,陳思超,傅木森,等·基于 BIM 在裝配式橋梁施工的智能化管理平臺應(yīng)用研究 ·99·

平[5]提出了將 BIM 與 3D 打印技術(shù)融合到裝配式建

筑當(dāng)中的理念,能夠?qū)崿F(xiàn)施工過程偏差對比分析,但

并未形成一體化的施工管理平臺。

因此,BIM 技術(shù)的進一步研究與探討,具有重要

的科學(xué)研究價值和工程實踐意義。 本文通過分析目

前施工方法的不足,初步研究出相應(yīng)的施工管理平

臺,并對其開展進一步探究。

1 裝配式橋梁的施工現(xiàn)狀

近年來,我國裝配式施工方式逐漸取代現(xiàn)場澆筑

施工的方式,成為建筑業(yè)發(fā)展的一大方向。 預(yù)制裝配

式施工,是指建筑或橋梁中的構(gòu)件在預(yù)制工廠中加工

完成,在施工開始前通過車輛將預(yù)制構(gòu)件運送到施工

現(xiàn)場,通過采取特定的方式,將預(yù)制構(gòu)件組裝起來的

施工方式。 傳統(tǒng)的現(xiàn)澆方式過度機械繁瑣,對環(huán)境的

污染較為嚴(yán)重,而使用裝配式施工方式可解決這一問

題。 隨著勞動力成本的不斷增長,預(yù)制裝配式因其省

工省時的特點,越來越受到社會業(yè)界的關(guān)注。

然而,在由現(xiàn)澆式向裝配式轉(zhuǎn)變的過程中,必須

具備較高的施工管理水平,以實現(xiàn)裝配式橋梁的高質(zhì)

量施工[6]

,目前,傳統(tǒng)的裝配式橋梁施工方式仍有一

些不足:

施工建模形式過于機械化。 目前,三維建模系統(tǒng)

已經(jīng)逐漸引入到施工當(dāng)中,Revit 是三維一體化建模

的重要軟件,但仍需要人力手工一筆一劃來創(chuàng)建每一

個零部件,建模過程非常繁瑣、復(fù)雜。 雖然有越來越

多的插件被投入使用,但插件只能解決一些固定的問

題,無法從根本上提高某一類型構(gòu)件的建模效率,仍

然無法找到替代人力手工建模的方式。 其次,插件的

開發(fā)時間很長、成本高、無法應(yīng)對短時間施工項目的

真實需求。

施工過程缺乏信息流通與共享。 預(yù)制構(gòu)件總類

多、數(shù)量大,在進行施工時,由于人為疏忽,經(jīng)常出現(xiàn)

構(gòu)件的錯用、漏用和丟失的情況,從而導(dǎo)致施工進度

與計劃進度的偏差,甚至可能在很大程度上增大施工

難度,容易導(dǎo)致誤工、返工。 在構(gòu)件的安裝環(huán)節(jié),缺乏

信息流通,也會導(dǎo)致施工現(xiàn)場待工待料,影響施工進

度。 其次,施工過程中構(gòu)件的查找與分類存在困難,

施工效率低下,較難管理。

施工過程偏差過大。 預(yù)制構(gòu)件在安裝過程中的

偏差經(jīng)常受到忽視,施工過程中常出現(xiàn)梁板拼接出現(xiàn)

不等大縫隙,鋼筋與套筒的位置出現(xiàn)錯位和偏移。 而

造成尺寸偏差的原因通常有兩種,其一是構(gòu)件尺寸定

位不準(zhǔn)確、構(gòu)件尺寸本身出現(xiàn)偏差;其二是預(yù)埋時構(gòu)

件孔洞出現(xiàn)較大的錯位和偏移,最終可能導(dǎo)致構(gòu)件擠

壓或變形,影響施工質(zhì)量[7]

。

對于裝配式橋梁施工現(xiàn)存在的構(gòu)件 “ 錯漏碰

缺”、施工進度與計劃進度不一致、施工偏差等問題,

本文提出了以 BIM 技術(shù)為基礎(chǔ)并結(jié)合 Dynamo、RFID

和 3D 掃描等多種先進技術(shù)的智能化施工管理平臺,

以提高施工質(zhì)量。 下文對該智能化平臺進行具體

介紹。

2 基于 BIM 的智能化管理平臺

2. 1 “Revit + Dynamo”實現(xiàn)空間曲線建模

Autodesk Revit 作為一款常用的三維可視化建模

軟件,在裝配式橋梁的施工過程中,通過 Revit 創(chuàng)建預(yù)

制構(gòu)件族,可使預(yù)制構(gòu)件三維可視,位置尺寸直觀明

了。 Dynamo 是一款應(yīng)用于 Revit 的軟件,它具有可視

化編程的特點,Dynamo 通過腳本的形式,可以將提前

設(shè)計的節(jié)點按一定順序鏈接,形成一個可執(zhí)行的程

序,從而實現(xiàn) Revit 建模平臺的信息化、自動化。 如圖

1 所示,通過 Dynamo 建立該立交橋的橋梁節(jié)點,將其

以一定的順序連接,生成完整的曲線橋梁參數(shù)化

模型。

圖 1 Dynamo 橋梁節(jié)點創(chuàng)建

首先,需要利用 Civil 3D 軟件的采樣線進行模型

構(gòu)件,第一步是導(dǎo)入交點坐標(biāo),需要注意設(shè)計坐標(biāo)的

X 和 Y 坐標(biāo)方向。 導(dǎo)入完坐標(biāo)之后,需要在系統(tǒng)中拾

取多段線以便于生成線路,平曲線生成之后,需要進

行豎曲線的創(chuàng)建,最后再通過采樣線,生成精確的橋

梁模型。

在預(yù)制構(gòu)件進行自動化建模前,首先要創(chuàng)建施工

過程中需要用到的參數(shù)化族,然后對預(yù)先制好的 CAD

圖紙進行內(nèi)容的分類和刪除。 處理好的圖紙需要導(dǎo)

入到 Revit 當(dāng)中,并分散成不同的圖元。 橋梁進入

Revit 后,采用 Dynamo 進行參數(shù)處理,Dynamo 需要通

過“All Elements In Active View”,對 Revit 中的可見圖

·100· 福 建 建 筑 2023 年

元進一步篩選,排除圖中非模型線的圖元,并使用

“Python Script”對圖中的封閉曲線進行再次分組。 在

曲線分組結(jié)束后,即可創(chuàng)建公制常規(guī)模型(疊合板、鋼

筋、桁架筋等) 和基于面的公制常規(guī)模型的族(水電

線盒、疊合板穿孔、套管等),并修改指定的參數(shù)值。

最后,需要根據(jù)不同的構(gòu)件編號重新命名,刪除每個

族中多余構(gòu)件模型,形成一個個不同的族文件,并自

動生成模型[8]

。

橋梁工程結(jié)構(gòu)同時存在平曲線和豎曲線,尤其立

交部分更為復(fù)雜,建模難度較大,建模較為繁瑣。 為

此,本文提出利用 Dynamo 處理數(shù)學(xué)函數(shù)方法,引入

“Math”和“Code Block”等節(jié)點,運用編程語言軟件編

寫運算腳本,再通過 Revit 進行參數(shù)化建模,整合組建

模型,達成二者的協(xié)同,實現(xiàn) Dynamo + Revit 多平臺

組合進行建模。 如圖 2 所示,通過 Dynamo 建立出橋

梁節(jié)點模型后,用 Revit 完成曲線模型的最終生成,成

功解決了空間曲線構(gòu)件的建模難題,突破了 Revit 軟

件基于工作平面的建模局限性。

圖 2 Revit 橋梁曲線模型生成

利用 Dynamo,通過 CAD 圖元的信息,提取需要

用到的信息,再利用預(yù)先制好的參數(shù)化族,借助腳本

自動生成模型。 將 Dynamo 應(yīng)用到 Revit 建模平臺中,

可以減少大量復(fù)雜、繁瑣的機械化工作,提高裝配式

建筑的施工效率,減少人為因素造成的損失。 結(jié)合

Civil 3D、Dynamo、Revit 以及 Fuzor 等多軟件配置共同

實現(xiàn)施工管理一體化。 積極探索和應(yīng)用了多平臺的

曲線建模應(yīng)用,較為滿意地解決 Revit 軟件對空間曲

線建模的局限性,拓展了 Revit 軟件的應(yīng)用范圍。 圖

3 為構(gòu)件預(yù)制廠墩柱生產(chǎn)流程的模擬,該過程利用

Revit 軟件,并結(jié)合 Dynamo 創(chuàng)建出的橋梁模型節(jié)點,

對工程的關(guān)鍵流程、復(fù)雜工藝節(jié)點進行建模,制作工

藝模擬動畫,形成墩柱生產(chǎn)流程模型,生產(chǎn)過程更為

明了,使得生產(chǎn)和施工形成體系,實現(xiàn)一體化,以組織

可視化技術(shù)交底,提高交底效果,使施工方案的執(zhí)行

更加有效。

圖 3 墩柱生產(chǎn)流程模擬

圖 4 為既有管線及擬建橋梁的建模。 采用 BIM

技術(shù)對既有管線及擬建橋梁進行建模,通過 Revit 軟

件,對裝配式橋梁上既有管線和橋梁模型進行建模。

系統(tǒng)檢查完成后,應(yīng)再通過人工進行碰撞篩查,對同

一構(gòu)件的所有碰撞問題進行歸類整理,為后續(xù)的管線

碰撞檢查以及碰撞點的優(yōu)化與調(diào)整作準(zhǔn)備。

圖 4 既有管線及擬建橋梁建模

2. 2 “BIM + RFID + Fuzor” 實現(xiàn)對預(yù)制構(gòu)件實時

追蹤

RFID 又稱無線電射頻識別,它可以通過非接觸

的形式對目標(biāo)物進行識別。 其特點,是識別過程中,

通過空間電磁場來傳遞信息,不需要與電子標(biāo)簽直接

接觸。 在裝配式建筑施工過程中,RFID 通過發(fā)射出

的無線電信號,自動識別預(yù)制構(gòu)件并獲取位置、進度

等信息。 將 BIM 與 RFID 技術(shù)集成后,相關(guān)信息會自

動儲存在 BIM 系統(tǒng)中,使得信息傳遞更加迅速,實現(xiàn)

信息及時的存儲與更新[3]

。

如表 1 所示,RFID 標(biāo)簽可以以一定的標(biāo)準(zhǔn)記錄

2023 年 08 期 總第 302 期 余潔歆,陳思超,傅木森,等·基于 BIM 在裝配式橋梁施工的智能化管理平臺應(yīng)用研究 ·101·

信息記錄數(shù)據(jù)信息,對施工過程的構(gòu)件等進行編號及

儲存。 在預(yù)制構(gòu)件進場前,需提前將 RFID 芯片收集

車輛運輸時的狀況,相關(guān)信息會儲存在 BIM 模型中,

對運輸過程進行監(jiān)管,保證運輸?shù)陌踩行颉?構(gòu)件入

場時,需要通過工地的門禁系統(tǒng),通過 RFID 反饋的信

息,依據(jù)芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)進行進度分析。 構(gòu)件在儲存

時,RFID 會自動與每個預(yù)制構(gòu)件進行一對一匹配,保

證施工的有序性。 在構(gòu)件的吊裝過程中,施工人員從

BIM 的數(shù)據(jù)庫中獲取相關(guān)信息,確保吊裝的精準(zhǔn)性與

有序性[9]

。

表 1 RFID 標(biāo)簽記錄數(shù)據(jù)信息的標(biāo)準(zhǔn)

序號 1 2 3 4 5 6

儲存內(nèi)容 ID 規(guī)格 狀態(tài) 過程數(shù)據(jù) 歷史數(shù)據(jù) 環(huán)境數(shù)據(jù)

內(nèi)容描述 唯一標(biāo)識 組件規(guī)格基本信息

優(yōu)秀、良好、及格、

可用、不可運行

運行維護過程 保養(yǎng)維修記錄 組件周圍環(huán)境

圖 5 Fuzor 監(jiān)控模擬

圖 5 為施工過程中 Fuzor 的監(jiān)控模擬,Fuzor 在施

工中的作用,主要是對施工現(xiàn)場進行布置與監(jiān)控。一

方面,也是對施工方進行技術(shù)的交底,讓其能夠清楚

地理解施工圖,及施工中需要注意的事項。 另一方面

是對現(xiàn)場進行三維布置,通過該軟件分析出施工中的

難題,方便對施工員進行講解,保證現(xiàn)場施工順利

進行。

Fuzor 和 Revit 之間可輕松完成轉(zhuǎn)換,不需要導(dǎo)入

繁瑣的程序。 將 BIM 技術(shù)與 RFID 技術(shù)結(jié)合,再利用

Fuzor 軟件,為項目添加監(jiān)控攝像頭,對監(jiān)控范圍進行

模擬,制定最優(yōu)化監(jiān)控方案。 該技術(shù)的應(yīng)用,大大降

低了監(jiān)控布置的成本,以最少的攝像頭組成最優(yōu)監(jiān)控

網(wǎng)絡(luò)。 實現(xiàn)對預(yù)制構(gòu)件的實時追蹤,減小了施工進度

與計劃進度的偏差,并對可能出現(xiàn)風(fēng)險的構(gòu)件進行控

制,提高裝配式建筑施工的準(zhǔn)確性。

如圖 6 所示,采用 BIM 技術(shù)對既有管線及擬建橋

梁進行建模后,通過 Fuzor 軟件碰撞檢查功能,對管線

及橋梁模型進行碰撞檢查,在軟件中對碰撞點進行優(yōu)

化調(diào)整,生成排遷施工圖指導(dǎo)現(xiàn)場施工,大大節(jié)省了

人、材、機的投入,節(jié)約了項目成本。 由于本工程廠區(qū)

巨大,管理盲區(qū)較多,監(jiān)控布置成本高,布置難度大。

為此,項目利用 BIM 模型,在 Fuzor 軟件中為項目添

加監(jiān)控攝像頭,對監(jiān)控范圍進行模擬,制定最優(yōu)化監(jiān)

控方案,圖 7 即本立交工程在施工管控時的最優(yōu)化監(jiān)

控方案。 該技術(shù)的應(yīng)用,大大降低了監(jiān)控布置的成

本,以最少的攝像頭組成了最優(yōu)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

圖 6 管線與結(jié)構(gòu)進行碰撞檢查

圖 7 最優(yōu)化監(jiān)控方案

·102· 福 建 建 筑 2023 年

2. 3 “3D 掃描 + VR”技術(shù)實現(xiàn)質(zhì)量控制

3D 掃描技術(shù)主要使用的儀器為三維激光掃描

儀,它可以測量目標(biāo)物體在三個方向上的坐標(biāo)。 三維

模型可視化技術(shù)可以對 BIM 模型進行可視化渲染,通

過多方數(shù)據(jù)協(xié)同編輯,模型參數(shù)的對比和數(shù)據(jù)獲取,

形成一個綜合各類信息的 BIM 模型。 在施工過程中,

3D 掃描形成的三維云模型與原 BIM 模型進行數(shù)據(jù)比

對和分析,從而獲取施工的偏差值,提高裝配式施工

的效率和準(zhǔn)確度[7]

。

BIM -3D 掃描集成原理為,首先利用三維激光掃描

儀對現(xiàn)場進行勘測,確定布設(shè)方案,進行實地測繪后,獲

取3D 掃描的云模型,將掃描儀獲取的點云模型導(dǎo)入

Qualify 軟件中,經(jīng)過坐標(biāo)比對,自動選取關(guān)鍵節(jié)點后,得

到現(xiàn)場施工和原 BIM 模型存在的偏差。 偏差值獲取后,

與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)比對,并判斷是否會影響施工的進行或有返

工的風(fēng)險,最大程度上降低施工成本損耗 [10]

。

VR 技術(shù)的一方面重要應(yīng)用,是在于對預(yù)制構(gòu)件屬

性的查看(圖 8)。 圖為立交施工過程中的一個墩柱澆

筑底座,構(gòu)件的渲染材質(zhì)為鋼,油漆面層,紅褐色,有光

澤,從 VR 技術(shù)中查看到該底座的偏移量為 500 mm,長

度為 1200 mm,以及面積和體積等基本屬性。

圖 8 構(gòu)件屬性查看

將 BIM 技術(shù)與 VR 虛擬體驗相結(jié)合,在虛擬場景

中實現(xiàn)構(gòu)件尺寸、物體空間間距測量的測量,對不合理

的位置進行 3D 標(biāo)記,為優(yōu)化規(guī)劃方案提供直觀的參考

依據(jù)。 VR 還可與 PC 端進行動態(tài)的無縫鏈接,體驗者

在體驗過程中,直接將修改信息反饋給 PC 端操作人

員,操作人員在 PC 上對模型進行修改、調(diào)整,體驗者可

在虛擬場景中看到模型的實時變化。 圖 8 正在進行

的,是構(gòu)件屬性的查看,體驗者可直接在虛擬場景中查

看構(gòu)件的信息,選中構(gòu)件進行移動調(diào)整,對比不同的廠

區(qū)規(guī)劃布置,大大提高規(guī)劃方案優(yōu)化設(shè)計的效率[11]

。

另一方面,VR 技術(shù)可以將預(yù)拼裝的構(gòu)件具象化,

實現(xiàn)預(yù)拼裝的可視化程序[12]

,圖 9 模擬的即是預(yù)制梁

的拼裝過程。 在裝配式橋梁施工過程中,VR 技術(shù)可以

對構(gòu)件進行尺寸測量。 是預(yù)制廠中 VR 進行構(gòu)件尺寸

的測量。 操作人員預(yù)先可以掌握現(xiàn)場的構(gòu)件裝配拼接

情況,及時了解施工的情況與進度,掌握現(xiàn)場的實時信

息。 還可結(jié)合3D 打印技術(shù),對裝配式橋梁 BIM 模型進

行縮尺打印,利用打印出的縮尺構(gòu)件進行模擬拼裝,為

裝配式橋梁提前彩排,通過實物裝配,更加高效直觀地

理解裝配式橋梁施工工藝,如圖 10 所示。

圖 9 軟件模擬

圖 10 VR 構(gòu)件尺寸測量

將 VR 技術(shù)引入到工程實際,切實解決了施工現(xiàn)

場的諸多實際問題,實用性非常高。 我們將在今后的

工程應(yīng)用中,積極探索和拓展這種友好的交互式 BIM

技術(shù),讓 BIM 技術(shù)的協(xié)同更進一步。

3 工程案例分析

福建省某立交路段改造提升工程,設(shè)計樁號 K0

+ 200 ~ K9 + 420,全長 9. 22 km。 主線高架全長約

9 km,標(biāo)準(zhǔn)寬度 25. 5 m,雙向六車道,部分路段兩側(cè)

有匝道匯入處橋梁寬 32. 5 m ~ 43. 5 m。 本工程包含

改建立交三座,依據(jù)圖紙設(shè)計,全線共預(yù)制墩柱 703

根,預(yù)制蓋梁 334 片,和預(yù)制箱梁 2305 片。

該立交工程的應(yīng)用環(huán)境和軟件配置廣泛。 首先,

通過 CAD 2016 進行原始施工圖紙?zhí)幚怼⑹┕D紙輸

出,如圖 11 所示,通過 Civil 3D 軟件,進行橋梁曲線

2023 年 08 期 總第 302 期 余潔歆,陳思超,傅木森,等·基于 BIM 在裝配式橋梁施工的智能化管理平臺應(yīng)用研究 ·103·

空間坐標(biāo)提取,Dynamo 軟件通過 CAD 圖元的信息,

提取需要用到的信息,再利用預(yù)先制好的參數(shù)化族,

借助腳本自動生成模型。

圖 11 Civil 3D 橋梁曲線空間坐標(biāo)提取

該工程采用 Revit2016 進行模型搭建、工程量計

算,并通過 SolidWorks 2018 進行鋼箱梁建模。 SolidWorks 2018 可以創(chuàng)建全相關(guān)的三維實體模型,實體間

可以存在或不存在約束關(guān)系;還可以利用自動或用戶

定義的約束關(guān)系來體現(xiàn)設(shè)計意圖。 將 Revit2016 與

SolidWorks 2018 結(jié)合應(yīng)用,如圖 12 所示,將 Revit 鋼

筋模型導(dǎo)出為設(shè)備可識別的數(shù)據(jù),在 SolidWorks 上完

成鋼箱梁的創(chuàng)建,即為圖 13 所示的鋼箱梁模型。

圖 12 蓋梁鋼筋模型

圖 13 鋼箱梁建模

圖 14 為鋼箱梁板單原加工廠房,本工程配備了

意大利進口的 Syntax Line 鋼筋加工設(shè)備,將 Revit 鋼

筋模型導(dǎo)出為設(shè)備可識別的數(shù)據(jù),設(shè)備能夠根據(jù)數(shù)據(jù)

自動生產(chǎn)鋼筋半成品。 鋼箱梁 BIM 模型使用 SolidWorks 軟件建立,鋼箱梁板單元的模型數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)

入到數(shù)控機床,用于板單元的半成品加工。 通過 Navisworks Manage 2016 施工平面布置、可視化交底、方

案模擬、工況模擬、施工進度模擬。

圖 14 鋼箱梁板單原加工

圖 15 所示的是該工程的立交路段俯拍圖。 本工

程基于該智能化管理平臺,結(jié)合 Civil 3D、Dynamo、Revit 以及 Fuzor 等多軟件配置,共同實現(xiàn)施工管理一體

化。 積極探索和應(yīng)用 Revit + Dynamo + Civil 3D 平臺

的曲線建模應(yīng)用,較為滿意地解決了 Revit 軟件對空

間曲線建模的局限性,拓展了 Revit 軟件的應(yīng)用范圍。

此外,將 BIM 技術(shù)在坊間領(lǐng)域的應(yīng)用拓展到市政道路

及城市立交橋工程,既提升了企業(yè)自身的技術(shù)實力,

又推廣了 BIM 技術(shù)的應(yīng)用。 將 VR 技術(shù)引入到工程

實際,切實解決了施工現(xiàn)場的諸多實際問題,實用性

非常高。 我們將在今后的工程應(yīng)用中積極探索和拓

展這種友好的交互式 BIM 技術(shù),讓 BIM 技術(shù)的協(xié)同

更進一步。

圖 15 立交路段

·104· 福 建 建 筑 2023 年

4 結(jié)論

本文基于裝配式橋梁施工現(xiàn)狀,分析闡述預(yù)制構(gòu)

件施工過程中的施工建模形式過于機械化,施工過程

缺乏信息流通與共享,施工過程偏差過大的問題,提

出了基于 BIM 在裝配式建筑施工的智能化管理平臺,

利用 Revit 和 Dynamo 實現(xiàn)空間曲線建模,為后續(xù)施工

的一體化平臺提供模型基礎(chǔ),實現(xiàn)了施工建模的高效

性;集成 BIM、Fuzor 和 FRID 技術(shù),實現(xiàn)對預(yù)制構(gòu)件的

實時追蹤,解決了施工進度和信息不對稱的問題;將

3D 掃描和 VR 技術(shù)融合到 BIM 技術(shù)當(dāng)中,通過三維

激光掃描儀獲取點云模型,并使用 Qualify 軟件進行

數(shù)據(jù)比對分析,實現(xiàn)裝配式建筑施工的安全糾偏。 本

文搭建的 BIM 智能化管理平臺,能夠系統(tǒng)地對裝配式

建筑施工過程進行一體化、信息化、自動化管控。 其

利用的 Dynamo 可視化編程語言,降低了工程師的編

程使用門檻,3D 掃描技術(shù)也日益成熟化,在未來的工

程施工問題當(dāng)中,應(yīng)當(dāng)引入更多的軟件,共同與 BIM

技術(shù)搭建形成更為完整的智能化管理平臺,使得裝配

式施工更加高效, 向信息化、一體化、 智能化方向

發(fā)展。

參 考 文 獻

[1] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額司關(guān)于 2020 年度全國裝配

式建筑發(fā)展情況的通報[ J]. 建筑監(jiān)督檢測與造價,

2021,14(2):12,16.

[2] 李濱. 我國預(yù)制裝配式建筑的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 中國科技

信息,2014(7):114 - 115.

[3] 李天華,袁永博,張明媛. 裝配式建筑全壽命周期管理中

BIM 與 RFID 的應(yīng)用[J]. 工程管理學(xué)報,2012,26(3):28

- 32.

[4] 王斐,賀生云. 基于 Revit 軟件的裝配式住宅精準(zhǔn)快速建

模技巧研究[ J]. 寧夏工程技術(shù),2019,18 ( 2 ):106 -

112,117.

[5] 趙海平. 融合 BIM 與 3D 打印技術(shù)的裝配式建筑應(yīng)用

[J]. 建筑技術(shù)開發(fā),2022,49(4):99 - 102.

[6] 孫玉芳,吳霞,何孟霖,等. 基于 BIM + 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的裝

配式建筑全過程質(zhì)量管理研究[ J]. 建筑經(jīng)濟,2021,42

(5):58 - 61.

[7] 梁爽. 裝配式建筑施工偏差預(yù)測及控制研究[D]. 包頭:

內(nèi)蒙古科技大學(xué),2019.

[8] 沈彬. 基于“Revit + Dynamo”模式的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)

件建模[C] / / 2021 年工業(yè)建筑學(xué)術(shù)交流會論文集(下

冊),2021:1016 - 1019.

[9] 常春光,吳飛飛. 基于 BIM 和 RFID 技術(shù)的裝配式建筑

施工過程管理[ J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),

2015,17(2):170 - 174.

[10] 蔡曉莉. 淺析 BIM + 3D 打印在裝配式建筑中的應(yīng)用

[J]. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2021,20(17):50 - 51.

[11] 杜亮. BIM 技術(shù)在洋縣漢江特大橋施工管理中的應(yīng)用

[J]. 甘肅科技,2016,32(22):99 - 102,34.

[12] 張梓穎,楊子哲,曾志強,等. 基于 VR 與 BIM 技術(shù)的裝

配式結(jié)構(gòu)建模及可視化實現(xiàn)[ J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2022

(19):140 - 143.

(上接第 71 頁)

垃圾桶、電梯監(jiān)控和監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)信息的感知,并進

行個人信息的收集,包括年長者的健康情況信息、幼

兒的實時軌跡和健康信息收集,進行信息數(shù)據(jù)分析及

時發(fā)現(xiàn)意外情況進行精細(xì)化醫(yī)療的實踐或服務(wù)。

5 結(jié)語

CIM 智慧管理平臺為社區(qū)垂直業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了

標(biāo)準(zhǔn)化功能模塊,利用 BIM + 智慧工地決策系統(tǒng),BIM

數(shù)字建筑管控平臺,基于 3D + GIS 技術(shù)的運維平臺,

以及促數(shù)字孿生技術(shù)下的 CIM 智慧社區(qū)數(shù)字底板,構(gòu)

建四大方面。 未來,伴隨中國 CIM 應(yīng)用技術(shù)的不斷推

廣、技術(shù)研發(fā)的深度迭代化升級、管理規(guī)范體系和技

術(shù)支持政策環(huán)境的不斷進一步深化與完善,基于以中

國 CIM 技術(shù)為基礎(chǔ)平臺而構(gòu)建的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)環(huán)境,

將會變得越來越完善廣闊,涵蓋產(chǎn)業(yè)鏈及產(chǎn)業(yè)生命周

期,促進我國自主創(chuàng)新可控的高科技產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)發(fā)

展和推動各領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展,進一步促進社會互聯(lián)互

通,全方位提高了社會監(jiān)督管理水平,進一步提升社

會管理能力高效性、科學(xué)性、精細(xì)化。

參 考 文 獻

[1] 范杭茹. CIM 在智慧城市建造中的應(yīng)用研究[ J]. 廣西城

鎮(zhèn)建設(shè),2022(05):68 - 75.

[2] 邢曉旭,張恒,賈莉,等. 智慧城市體系下的智慧社區(qū)建

設(shè)模式思考與探討[C] / / . 創(chuàng)新技術(shù)·賦能規(guī)劃·慧享

未來———2021 年中國城市規(guī)劃信息化年會論文集.

2021:206 - 212.

[3] 劉創(chuàng),周千帆,許立山,等. “智慧、透明、綠色”的數(shù)字孿

生工地關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[ J]. 施工技術(shù),2019,48

(01):4 - 8.

[4] 黃宏慶. BIM 技術(shù)在建設(shè)項目全生命周期中的應(yīng)用與探

討[C] / / 中國水利學(xué)會地基與基礎(chǔ)工程專業(yè)委員會.

2021 水利水電地基與基礎(chǔ)工程技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展. 中國

水利水電出版社,2021:603 - 607.

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

BIM 技術(shù)在大跨度雙曲面屋面中的應(yīng)用

蘇思聰

(福建省九龍建設(shè)集團有限公司 福建廈門 361008)

摘 要:隨著經(jīng)濟水平的發(fā)展,文化思想建設(shè)日益興盛,各種展覽館博物館建設(shè)紛紛拔地而起。 廈門海滄區(qū)政府特邀

普利茲克建筑獎獲得者 - 王澍大師,以五代時期董源的《瀟湘圖卷》為藍本,結(jié)合閩南傳統(tǒng)古民居特色,設(shè)計了金沙書

院項目。 屋面取重山疊院為概念,共設(shè)五重屋脊,整體造型重巒疊嶂,連綿不絕;但復(fù)雜的造型也為施工帶來極大的挑

戰(zhàn),主要分析梳理 BIM 技術(shù)在金沙書院項目中,針對大跨度雙曲面屋面施工所進行的一些輔助指導(dǎo)工作,根據(jù)實際的

施工情況總結(jié)了一些施工工藝的做法。 實踐表明,該方式行之有效,具有較廣的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞: 普利茲克建筑獎;王澍;BIM;雙曲面

中圖分類號:TU17 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0105 - 03

Application of BIM technology in long - span hyperboloid roof

SU Sicong

(Fujian Jiulong construction group co. ,ltd. ,Xiamen 361008)

Abstract:With the development of the economy,cultural and ideological construction is also increasingly prosperous,and the construction of

various exhibition halls and museums has sprung up; the Government of Xiamen Haicang District specially invited the Pritzker Architecture

Prize winner - Master Wang Shu,to use Dong Yuan?s work during the Five Dynasties \"Xiaoxiang Picture Scroll\" as the blueprint,combined

with the characteristics of traditional ancient houses in southern Fujian,the Jinsha Academy project was designed. The roof is based on the

concept of stacked mountains and courtyards. There are five ridges in total. The overall shape is endless and endless;the complicated shapes

has brought great challenges. This article mainly introduces some auxiliary guidance work carried out by BIM technology in the Jinsha Academy project for the construction of large - span hyperboloid roofs,and summarizes some construction techniques according to the actual construction situation. Practice shows that the the method is effective and has broad application prospects.

Keywords:Pritzker architecture prize; Wang shu; BIM; Super - curved beam double - layer slab floor; Construction technology

作者簡介:蘇思聰(1994. 05 - ),男。

E-mail:654346805@ qq. com

收稿日期:2023 - 03 - 30

0 引言

隨著材料科學(xué)與建筑技術(shù)的發(fā)展,在現(xiàn)代的文化

館、博物館等展覽館中,主體結(jié)構(gòu)往往采用大跨度形

式實現(xiàn)大空間布局。 雙曲屋面在結(jié)構(gòu)受力方面以及

外觀造型上,能很好地滿足使用與美觀需求,同時雙

曲屋面也是王澍大師常用的經(jīng)典元素之一。 在富春

山館、臨安博物館,以及最近的杭州國家版本館,均采

用了雙曲面屋頂。

1 工程概況

金沙書院總建筑面積 24 450. 12 m

2

,地上 3 層,

底下 1 層,建筑高度 22. 14 m,分南北區(qū)。 項目將雙曲

屋蓋、清水墻、夯土墻以及閩南地區(qū)特有的紅磚墻、條

石墻等元素巧妙融合在一起,體現(xiàn)了閩南地區(qū)與外界

的文化交融。 其中,雙曲屋面更是獨具特色,五重屋

脊似山似水、似靜似動,連綿不絕。 在南區(qū)主樓大講

堂、北區(qū)主樓公共展廳,屋面均設(shè)計為超高雙曲面屋

面,且為雙層設(shè)置,內(nèi)設(shè) 1. 96 m 高空腔,巧妙地將通

風(fēng)管道及雨水管隱藏在空腔中。 下層屋面板為帶有

裝飾效果的席紋清水混凝土面[1]

,整體屋面結(jié)構(gòu)復(fù)

雜,雙曲面標(biāo)高眾多,現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量要求高,雙曲

屋面效果如圖 1 所示。

圖 1 雙曲屋面 BIM 模型效果圖

2 施工難點分析

該屋面為大空間、大跨度雙曲屋面,現(xiàn)場采用木

模施工。 為追求曲面過渡自然,模板面采用以折代曲

的方式,將模板分割成足夠小的單元,隨屋面曲線切

·106· 福 建 建 筑 2023 年

點進行彎折,標(biāo)高、角度難以確定,各預(yù)埋件、管道開

口定位存在較大難度;由于雙層板屋蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜多

變,且為雙曲面,構(gòu)件形狀不規(guī)則,板面各點標(biāo)高均不

相同,設(shè)計院提供的標(biāo)高點數(shù)量少,僅能作為局部控

制點,無法滿足實際施工需要。 且各剖切面曲率不

同,模板支撐架立桿標(biāo)高需逐根計算,工作量大。 本

工程屋面樓蓋存在的主要技術(shù)特點及難點如下。

2. 1 曲面成型難

該項目屋面為雙曲面造型,跨度大,曲率大,屋面

內(nèi)側(cè)為裝飾清水混凝土(圖 2),無二次裝飾掩蓋;考

慮到鋼膜成本高,且無其他項目可重復(fù)使用,現(xiàn)場決

定采用木模施工,如何用木模做出曲面效果,成為一

個施工難點。

2. 2 雙曲屋面豎向支撐體系的成型

本項目屋面為雙向曲面造型,且 X 向與 Y 向曲率

不同,屋面豎向支撐采用盤扣式滿堂腳手架支撐體

系[2]

;與常規(guī)的高支模體系不同,雙曲面中心低四周

高,且 X 向與 Y 向曲率不同,使得每根支撐立桿的支撐

高度均不一致;設(shè)計院所提供的施工圖僅有曲率與邊

沿幾個控制點標(biāo)高(圖 3),無法滿足腳手架搭設(shè)需求。

在以往平板屋面施工中,僅需將最高點與最低點拉線,

即可準(zhǔn)確進行標(biāo)高控制;而雙曲屋面無法采用拉線的

方式,需根據(jù)曲率與立桿間距逐點計算出標(biāo)高,計算方

法復(fù)雜,工作量大,且容易出錯。 因此,如何快速精準(zhǔn)

得出每根立桿標(biāo)高,是本項目的另一個難點。

圖 2 雙曲屋面內(nèi)側(cè)裝飾清水混凝土

圖 3 屋面標(biāo)高控制點

3 施工技術(shù)方法

3. 1 施工工藝流程

BIM 模型搭建→曲面分割→木方排布深化→支

撐立桿點位深化→支撐立桿平面定位→立桿支撐高

度提取→掃地桿立桿搭設(shè)→水平桿搭設(shè)→斜拉桿、剪

刀撐搭設(shè)→立桿頂高程復(fù)核(頂托面)→板模板鋪設(shè)

(含主次龍骨)→板鋼筋施工→預(yù)埋件施工→板混凝

土澆筑。

3. 2 曲面分割與木方排布深化

(1)由于木模表面為平面,若要做出曲面效果,

需對相鄰兩塊模板之間進行一定角度的彎折來實現(xiàn)。

在一定范圍內(nèi),彎折次數(shù)越多,曲面過渡越平順;反

之,則會出現(xiàn)明顯多邊形效果。

現(xiàn)場使用的模板標(biāo)準(zhǔn)尺寸為 915 mm × 1830 mm。

首先,根據(jù)標(biāo)高控制點與曲率繪制屋面三維模型,將

曲面沿 X 向與 Y 向分割為有限個小單元模板組成,

應(yīng)用 BIM 技術(shù)的可視化功能,以 915 mm × 1830 mm

為基本單位,分別以 0. 5 倍單位、1 倍單位、2 倍單位、

3 倍單位為分割單元尺寸進行模擬,得出四種不同分

割方案的模型(圖 4 ~ 圖 5)。 從四種分割方案模型可

以看出,0. 5 倍單位分割方案曲面過渡最為平順,從

大面看已趨近于圓,2 倍與 3 倍單位分割方案已出現(xiàn)

明顯多邊形效果,觀感較差;考慮到 0. 5 倍單位分割

方案需進行大量切割,且后續(xù)模板無法重復(fù)利用,不

經(jīng)濟,所以最終選擇以 1 倍單位方案進行施工。

圖 4 915 × 1830 mm 與

457. 5 × 915 mm 分割方案

圖 5 2745 × 5490 mm 與

1830 × 3600 mm 分割方案

2023 年 08 期 總第 302 期 蘇思聰·BIM 技術(shù)在大跨度雙曲面屋面中的應(yīng)用 ·107·

(2)根據(jù)選定的 1 倍單位分割方案進行木方排布

深化(圖 6),為便于計算立桿標(biāo)高,木方統(tǒng)一采用

40 mm × 100 mm 規(guī)格,長度 1200 mm,木方水平間距

200 mm。 通過 BIM 軟件自適應(yīng)功能,輸入?yún)?shù),在曲

面模型上自動生成木方深化模型,用于可視化交底,

同時準(zhǔn)確獲取材料用量,指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

圖 6 木方深化模型

3. 3 豎向支撐立桿標(biāo)高提取

在傳統(tǒng)曲面造型施工中,若不借助計算機,需采用

函數(shù)的方法進行計算。 將雙曲面分解成(X,Y,Z)三維

坐標(biāo)系(圖 7),再根據(jù)豎向支撐布置方案分割每條邊,

形成平面網(wǎng)格,求出(Z,X)平面中 Δx 變化所對應(yīng)的 Z

值變化,再將其代入(Z,Y)平面中的 C,得出每一條豎

向網(wǎng)格線的曲率,進而根據(jù)立桿間距求出每個網(wǎng)格點

的 Z 值;計算方法十分復(fù)雜繁瑣,對技術(shù)人員的計算能

力要求較高,且計算量十分龐大。 根據(jù)本項目滿堂腳

手架布置方案,立桿間距為 900 mm 與 1200 mm 兩種,

整個屋面共計有 16 052 根立桿,若采用函數(shù)計算的方

式,工作量太過龐大,難以滿足進度需求。

圖 7 屋面三維分解

在本項目施工過程中,工程師應(yīng)用 BIM 軟件 rhino

+ grasshopper 進行參數(shù)化建模[3]

,輸入控制點標(biāo)高與

雙曲面曲率,進而直接生成準(zhǔn)確的參數(shù)化模型(圖 8);

結(jié)合滿堂腳手架立桿間距網(wǎng)格圖,在各網(wǎng)格點上布置

滿堂腳手架立桿,立桿高度由設(shè)置的參照面伸向曲面

底部進行附著,可以直接得出各網(wǎng)格點立桿高度,統(tǒng)一

扣除模板15 mm 與木方100 mm 厚度,便可得出準(zhǔn)確的

立桿支撐高度,導(dǎo)出立桿點位標(biāo)高圖(圖 9)。 之后根

據(jù)立桿支撐高度搭配水平桿與剪刀撐,為現(xiàn)場支撐架

搭設(shè)提供數(shù)據(jù)依據(jù);該方法高效便捷,數(shù)據(jù)精準(zhǔn);且在

施工中可以實時復(fù)核點位數(shù)據(jù),保證工程質(zhì)量。

圖 8 屋面支撐架深化模型

圖 9 立桿點位標(biāo)高圖

4 結(jié)語

在新式仿古建筑中,設(shè)計師們?yōu)樽非笏囆g(shù)效果,

使得建筑造型越來越復(fù)雜、多樣化,大量的異型構(gòu)件

極大地提高了施工難度[4]

;給傳統(tǒng)的施工方式帶來了

極大的挑戰(zhàn),例如清水混凝土等無二次裝飾的構(gòu)件,

對施工質(zhì)量要求即十分嚴(yán)格;通過本工程異形雙曲屋

面的施工實踐,運用 BIM 技術(shù)對屋面進行深化、曲面

分割、支撐架標(biāo)高計算等幾個主要難題進行輔助指

導(dǎo),極大地提高了雙曲屋面的施工質(zhì)量與效率,成品

達到一次成優(yōu)的效果,同時節(jié)約了施工成本,縮短施

工工期,得到了業(yè)主與代建的一致好評,也為今后類

似工程積累了寶貴的經(jīng)驗。

參 考 文 獻

[1] 龔良平. 建筑工程清水混凝土模板施工技術(shù)探究[ J]. 江

西建材,2017(22):126,131.

[2] 丁明凱. 利用 BIM 技術(shù)優(yōu)化承插型盤扣式鋼管模板支撐

架施工技術(shù)研究———以福建省婦產(chǎn)醫(yī)院項目為例[ J].

福建建筑,2022(02):123 - 126.

[3] 李峻. 現(xiàn)澆異形曲面混凝土屋面板施工技術(shù)[J]. 廣東土

木與建筑,2019,12(26):61 - 64.

[4] 周永昌. 淺談某化工廠房高架支模施工及其質(zhì)量安全保

證措施[J]. 建材與裝飾,2013(10):55 - 56.

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

某市某區(qū)排水管網(wǎng)(雨、污水)排查與分析

何景宏

(福州市城區(qū)水系聯(lián)排聯(lián)調(diào)中心 福建福州 350003)

摘 要:為了摸清現(xiàn)有排水管網(wǎng)存在的結(jié)構(gòu)性隱患和功能性隱患,建立排水管網(wǎng)健康度檔案,某市開展排水管網(wǎng)(雨、

污水)專項排查工作。 為此,本文選取某市某區(qū)排水管網(wǎng)排查的數(shù)據(jù),對該片區(qū)排水管網(wǎng)的排查結(jié)果進行分析。 通過

分析,發(fā)現(xiàn)該片區(qū)排水管網(wǎng)存在較大缺陷,建議立即開展相關(guān)修復(fù)、養(yǎng)護工作。

關(guān)鍵詞: 排水管網(wǎng);排查與分析;結(jié)構(gòu)性隱患;功能性隱患;修復(fù)

中圖分類號:TU992 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0108 - 04

Investigation and analysis of drainage pipe network (rain and sewage water) in a district of a city

HE Jinghong

(Fuzhou Urban Hydrographic Net Joint Drainage and Dispatch center,Fuzhou 350003)

Abstract:In order to find out the structural and functional hidden dangers of the existing drainage pipe network, and establish the health

degree file of the drainage pipe network, a city carried out a special investigation of the drainage pipe network (rain, sewage). This paper

selects the data of the drainage network in a district of a city to analyze the results of the drainage network in this district. According to the

analysis, the drainage pipe network in this area has major defects, and it is suggested to carry out relevant repair and maintenance work immediately.

Keywords:Drainage pipe network; Investigation and analysis ; Sturctural hidden danger; Functional hidden danger; Repair

作者簡介:何景宏(1978. 11 - ),女,工程師。

E-mail:nphjh@ 163. com

收稿日期:2023 - 04 - 23

0 引言

作為市政基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分排水管網(wǎng),承

擔(dān)著與城市安全和人居環(huán)境密切相關(guān)的雨污收集、輸

送、排放等功能,是城市的地下生命線,同時承擔(dān)著城

市防澇等重要作用。 城市排水管網(wǎng)在日常運行使用

中,受到管材本身壽命及維護保養(yǎng)措施等因素的影

響,會不斷出現(xiàn)老化、病害等缺陷問題。 缺陷的產(chǎn)生;

導(dǎo)致地下水的滲入,直接影響著管網(wǎng)的運行安全、增

加污水運輸成本等各方面的危害[1]

。

因此,利用相關(guān)檢測設(shè)備和技術(shù),定期對排水管

網(wǎng)進行排查,既能減少排水管網(wǎng)事故的發(fā)生,又能延

長管網(wǎng)的使用壽命,從而準(zhǔn)確掌握排水管網(wǎng)的健康狀

況,做到早發(fā)現(xiàn)、早解決,為管網(wǎng)維護管理決策提供科

學(xué)依據(jù)[2]

。

福州市開展排水管網(wǎng)(雨、污水)專項排查工作,

旨在通過排查收集排水設(shè)施信息化管理系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)

據(jù),摸清現(xiàn)有排水管網(wǎng)存在的結(jié)構(gòu)性、功能性隱患,為

加強排水設(shè)施運行維護工作奠定基礎(chǔ),建立排水管網(wǎng)

健康度檔案。 本文選取福州市江南片區(qū)排水管網(wǎng)

(雨、污水)排查的數(shù)據(jù),對該片區(qū)排水管網(wǎng)的排查結(jié)

果進行分析。

1 研究區(qū)域概況

福州市江南片區(qū)位于福州市主城區(qū)南部,四面臨

江,面積約為 142 km

2

,市政道路 202 條,配套排水管

網(wǎng)(雨、污水)459 km,其中雨水管網(wǎng) 251 km,污水管

網(wǎng) 208 km,如圖 1 所示。

圖 1 江南片區(qū)區(qū)域圖

2023 年 08 期 總第 302 期 何景宏·某市某區(qū)排水管網(wǎng)(雨、污水)排查與分析 ·109·

2 排查

2. 1 確定相關(guān)單位及編寫相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則

通過政府購買服務(wù)的采購模式,確定項目管理單

位、管網(wǎng)清疏排查單位、第三方監(jiān)督單位和視頻數(shù)據(jù)

加工建庫單位。 其中,工程項目管理單位負(fù)責(zé)工程項

目前期招標(biāo)準(zhǔn)備和公開招標(biāo)工作、施工期間和竣工驗

收等各類管理和協(xié)調(diào)工作;管網(wǎng)清疏排查單位負(fù)責(zé)開

展范圍內(nèi)現(xiàn)有雨、污水管線的清淤疏通、管線測繪和

雨污混接調(diào)查、管線健康度檢測評估等工作;第三方

監(jiān)督單位和視頻數(shù)據(jù)加工建庫單位按照相關(guān)的技術(shù)

導(dǎo)則和相關(guān)技術(shù)補充規(guī)定,負(fù)責(zé)監(jiān)督管網(wǎng)清疏排查單

位進行作業(yè),并對管網(wǎng)清疏排查單位提交的視頻檢測

成果進行細(xì)致核查后,全部錄入排水設(shè)施信息化管理

系統(tǒng)。

組織相關(guān)技術(shù)人員根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范,結(jié)合本地

實際編寫《管網(wǎng)排查技術(shù)導(dǎo)則》 (包括管道清疏部分、

檢測與評估部分、管線修補檢測部分)、《排水管道視

頻檢測與評估作業(yè)手冊》,由第三方監(jiān)督單位負(fù)責(zé)對

管網(wǎng)清疏排查單位的執(zhí)行情況進行監(jiān)督。

2. 2 開展排查工作

對江南片區(qū) 202 條市政道路共計 459 km 排水管

網(wǎng)(雨、污水) 進行清疏排查、管線健康度檢測評估、

數(shù)據(jù)入庫工作。 其中,管徑≥1000 mm 的污水頂管干

管不進行清疏只進行聲納檢測。 若存在雨污混接問

題,則需檢測至污水管道連接雨水管第一座(個) 雨

水檢查井(雨篦)或河渠處。 對進入企事業(yè)單位的管

線,為保持主干管線的連續(xù)性,只能排查至圍墻外側(cè)或

大門口處,但穿越上述非普查區(qū)的主干管線不能中斷。

2. 2. 1 清疏

管道清疏的主要內(nèi)容有封堵、降水、清疏、淤泥外

運等。 其中,封堵的方式有橡膠氣囊封堵、土袋封堵、

砌磚墻封堵等,清疏應(yīng)滿足管道內(nèi)窺檢測“管道內(nèi)無

淤積阻塞物”的條件。 清疏作業(yè)應(yīng)做好安全交底、安

全防護、通風(fēng)、毒氣檢測、場地清理等措施。 作業(yè)單位

須按照相關(guān)規(guī)定,制定安全、事故應(yīng)急救預(yù)案,并定期

演練。

2. 2. 2 排查檢測

排查檢測主要采取以下幾種方式:管徑≦ 300 mm

的清疏 后 采 用 管 道 潛 望 鏡 ( QV) 檢 測; 雨 水 管 徑

> 300 mm 的、污水管徑 300 mm ~ 1000 mm 的,清疏后

采用管道機器人(CCTV)視頻檢測;污水管徑≥1000 mm

的,采用聲納檢測或與 CCTV 檢測相結(jié)合的檢測方式。

在檢測過程中,如發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場檢測管段井位、管徑、

材質(zhì)、流向等與原數(shù)據(jù)庫的信息不一致時,排查檢測

單位應(yīng)及時反饋給業(yè)主單位和第三方監(jiān)督單位。 對

于采用聲納檢測的污水管段,排查檢測單位須將作業(yè)

時間上報,由業(yè)主及第三方監(jiān)督單位不定期對現(xiàn)場進

行巡察。

管道評估應(yīng)嚴(yán)格按照《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估

技術(shù)規(guī)程》(CJJ_181 - 2012)要求,確認(rèn)和評定管道結(jié)

構(gòu)性、功能性缺陷等級,并評估管段結(jié)構(gòu)性、功能性狀

況。 評估過程要依據(jù)外業(yè)記錄表及視頻文件進行,并

核對是否管段或缺陷遺漏。 相關(guān)類型缺陷等級的確

定,如表 1 ~ 表 2 所示。

表 1 管段結(jié)構(gòu)性缺陷等級評定對照表

等級 缺陷參數(shù) F 損壞狀況描述

Ⅰ F≤1

無或有輕微缺陷,結(jié)構(gòu)狀況基本不受影響,但

具有潛在變壞的可能

Ⅱ 1≤F≤3 管段缺陷明顯超過一級,具有變壞的趨勢

Ⅲ 3 < F≤6 管段缺陷嚴(yán)重,結(jié)構(gòu)狀況受到影響

Ⅳ F > 6 管段存在重大缺陷,損壞嚴(yán)重或即將導(dǎo)致破壞

表 2 管段結(jié)構(gòu)性缺陷類型評估參考表

等級 缺陷參數(shù) 運行狀況說明

Ⅰ G≤1 無或有輕微缺陷,管道運行基本不受影響

Ⅱ 1≤G≤3 管道過流有一定的受阻,運行受影響不大

Ⅲ 3 < G≤6 管道過流受阻比較嚴(yán)重,運行受到明顯影響

Ⅳ G > 6

管道過流受阻很嚴(yán)重,即將或已經(jīng)導(dǎo)致運行

癱瘓

考慮整個工期時間跨度較長,對已完成外業(yè)排查

檢測的管段,應(yīng)以 7 d 為一個周期,對檢測管段進行

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、檢測評估、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換加工,并及時生成

相關(guān)管段的成果資料和入庫成果數(shù)據(jù)(階段成果數(shù)

據(jù)),以 U 盤為存儲介質(zhì)和外業(yè)原始記錄,一并報送

至第三方監(jiān)督單位,入庫成果數(shù)據(jù)格式,應(yīng)滿足排水

設(shè)施信息化管理平臺的需要。

2. 2. 3 第三方監(jiān)督

城區(qū)管網(wǎng)排查面廣量多,檢測工作具有不可逆

性。 第三方監(jiān)督區(qū)別于項目驗收,是強調(diào)過程控制,

有錯即糾,可避免既成事實后的大面積返工。

第三方監(jiān)督包括前期監(jiān)督(如檢測儀器、技術(shù)人

員情況的審核等)、檢測與評估方法的監(jiān)督、視頻文件

可靠性的監(jiān)督(如對視頻播放的連續(xù)性及相鄰管段視

頻銜接情況進行督查)、對項目進度的監(jiān)督、對檢測成

果質(zhì)量的監(jiān)督(如按不低于 5% 抽樣比例對管段檢測

準(zhǔn)確性與完整性進行督查;用 QV 按 1% 的比例進行

抽查,確認(rèn)管段檢測的真實性)、對排水管線修補測成

果數(shù)據(jù)的監(jiān)督。

·110· 福 建 建 筑 2023 年

江南片區(qū)排水管網(wǎng)檢測成果,共計抽查 1529 段

管段 ( 包括主、 支管), 長度為 36. 625 km, 比例為

8. 0% ;QV 共計抽查 152 段管段(包括主、支管),長度

為 4. 712 km,比例為 1. 0% 。 通過抽查發(fā)現(xiàn),有 26 段

管段視頻未拍攝地面參照物且無相鄰管段銜接視頻;

存在管段信息錯誤的管段計 164 段,管口水位與管段

淤積未滿足《管網(wǎng)排查技術(shù)導(dǎo)則》要求的計 160 段,文

件名命名錯誤的管段計 20 段;檢測不完整的管段共計

220 段,管道參數(shù)計算不準(zhǔn)確的管段共計102 段,4 m 切

片圖片質(zhì)量不符合《管網(wǎng)排查技術(shù)導(dǎo)則》要求的管段共

計 133 段。 根據(jù)現(xiàn)場記錄表、管道缺陷狀況信息表及

檢測視頻文件,發(fā)現(xiàn)有 425 段管段存在缺陷遺漏(其中

存在Ⅲ、Ⅳ級缺陷遺漏的有 189 段管段)、722 段管段存

在缺陷等級判定不合理、缺陷位置或缺陷類型錯誤。

以上問題均以整改通知單、督查記錄表(共 62 份)形式

告知管網(wǎng)清疏排查單位,并跟蹤其改正進度。

2. 2. 4 數(shù)據(jù)加工入庫

管網(wǎng)清疏排查單位將管網(wǎng)檔案資料提交至第三

方監(jiān)督單位審核,提交的資料應(yīng)包括:檢測信息表(管

段缺陷信息表、管段狀況信息表和管段健康度分段圖

片信息表)、檢測視頻和檢測照片等。 上述資料和排

水管線普查建庫成果數(shù)據(jù),構(gòu)成排水設(shè)施信息化管理

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。 檢測信息表最終的入庫成果包括

4 張表格,其中管段缺陷點信息表、管段缺陷線信息

表、管段健康度分段圖片信息表,是經(jīng)過空間化形成

MDB 格式的 Personal Geodatabse 數(shù)據(jù)文件中,具有可

視化對象的 3 個圖層,管段狀況信息表則以表格形式

存儲在數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)內(nèi)容和各檢測信息表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

設(shè)計均應(yīng)符合《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》

(CJJ_181 - 2012)的要求。

按照數(shù)據(jù)檢查→匹配數(shù)據(jù)對應(yīng)的管線起點、終點

坐標(biāo)→計算數(shù)據(jù)中切片點、缺陷點或線的位置→空間

化數(shù)據(jù)中切片點、缺陷點或線的位置→歸檔整理檢測

視頻、檢測照片的順序形成數(shù)據(jù)庫。 由視頻數(shù)據(jù)加工

建庫單位錄入排水設(shè)施信息化管理系統(tǒng)。

3 結(jié)果分析

對江南片區(qū)的排水管網(wǎng)存在結(jié)構(gòu)性、功能性缺陷

情況進行統(tǒng)計,共發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性缺陷 58 540 處,功能性

缺陷 19 453 處。

3. 1 結(jié)構(gòu)性缺陷

結(jié)構(gòu)性缺陷分為破裂、變形、腐蝕、錯口、起伏、脫

節(jié)、接口材料脫落、支管暗接、異物穿入、滲漏等。 江

南片區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)性缺陷以破裂、滲漏、腐蝕、錯口為主

要特征,占結(jié)構(gòu)性缺陷總數(shù)的 88. 9% ,如圖 2 所示;四

種結(jié)構(gòu)性缺陷占比如圖 3 所示。

圖 2 結(jié)構(gòu)性缺陷分類

圖 3 四種結(jié)構(gòu)性缺陷各級占比圖

根據(jù)圖 3 可以得知:一是破裂主要體現(xiàn)在 II 級、

IV 級,對管網(wǎng)現(xiàn)狀運行影響較大,屬中、重型缺陷;二

是滲漏主要體現(xiàn)在 I 級、II 級,腐蝕、錯口主要體現(xiàn)在

II 級,對管網(wǎng)現(xiàn)狀運行影響較小,屬輕、中型缺陷。

這些缺陷的產(chǎn)生,可能存在以下幾方面的原因:

一是管齡、管徑、埋設(shè)深度、土壤、接口密封性等因素

均易造成管道的破裂;二是引起管道腐蝕的主要因

素,有污水水質(zhì)、管內(nèi)流速、溫度、管齡等。 其中,混凝

土管材、鋼筋混凝土管材因耐酸堿腐蝕和抗?jié)B性能較

差,最易發(fā)生腐蝕缺陷;三是施工、管理不當(dāng)或地基變

化,均易引發(fā)接口錯位等問題,在混凝土管中較為常

見(原因是混凝土管和鋼筋混凝土管管節(jié)短、接頭多、

施工較為復(fù)雜);四是出現(xiàn)滲漏的主要因素有管材、附

屬設(shè)備和施工質(zhì)量、地基基礎(chǔ)、管渠回填土等。 此外,

管道破裂、腐蝕也會引發(fā)滲漏。

3. 2 功能性缺陷

功能性缺陷分為沉積、結(jié)垢、障礙物、殘墻壩根、

樹根、浮渣等。 江南片區(qū)內(nèi)的功能性缺陷以樹根、障

礙物為主要特征,占功能性缺陷總數(shù)的 95. 8% ,如圖

4 所示;二種功能性缺陷占比如圖 5 所示。

2023 年 08 期 總第 302 期 何景宏·某市某區(qū)排水管網(wǎng)(雨、污水)排查與分析 ·111·

圖 4 功能性缺陷分類

圖 5 二種功能性缺陷各級占比圖

根據(jù)圖 5 可以得知:一是樹根主要體現(xiàn)在 I 級,

但功能性缺陷中僅 I 級樹根缺陷就占 60. 2% 之多。

雖屬輕型缺陷,其對管網(wǎng)現(xiàn)狀運行造成的危害不容小

覷;二是障礙物主要體現(xiàn)在 IV 級,占障礙物缺陷總數(shù)

量的46. 0% 。 當(dāng)城市遭遇暴雨時,其勢必嚴(yán)重影響管

道的過流能力,造成排水管道排水能力受限,導(dǎo)致路

面上雨水存積,進而對城市交通造成影響。

這些缺陷產(chǎn)生可能有以下幾方面的原因:一是該

片區(qū)地處南方,樹木繁多且根系發(fā)達,樹根易從管道

錯口、破裂處深入;二是障礙物多存在于缺乏日常維

護管理的排水管道,且管道過長、管徑較小、水力坡度

較小等因素,也會增加管道的堵塞。

4 管網(wǎng)修復(fù)建議

根據(jù)排查出的缺陷,結(jié)合實際,現(xiàn)將修復(fù)建議如

下:一是梳理排查出的 I、II 級缺陷,對可能影響管道

結(jié)構(gòu)或即將演變?yōu)橹卮笕毕莸?制定修復(fù)計劃,有序

組織施工修復(fù);二是針對排查出的 III、IV 級缺陷制定

修復(fù)計劃,進行修復(fù)完繕;三是對破裂、滲漏、錯口的

管道,應(yīng)立即進行修復(fù),避免管道進一步破壞,造成管

道周圍中空,引發(fā)路面塌陷;四是對破裂、滲漏、腐蝕

嚴(yán)重的管道,應(yīng)立即進行更換;五是清疏管道、清障、

清除樹根等;六是對修復(fù)、處理后的管道應(yīng)進行檢測、

評估,重新確定管道的健康狀況。

5 結(jié)論

本文以福州市江南片區(qū)排水管網(wǎng)(雨、污水) 排

查的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對該片區(qū)排水管網(wǎng)的排查結(jié)果進行

分析。 經(jīng)分析,該片區(qū)排水管網(wǎng)存在較大缺陷。 在設(shè)

計、施工、日常養(yǎng)護、加強監(jiān)管這四個方面提出建議。

(1)設(shè)計方面:應(yīng)充分考慮管材特點,新建排水

管道建議采用鋼筋混凝土管,改造排水管道建議采用

球墨鑄鐵管。 鋼筋混凝土管易發(fā)生腐蝕、錯口與脫節(jié)

等缺陷,應(yīng)合理選擇管道的連接方式。 新建檢查井建

議采用鋼筋混凝土檢查井,修復(fù)檢查井建議采用離心

噴涂法、原位固化法等方法修復(fù)。 管道過長、管徑較

小、水力坡度較小,均會加大管道沉積與障礙物缺陷

等問題的風(fēng)險。 應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計規(guī)范進行管道設(shè)計,

避免因流速不暢造成管道堵塞。

(2)施工方面:應(yīng)嚴(yán)格把控管道質(zhì)量、管道接口

施工質(zhì)量,避免管道使用期間因施工不當(dāng)造成的接口

脫落;同時應(yīng)做好閉水試驗。

(3)日常養(yǎng)護方面:鋼筋混凝土管隨著管齡增

長,管道的綜合狀況會逐漸變差的狀況最為顯著,其

次是 PVC 管、HDPE 管,金屬管狀況最好。 因此,在日

常養(yǎng)護中,除管道本身結(jié)構(gòu)與功能性問題外,建議有

關(guān)主管部門建立排水管網(wǎng)健康狀況動態(tài)檢測機制,定

期對管道使用年限進行排查,應(yīng)及時更換“高齡” 管

道,避免管道安全問題。

(4) 加強監(jiān)管方面: 新建管道竣工驗收, 須有

CCTV 檢測環(huán)節(jié);加強相關(guān)法律法規(guī)宣傳、日常巡查、

監(jiān)管等力度,避免亂排、偷排現(xiàn)象的發(fā)生。

本次排查第三方監(jiān)督工作貫穿整個排查項目的

始終,既保障排查工作的開展,又保證排查項目檢測

成果的完整性和真實性,為排水設(shè)施信息化管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫建庫提供必備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),是值得推廣的工作

經(jīng)驗和方法。

參 考 文 獻

[1] 謝昌仁. 泰州市排水管道 CCTV 檢測與評價技術(shù)研究

[D]. 揚州: 揚州大學(xué),2019.

[2] 王滿. 城市排水管網(wǎng)健康檢測關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用[ J].

城市勘測,2021(4):158 - 162.

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

大直徑污水排海鋼管海域段敷設(shè)施工技術(shù)

蘇茂森

(中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門分公司 福建廈門 361003)

摘 要:依托廈門前埔污水處理廠三期工程(排海管),分析梳理鋼管整體溜放下水、海上浮拖就位及沉管安裝成套施

工技術(shù)。 主要施工方法:大直徑污水排海鋼管在鄰近沙灘加工焊接拼接成 290 m,整體架設(shè)在溜放平臺,通過千斤頂?shù)?/p>

頂升,使管道產(chǎn)生偏心力并沿滑道滾動入水,管道下水后,由錨艇將管道拖運至 150 m 外深水區(qū)域交給拖輪,通過拖輪

及兩艘錨艇組成拖運編隊,將管道運至指定位置并交付起重船,然后通過管道內(nèi)完全注入海水。 待管內(nèi)空氣全部排出

后,將管道調(diào)平,最后將管道沉入到基槽墊層上。 管道接頭包封采用混凝土結(jié)構(gòu),鋼模板為一次性構(gòu)件,混凝土采用水

下自密實混凝土,在水下不分散且能自然密實。

關(guān)鍵詞: 污水排海管;大直徑鋼管;海上施工;整體溜放;浮拖;沉管

中圖分類號:TU992 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0112 - 06

Laying construction technology of large - diameter sewage discharge steel pipe in sea area

SU Maosen

(CCCC third Harbor Engineering Co. ,Ltd. Xiamen branch,Xiamen 361003)

Abstract:This paper introduces a complete set of construction techniques for steel pipe integral sliding into the water,floating towing in

place on the sea and sinking pipe installation based on the sea drainage pipe project of Xiamen Qianpu Sewage Treatment Plant. Main construction methods:the large - diameter sewage discharge steel pipes are processed,welded and spliced into 290m near the beach,and erected on the sliding platform as a whole. Through the jack lifting, the pipe generates eccentric force and rolls into the water along the

slide. After the pipe is launched,the anchor boat hauls the pipe to the 150m deep water area and hands it to the tugboat. The tugboat and

two anchor boats form a hauling formation to transport the pipe to the designated location and deliver it to the crane boat; Then completely

inject seawater into the pipeline,level the pipeline after all the air in the pipeline is discharged,and finally sink the pipeline onto the foundation trench cushion; The pipe joint is encased in concrete structure. The steel formwork is a one - time component. The concrete is underwater self compacting concrete,which is not dispersed underwater and can be naturally compacted.

Keywords:Sewage discharge pipe; Large diameter steel pipe; Offshore construction; Overall sliding; Floating towing; Immersed tube

基金項目:廈門市建設(shè)局科技項目(XJK - 2021 - 9)

作者簡介:蘇茂森(1990 - ),男,工程師。

E-mail:634740253@ qq. com

收稿日期:2023 - 01 - 29

0 引言

隨著對海洋環(huán)境認(rèn)識的深化,人們發(fā)現(xiàn)海洋本身

具有巨大的物理、化學(xué)生物自凈能力。 污水深海排放

工程所依據(jù)的原理,主要是利用污水在海洋中的混合

與輸送,達到凈化水質(zhì),保護環(huán)境的目的。 沿海城市

利用地理優(yōu)勢,規(guī)劃建設(shè)大量的污水排海管工程[1]

。

陸域施工一般采用明挖或頂管方法[2 - 3]

;而海域排海

管的埋設(shè)借鑒海上石油管道的施工方法,采用鋪管船

法和拖管法。 鋪管船法包括 S 型鋪管法、J 型鋪管法

以及卷管式鋪管法[4 - 5]

。 拖管法鋪設(shè)即將作業(yè)前已

經(jīng)預(yù)先在陸地上制備好的一定長度管道,通過牽引船

拖拉至預(yù)定位置后,將管道連接完整,再下沉至海底

的方法[6]

。 在這種情況下,比較困難的海管制造程序

可以在陸上進行。 拖管法根據(jù)牽引過程中管道所處

的海水深度,可分為以下四種方法:底拖法、離底拖

法、浮拖法、可控深度拖法。 國內(nèi)學(xué)者主要針對海洋

油氣工程對拖管法進行較多研究,如趙冬巖等[7]研究

了浮拖法、底拖法和離底拖法三種拖管方法的施工工

藝及管道應(yīng)力變形。 趙鑫[8] 以大港油田在趙東平臺

至埕海 1 - 1 人工島海底輸油輸氣管線工程為依托,

介紹陸地預(yù)制、浮拖就位、海上對接的施工技術(shù)。 童

小飛[9]以柬埔寨 PAPA 石油貢布海底輸油管道工程

為例,介紹了管道陸上拼裝、滑移下水、水上拖運、海

上對接、配重沉放、錨碇的施工工藝與措施。 胡知輝

等[10]等以浙江舟山大陸引水三期工程為例,采用了

無安裝殘余應(yīng)力的水平口對接方法,進行超大外徑

(1. 228 m)及海底管道長距離(1. 2 km)的對接與沉管

施工。 余志兵[11] 采用有限元軟件 Orcaflex,對海管浮

2023 年 08 期 總第 302 期 蘇茂森·大直徑污水排海鋼管海域段敷設(shè)施工技術(shù) ·113·

拖式鋪設(shè)過程進行模擬,得到拖航牽引力、水平對接及

下放時舷側(cè)吊機的布置和浮筒設(shè)置等數(shù)據(jù)。 張捷

等[12]介紹了海底管道安裝分析方法及校核準(zhǔn)則。

針對污水排海管的案例介紹相對較少。 陸斌[13]

嘉興市污水排海工程的工藝、結(jié)構(gòu)、防水防腐。 陳

新[14]介紹了舟山市島北污水處理廠排海工程采用沉

管法的施工工藝。 郭佩佩[15] 介紹了浙江省某開發(fā)區(qū)

污水處理廠尾水排海工程的主要設(shè)計思路,探討了排

海管道管材和入海點位置選擇原則、陸上管道和水下

管道設(shè)計及管道基礎(chǔ)處理方法;楊潞等[16] 依托廣東

省汕頭市潮陽區(qū)污水排海工程案例,對排海口位置、

管徑管材、管道施工方法、放流管段設(shè)計等方面進行

方案優(yōu)化設(shè)計;高法啟等[17] 則從溝槽開挖、海上運

輸、配重塊設(shè)置、下沉敷設(shè)等方面,介紹該工程采用鋪

管船法的施工工藝。

海上油氣工程的管道相對于污水排海管道的管

徑減小,埋深較深,施工工藝不盡相同。 而目前國內(nèi)

對超長大直徑污水排海鋼管的海上施工工藝研究相

對較少,經(jīng)驗積累不多。 基于此,本文以廈門前埔污

水處理廠排海管工程為例,詳細(xì)介紹超長大直徑鋼

管整體溜放下水技術(shù)、海上浮拖就位技術(shù)及沉管安

裝技術(shù)。

1 工程概況

廈門前埔污水處理廠三期工程(排海管)位于廈

門市思明區(qū)東部海域,分陸域段和海域段,如圖 1

所示。

圖 1 廈門前埔污水處理廠三期工程(排海管)線位圖

管徑為 DN2800 mm,管道外徑 2830 mm。 陸域段

采用頂管施工,海上段各管道施工方式如下:

(1)沙灘圍堰段(BK0 + 000 ~ BK0 + 030)采用明

挖基坑、管道混凝土包封后回填。

(2)放流管段(BKO + 030 ~ BK1 + 797. 219)管周

采用中砂,回填至管頂以上 2. 8 m 處,并采用模袋混

凝土護砌,厚度 250 mm,如圖 2 所示。

圖 2 放流管斷面圖(單位:mm)

(3)擴散段(BK1 + 797. 219 ~ BK1 + 907. 219)管

周采用中砂回填至管頂以上 2. 8 m 處,并采用袋裝碎

石保護,厚度300 mm ,頂部采用模袋在回填至現(xiàn)狀海

床標(biāo)高,厚度 1500 mm。

海上安裝總長 1907 m,按施工方式進行劃分,具

體劃分如圖 3 所示。

圖 3 海域段管道分段施工示意圖(單位:m)

放流管安裝:管長為 290 m 的管節(jié) 6 根,44 m 長

的海陸對接段管 1 根,合計 1784 m;擴散管將管節(jié)、三

通在陸域連接成整根,水上安裝長度 93 m,安裝好擴

散管后水下安裝沖洗管及上升管。

海域放流管海上沉放里程為 BK0 + 030 ~ BK1 +

814,管道未端擴散管里程為 BK1 + 814 ~ BK1 + 907,

管長 93 m,擴散管管徑從 2800 mm 遞減到管徑為

1200 mm。 在擴散器管上布置 7 根 ?800 mm 的排放

豎管、排放管頂面均布置 5 只排放鴨嘴閥,管道未端

設(shè)一根沖洗管。

2 超長大直徑鋼管整體溜放下水技術(shù)

2. 1 溜放下水前的準(zhǔn)備工作

管道在鄰近沙灘加工焊接拼接成 290 m。 管

道下水拖運前提前綁好鋼絲繩,鋼絲繩按一圈半

捆綁外露兩個接頭,并做好限位措施( 焊接小鋼板

限位,鋼板同管道防腐) ,鋼絲繩外露接頭靠管道

處、端頭處及中間均用尼龍繩扎緊。 鋼絲繩扎緊

后長度仍太長,拖運中可能存在風(fēng)險,應(yīng)將外露鋼

絲繩再用尼龍繩扎緊在管道上,鋼絲繩端頭吊點

·114· 福 建 建 筑 2023 年

上設(shè)浮球,確保入水后,即使因管道翻轉(zhuǎn),也能較

快找到接頭,如圖 4 所示。

圖 4 管道吊點捆綁示意圖

管道下水前提前在兩側(cè)盲板上焊接拖運吊耳兩

個,吊耳可至少承受拖力 50 t,帶好卸扣綁好尼龍繩,

如圖 5 所示。

(a)拖運吊耳設(shè)計圖(單位:mm)

(b)拖運吊耳現(xiàn)場照片

圖 5 拖運吊耳設(shè)計圖及現(xiàn)場照片

下水時間選擇在當(dāng)天最高潮水位前 1 h 左右進

行,同時需視現(xiàn)場風(fēng)力情況,風(fēng)力在 4 級左右時方可

進行溜放下水,現(xiàn)場風(fēng)力超過 6 級時嚴(yán)禁下水。

2. 2 溜放下水操作過程

管道出運下水采用液壓千斤頂頂升,管道依靠重

心順滑道自由滑動至水上。 溜放平臺設(shè) 13 個滑道,

共 13 個千斤頂,兩側(cè) 2 個千斤頂,各一個液壓系統(tǒng)控

制,中間每 3 個千斤頂采用一個液壓系統(tǒng)控制,共 5

個液壓系統(tǒng)。 管道下水平臺如圖 6 所示。

(a)管道下水平臺設(shè)計圖

(b)管道下水平臺實物圖

圖 6 管道下水平臺

13 個千斤頂對應(yīng)的5 個液壓系統(tǒng)頂升時,必須聽

從總指揮的口令,做到頂升一致。 通過多次反復(fù)頂

升,使千斤頂行程達到 20 cm 時,此時坡度傾角達 5°,

管道偏心質(zhì)量差值為 493 kg / m,管道依靠偏心力使管

道沿滑道滾動入水,管道在水位標(biāo)高 + 1. 5 m(85 高

程)時下水。

3 超長大直徑鋼管海上浮拖就位技術(shù)

3. 1 管道拖運

兩側(cè)盲板吊耳處提前綁好拖纜繩,拖纜繩選用直

徑 100 mm 的錦綸尼龍纜繩,并提前與錨艇連接。 管

道下水后,由錨艇將管道拖運至 150 m 外深水區(qū)域,

如圖 7 所示。

圖 7 錨艇與管道位置圖

錨艇將管道拖至深水區(qū)域交給拖輪。 拖運采用

1 艘 2200 hp(1670 kW)半回轉(zhuǎn)拖輪作為主拖,位于管

道的前部;管道后部采用 1 艘 1200 hp(900 kW)全回

轉(zhuǎn)拖輪作為副拖,用于調(diào)整管道姿態(tài)。 兩艘拖輪及兩

艘錨艇組成拖運編隊,錨艇用直徑 80 mm 的尼龍纜繩

2023 年 08 期 總第 302 期 蘇茂森·大直徑污水排海鋼管海域段敷設(shè)施工技術(shù) ·115·

與管道上鋼絲繩連接;在編隊作業(yè)時,拋錨艇與管道

保留 10°的傾角,如圖 8 所示。

(a)管道拖帶編隊示意圖(mm)

(b)兩側(cè)拋錨艇與管道連接細(xì)部圖

圖 8 拖輪 - 拋錨艇 - 管道連接示意圖

按事先拖航路線進行拖帶。 該設(shè)定好的線路輸

入拖輪的電子海圖中。 拖輪航速按每小時 3 ~ 5 節(jié),

在接近起重船約 0. 5 海里時減速,由管道的慣性向

前,各船只需提供穩(wěn)住管道航向的動力。

若拖運過程出現(xiàn)意外情況,導(dǎo)致拖運時間超過高平

潮后3h,潮水不滿足拖輪交付起重船,則將前拖輪拋錨

固定,通過全回轉(zhuǎn)后拖輪調(diào)整拖帶方向至順應(yīng)水流方向,

兩側(cè)錨艇配合控制管道穩(wěn)定。 發(fā)布航行警告,兩艘警戒

船做好警戒措施,待下個潮位再進行交付起重船。

3. 2 交付起重船

當(dāng)管道尾部拖帶到距起重船約 100 m 時,尾部拖

輪調(diào)轉(zhuǎn)方向,由主拖輪控制方向,撤離兩側(cè)拋錨艇,依

靠高平潮后的退潮流及前后拖輪拉力,必要時增加起

重船上的鋼絲繩,配合拖輪牽引管道至定位樁。

管道抵達定位樁側(cè)后,拋起重船前錨及前中心

錨,將起重船吊住管道吊點,拆除拖輪與管道連接并

撤離,完成交付起重船。

4 超長大直徑鋼管沉管安裝施工技術(shù)

4. 1 主管段安裝

(1)定位樁沉樁及拆除

為確保安裝精度,管道拖運施工前,在管道軸線上,

按50 m 的間距插打鋼管定位樁,定位樁為 ?800 mm ×

16 mm 的鋼管樁,樁長為 24 m 的 27 根,36 m 的 11

根。 定位樁采用起重船吊振動錘進行沉樁作業(yè),選用

DZJ - 150 型電動振動錘配雙夾具作為沉樁動力,整

機工作重量 8600 kg,激振力 0 ~ 950 kN,許用拔樁力

420 kN;同時在起重船船艏上安裝簡易導(dǎo)向龍口,以

保證樁的位置及垂直度。

(2)系扣、拆除封板

采用雙抬吊的主方法進行施工,如圖 9 所示。

圖 9 290 m 主管吊點示意圖

管道下水前,將先將長度為 20 m 的短鋼絲吊索

繞管道一圈半,按設(shè)定的吊點位置對管道進行綁扎進

行捆綁,并用短鋼板焊接限位,以防鋼絲繩滑動,同時

短鋼絲繩設(shè)置泡沫浮標(biāo)。 管道拖運至安裝現(xiàn)場后,將

短鋼絲繩用卸扣與起重船主吊鋼絲繩連接,如圖 10

所示。 起重船選擇公稱抗拉強度為 1770 MPa、直徑

80 mm 的鋼芯鋼絲繩。

圖 10 管道捆綁示意圖

由一名起重指揮負(fù)責(zé)指揮兩船,將管道吊離水面

約 0. 5 m。 起吊時,通過起重船重量,顯示器顯示的

設(shè)定重量進行調(diào)整及分配各船吊重。

將拖運所用的拋錨艇?？康焦艿蓝瞬?由錨艇小

吊桿下的吊鉤吊住盲板上預(yù)留的耳板,人工拆下盲板

與法蘭的連接螺絲,將封堵管道的盲板拆下后,吊到

起重船甲板上放置,如圖 11 所示。

圖 11 拆除盲板示意圖

·116· 福 建 建 筑 2023 年

(3)管道安裝及對接

試吊完成后,管道安裝下放前,在管道兩端系上測

量繩,分別用機動艇拉住,以便隨時測量管道入水深度。

所有準(zhǔn)備工作完成后,將管道移到定位樁側(cè),由

測量人員再次測量管道端頭位置。 當(dāng)軸線及起點位

置復(fù)測無誤后,開始沉管作業(yè)。

①管道注水

兩船同時緩慢下鉤,使管底入水約 20 cm,使管道

緩慢進水。 當(dāng)管口兩端不再向管內(nèi)進水時,再次松放

20 cm,再次使管道進水,重復(fù)以上至管道吃水約 1. 5 m

時,將一艘起重船單船松放 20 cm,使管道形成一個斜

坡,便有于管道內(nèi)的氣體排出。 兩船同時松放管道

20 cm,通過多次反復(fù)操作,將管道內(nèi)完全注入海水,

管內(nèi)空氣全部排出后,將管道調(diào)平。

②管道沉放

水流較緩時,測量人員再次檢查管道端頭位置及

軸線,確認(rèn)無誤時,兩船同時松放管。

管道松放時,指揮人員根據(jù)管道兩端測量的入水

深度,指揮兩船的松放速度,通過調(diào)整兩船的松放速

度,使管道兩端高差小于 300 mm,最后將管道沉入到

基槽墊層上。 管道沉到基床后,由潛水員探摸管道是

否貼靠在定位樁上,確認(rèn)無誤后,拆除鋼絲,進入下一

根管道安裝單元。

第二節(jié)及后續(xù)長管道安裝時,按上述同樣方法進

行施工。 但在法蘭對接時,需在將已安裝管道接頭

處,由潛水員采用水下高壓水射流作業(yè),清理一個深

度約 800 mm,長度為 2000 mm 的槽。 此槽原先已由

抓斗船開挖成型,以便于潛水員水下對接法蘭,同時

作為澆筑封堵混凝土的空間。

當(dāng)?shù)诙?jié)管道松放到距基床約 4 m 時,潛水員沿管

道兩端的測量繩入水,探摸管道接口情況,同時指揮水面

起重船調(diào)整管道位置,將管道松放到距基床約50 cm。

管道拆除盲板后,在管道內(nèi)焊接兩根定位用的槽

鋼,如圖 12 所示。 下放管節(jié)后,指揮起重船插入上一

節(jié)管道內(nèi),進行初步定位。

圖 12 鋼管內(nèi)定位鋼板施工照片

潛水員下水采用直徑 48 mm 的鋼絲繩穿入兩個法

蘭孔內(nèi),通過起重船上的卷揚機略微帶點牽引力,潛水員

繼續(xù)指揮起重船,調(diào)整管道接頭的位置,使兩管接頭的高

程及軸線對齊,用 4 根直徑 50 mm,長度為 500 mm 的圓

鋼穿入兩個法蘭的螺絲孔中作為導(dǎo)向。 起重船移船,將

兩管口貼緊,再將法蘭螺絲穿入法蘭孔,并用風(fēng)動扳手?jǐn)Q

緊,最后拆除圓鋼,換上法蘭螺絲并擰緊。

管道安裝時,潮水標(biāo)高達到水位 + 1. 6 m 時,可

滿足起重船吃水要求。 即在高潮前 1h 起管道多次緩

慢沉放,最終沉入基槽內(nèi),如圖 13 所示。 完成該項工

作后,兩艘起重船退至基槽內(nèi)等待下一個潮位。

圖 13 起重船吊裝意圖

4. 2 壓重塊安裝

壓重塊由預(yù)制場預(yù)制裝船,并運到施工現(xiàn)場進行安

裝作業(yè)。 壓重塊長度 4. 8 m、寬度 0. 5 m、高度 3. 3 m,

底部有預(yù)留管道空間,騎在管身上,每塊約 4. 43 m

3

,

重約 11 t。 壓重塊安裝由起拋錨艇進行吊裝,潛水員

水下配合。 因塊體為 5 m 一塊,在安裝時由潛水員在

水下用長度為 4. 5 m 的鋁管水下丈量壓重塊的間距。

4. 3 接頭包封

(1)模板施工

模板采用鋼模板,鋼模板由起重船吊放到管道接

頭處并安放到位,潛水員水下鎖上堵漏圍板,檢查周

邊與墊層接觸情況,管底用袋裝砂填實,防止漏漿,如

圖 14 所示。

圖 14 接頭包封模板示意圖(單位:mm)

2023 年 08 期 總第 302 期 蘇茂森·大直徑污水排海鋼管海域段敷設(shè)施工技術(shù) ·117·

在鋼模板安裝前,先由潛水員將管道接頭底部的

碎石及泥土進行清理,直至距管底約 800 mm,再鋪設(shè)

300 mm 的碎石墊層,確保管底混凝土厚度達到 500 mm,

以保證混凝土的封堵厚度。

主體模板由拋錨艇吊放入水中,卡住管道,封堵

的小模板一側(cè)尖角吊裝入水后,另一根鋼絲繩繞過管

道,綁在另一側(cè)尖角上。 通過潛水員配合移動模板,

起吊模板試封堵模板與主體模板閉合,通過潛水員依

據(jù)封堵模板的螺栓孔水下氣割主模板,穿入螺栓,達

到整體閉合模板的效果。 模板安裝完后,對模板外側(cè)

堆填部分沙袋進行額外封堵。

(2)混凝土澆筑

混凝土采用 C25 水下混凝土,混凝土澆筑采用起

重船吊住澆筑用的料斗及導(dǎo)管,通過拋錨艇,將運輸

船上的 2 m

3 料斗內(nèi)混凝土導(dǎo)入澆筑料斗內(nèi)澆筑,運

輸船不斷往返運輸混凝土。 由于水下混凝土不能振

搗密實,混凝土采用水下自密實混凝土,在水下不分

散且能自然密實。

鋼模板為一次性構(gòu)件,澆筑后不拆,同管道一樣

回填砂等。

5 結(jié)語

(1)大直徑污水排海鋼管海上段,一般采用沉管

法施工。 為了提高施工效率,本文提出將若干節(jié)鋼管

在陸地上焊接拼裝成 290 m 長的大管段,并將該管段

溜放入海;為確保 290 m 的超長管段均勻溜入海里,

管道出運下水采用液壓千斤頂頂升,通過多次反復(fù)頂

升,使千斤頂行程達到 20 cm 時,此時坡度傾角達 5°,

管道偏心質(zhì)量差值為 493 kg / m,管道依靠偏心力使管

道沿滑道滾動入水。

(2)管道下水后,由錨艇將管道拖運至 150 m 外深

水區(qū)域交給拖輪。 拖運采用1 艘2200 hp(1670 kW)半

回轉(zhuǎn)拖輪作為主拖,位于管道的前部;管道后部采用

1 艘 1200 hp(900 kW)全回轉(zhuǎn)拖輪作為副拖,用于調(diào)

整管道姿態(tài)。 管道抵達定位樁側(cè)后,拋起重船前錨及

前中心錨,將起重船吊住管道吊點,拆除拖輪與管道

連接并撤離,完成交付起重船。

(3)通過管道內(nèi)完全注入海水,管內(nèi)空氣全部排

出后將管道調(diào)平,最后將管道沉入到基槽墊層上;管

道沉到基床后,由潛水員探摸管道是否貼靠在定位樁

上,在確認(rèn)無誤后拆除鋼絲,進入下一根管道安裝

單元。

(4)接頭包封采用混凝土結(jié)構(gòu),鋼模板為一次性

構(gòu)件,混凝土采用水下自密實混凝土,在水下不分散

且能自然密實。

(5)本文提出的施工工藝,可為大直徑污水排海

鋼管海上段的施工提供參考。

參 考 文 獻

[1] 朱建勇. 談污水排海管項目施工階段管控要點[ J]. 工程

建設(shè)與設(shè)計,2020(05):280 - 282.

[2] 薛宏偉. 大直徑污水排海管頂管施工對反力墻影響分析

[J]. 市政技術(shù),2022,40(03):162 - 168.

[3] 賴銀波. 大口徑污水排海管頂管工作井施工力學(xué)效應(yīng)分

析[J]. 土工基礎(chǔ),2021,35(06):674 - 681.

[4] Subsea pipelines and risers[M]. Elsevier,2005.

[5] Bai Q,Bai Y. Subsea pipeline design,analysis,and installation[M]. Gulf Professional Publishing,2014.

[6] ZHAO D,YU J,LI X. Study and analysis of submarine pipeline laying using tow method[J]. Ocean Technology,2008,3.

[7] 趙冬巖,余建星,李秀鋒. 海底管道拖管法分析和研究

[J]. 海洋技術(shù),2008(03):84 - 89.

[8] 趙鑫,郝木水,陸赟蕓. 趙東平臺至埕海 1 - 1 人工島海

底管道敷設(shè)施工技術(shù)[J]. 中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,

2013,34(01):130.

[9] 童小飛. 近岸淺海海底輸油管道施工技術(shù)[ J]. 港工技

術(shù),2021,58(03):91 - 95.

[10] 胡知輝,佟光軍,唐彪,等. 超大管徑海底管道長距離岸

拖及復(fù)雜海況下水平口對接施工技術(shù)[ J]. 中國海上油

氣,2019,31(01):155 - 160.

[11] 余志兵,郝雙戶,劉極莉,等. Orcaflex 在海管浮拖式安裝分

析中的應(yīng)用[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備,2020,164(04):28 -31.

[12] 張捷,陳偉鵬. 海底管道安裝分析及鋪設(shè)工藝[ J]. 石油

和化工設(shè)備,2020,23(06):28 - 31.

[13] 陸斌. 嘉興市污水排海工程的設(shè)計[ J]. 中國給水排水,

2004(01):58 - 61.

[14] 陳新. 舟山市島北污水處理工程排海管道的設(shè)計與施工

[J]. 中國市政工程,2013,166(03):32 - 35,114 - 115.

[15] 郭佩佩. 某開發(fā)區(qū)污水處理廠尾水排海工程設(shè)計探討

[J]. 市政技術(shù),2018,36(04):195 - 198,201.

[16] 楊潞,魏旭,雷培樹. 紡織印染環(huán)保綜合處理中心尾水排

海管設(shè)計[J]. 給水排水,2021,57(07):60 - 63.

[17] 高法啟,洪莫添,魏斌,等. 污水處理達標(biāo)后尾水排海工

程實踐[ J]. 城市道橋與防洪,2022,283 ( 11 ):141 -

144,19.

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

城市工業(yè)用地海綿城市設(shè)計要點探究

———以某科技園區(qū)為例

郝曉宇

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司廈門分公司 福建廈門 361006)

摘 要:針對工業(yè)用地綠地率低、硬化比例高、坡屋頂較多的特點,以某科技園區(qū)為例,對城市工業(yè)用地海綿城市的設(shè)

計要點進行探討。 綜合考慮場地豎向、道路橫坡、綠地分布、建筑雨落管可斷接點位、場地雨水管網(wǎng)及排口等多方面因

素,科學(xué)劃分匯水分區(qū),明確不同類型匯水分區(qū)的技術(shù)路線,對雨落管斷接、雨水花園提出創(chuàng)新設(shè)計做法,計算雨水花

園及蓄水池的調(diào)蓄規(guī)模,論證建設(shè)目標(biāo)的可達性,為同類型項目的海綿城市設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞: 海綿城市;匯水分區(qū);雨落管斷接;雨水花園;蓄水池

中圖分類號:TU992 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0118 - 05

Exploring the Key Points of Sponge City Design for Urban Industrial Land

———Taking a certain technology park as an example

HAO Xiaoyu

(Shanghai Municipal Engineering Design Institute (Group) Co. , Ltd. Xiamen Branch,Xiamen 361006)

Abstract:Aiming at the characteristics of industrial land such as low green space rate,high hardening ratio,and many sloping roofs,this paper discusses the design points of a sponge city for urban industrial land, taking a science and technology park as an example. Comprehensively consider various factors such as the vertical direction of the site,the cross slope of the road,the distribution of green

space,the interruptible points of rainwater downpipes in buildings,the rainwater pipe network and drainage outlets in the site,scientifically

divide the catchment areas,clarify the technical routes for different types of catchment areas,propose innovative design practices for rainwater downpipe disconnection and rainwater gardens,calculate the regulation and storage scale of rainwater gardens and reservoirs,and demonstrate the accessibility of construction goals,Provide reference for sponge city design of similar projects.

Keywords:Sponge city; Catchment zone; Rain pipe disconnection; Rainwater garden; Reservoir

基金項目:上海市科委項目“基于多源遙感技術(shù)的城市內(nèi)澇災(zāi)害預(yù)警關(guān)

鍵技術(shù)研究與示范”(21511103700)。

作者簡介:郝曉宇(1990. 5 - ),女,工程師。

E-mail:654598538@ qq. com

收稿日期:2023 - 02 - 06

0 引言

2022 年,隨著“十四五”全國第二批系統(tǒng)化全域推進

海綿城市建設(shè)示范城市的公布,25 個城市入選。 結(jié)合

2021 年首批入選的20 個城市,至此,全國已有45 個海綿

城市建設(shè)示范城市,各地的海綿建設(shè)工作正如火如荼開

展。 源頭地塊的海綿建設(shè)是全域系統(tǒng)化建設(shè)的重要基

礎(chǔ),應(yīng)優(yōu)先借助自然生態(tài)的力量實現(xiàn)雨水徑流削峰錯峰、

污染削減和雨水資源化利用等復(fù)合功能,回歸自然滲透、

自然積存、自然凈化的健康水循環(huán)。

源頭地塊包括居住、公建、商服、工業(yè)、物流倉儲、

公用設(shè)施用地。 其中,工業(yè)用地作為城市建設(shè)用地的

重要組成部分,相比民用建筑用地,具有綠地率低、硬

化比例高、坡屋頂較多的特點[1 - 2]

,應(yīng)針對性地開展

海綿城市設(shè)計。

本文以某科技園區(qū)為例,對城市工業(yè)用地海綿城

市設(shè)計過程中的諸多要點進行探討分析,為同類型項

目設(shè)計提供參考。 園區(qū)總用地面積 45 750 m

2

,包括

20 棟標(biāo)準(zhǔn)廠房、配電房、門衛(wèi)、道路、地面停車位及綠

地。 地塊所在區(qū)域水網(wǎng)密布,水系發(fā)達,周邊市政雨

水管道建設(shè)完善,排水條件良好。

1 基本釋義

工業(yè)用地,指獨立設(shè)置的工廠、車間、手工業(yè)作

坊、建筑安裝的生產(chǎn)場地、排渣(灰)場地等用地。 根

據(jù)工業(yè)用地對居住和公共設(shè)施等環(huán)境的干擾和污染

程度,分為一類、二類和三類工業(yè)用地,其中污染程度

較低、環(huán)境干擾較小的一類工業(yè)用地和二類工業(yè)用地

屬于一般工業(yè)用地[3]

。 本項目屬于一般工業(yè)用地。

海綿城市是指通過城市規(guī)劃、建設(shè)的管控,綜合

采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”等技術(shù)措施,有效控制城

市降雨徑流,最大限度減少城市開發(fā)建設(shè)行為對原有

自然水文特征和水生態(tài)環(huán)境造成的破壞,使城市能夠

像“海綿”一樣,在適應(yīng)環(huán)境變化、抵御自然災(zāi)害等方

2023 年 08 期 總第 302 期 郝曉宇·城市工業(yè)用地海綿城市設(shè)計要點探究 ·119·

面具有良好的“彈性”,實現(xiàn)自然積存、自然滲透、自

然凈化的城市發(fā)展方式,有利于達到修復(fù)城市水生

態(tài)、涵養(yǎng)城市水資源、改善城市水環(huán)境、保障城市水安

全、復(fù)興城市水文化的多重目標(biāo)[4]

。

2 建設(shè)目標(biāo)與技術(shù)路線

2. 1 建設(shè)目標(biāo)

該科技園區(qū)屬于城市新建工業(yè)用地,依據(jù)上位海

綿專項規(guī)劃,項目年徑流總量控制率應(yīng)≥70% ,年徑

流污染控制率應(yīng)≥55% 。 此外,結(jié)合科技園區(qū)綠色節(jié)

能環(huán)保的要求,考慮對場地雨水進行收集,經(jīng)過凈化

處理達到相關(guān)水質(zhì)要求后回用,主要用于綠地澆灑及

道路沖洗。

2. 2 技術(shù)路線

園區(qū)屋頂均為坡屋頂,綠色屋頂沒有實施空間;

綠地率僅為 20% 且綠地寬度較窄,雨水花園等生物

滯留設(shè)施實施條件受限,應(yīng)結(jié)合實際情況合理布置;

內(nèi)部道路需承載重型貨車,荷載要求較高,無法敷設(shè)

透水鋪裝;地面機動車車位可采用植草磚鋪裝,非機

動車位可采用透水磚鋪裝。

綜上考慮,選擇雨水花園、植草溝、植草磚、透水

磚鋪裝等綠色海綿設(shè)施來控制場地雨水。 針對部分

雨水直排導(dǎo)致無法達標(biāo)的區(qū)域,考慮綠灰結(jié)合,在末

端設(shè)置蓄水池,共同完成地塊的規(guī)劃控制目標(biāo)。

針對園區(qū)匯水特點,結(jié)合以上海綿設(shè)施,將其分

為源頭分散式處理區(qū)、末端集中處理區(qū)、直排區(qū)三種

類型,如圖 1 所示。

圖 1 不同類型分區(qū)示意圖

(1)分散式源頭處理區(qū)

雨落管可斷接的屋面、路面、大部分停車位及圍

墻內(nèi)綠地的徑流雨水經(jīng)植草溝收集轉(zhuǎn)輸后,進入雨水

花園,得到充分的滯留及凈化,超標(biāo)雨水溢流排入雨

水管道。

(2)末端集中處理區(qū)

雨落管不可斷接的屋面徑流雨水及東西兩側(cè)條

狀停車位的徑流雨水,經(jīng)雨水管道收集后進入蓄水

池,經(jīng)凈化處理后儲存,以供場地內(nèi)道路、綠化澆灑

用水。

(3)直排區(qū)

兩處雨落管不可斷接且無法排至蓄水池的屋面

徑流雨水,及南側(cè)圍墻外綠地徑流雨水,經(jīng)雨水管道

收集后,直接排放至市政雨水管道。

綜上分析,總體技術(shù)路線如圖 2 所示。

圖 2 技術(shù)路線圖

3 設(shè)計要點

3. 1 匯水分區(qū)劃分

(1)道路橫坡

道路為雨水匯集的天然阻隔,對于匯水分區(qū)劃分

十分重要。 園區(qū)內(nèi)有行車需求,道路分為主要車行道

和次要車行道,道路寬度較寬且橫坡均為雙向坡。 因

此,劃分匯水分區(qū)時,應(yīng)注意將道路沿中心線分開,分

別劃分到兩側(cè)匯水分區(qū)中。

(2)綠地分布

地塊綠地主要分布在建筑周邊及道路兩側(cè),匯水

分區(qū)劃分時,應(yīng)注意結(jié)合場地豎向,保證各分區(qū)綠色

LID 設(shè)施的布局,與其對應(yīng)的雨水徑流組織路線及匯

水范圍分別對應(yīng)。

(3)建筑雨落管可斷接點位

除門衛(wèi)和配電室外,其余標(biāo)準(zhǔn)廠房的建筑雨落管

均設(shè)置于建筑外墻內(nèi)部,采用內(nèi)排水形式。 選擇部分

·120· 福 建 建 筑 2023 年

較大面積的集中綠地,將周邊建筑的部分雨落管斷接

處理,如圖 3 所示。 匯水分區(qū)劃分時,應(yīng)注意區(qū)別雨

落管可斷接和不可斷接的情況。

圖 3 雨落管分布示意圖

(4)匯水分區(qū)劃分

地塊東西兩側(cè)雨水分別匯入園區(qū)中央南北向主

干道下的兩條雨水干管中,兩條干管均由北向南分別

排入南側(cè)市政雨水管道。 根據(jù)地塊雨水管網(wǎng)分布及

排口位置劃分排水分區(qū),分別為排水分區(qū) 1 和排水分

區(qū) 2。 基于排水分區(qū)劃分結(jié)果,結(jié)合道路分隔、綠地

分布及建筑雨落管可斷接點位,進一步劃分匯水分

區(qū),每個匯水分區(qū)都是一個獨立的目標(biāo)核算單元,共

劃分 46 個匯水分區(qū),如圖 4 所示。

圖 4 匯水分區(qū)劃分圖

3. 2 雨落管斷接設(shè)計

不同于外排水形式的建筑雨落管,可在外墻與地面

交界處直接斷接,傳統(tǒng)內(nèi)排水形式的建筑雨落管,沿著內(nèi)

墻直接從地下接入室外雨水檢查井,斷接難度增大。

設(shè)計考慮雨落管在地下水平敷設(shè)一段距離后向

上伸出地面,通過一個 180°彎頭斷接至植草溝中,在

雨落管的水平管底處開兩排 25 mm 孔洞,一排 4 個孔

洞,孔洞間距 100 mm,外側(cè)包裹土工布,如圖 5 所示。

此做法既可保證屋面雨水通過雨落管斷接排至植草

溝內(nèi),又避免雨落管水平段內(nèi)積水。

圖 5 雨落管斷接示意圖

3. 3 雨水花園設(shè)計

雨水花園是生物滯留設(shè)施的一種,在地勢較低處,

通過強化的土壤、植物和微生物系統(tǒng)滯留、滲濾、凈化徑

流雨水[5]

。 應(yīng)利用有限的綠地條件,盡可能分散設(shè)置較

多的雨水花園,充分發(fā)揮源頭的徑流控制作用。

傳統(tǒng)雨水花園設(shè)計為兩側(cè)放坡式下凹,對綠地面

積及寬度范圍有一定要求。 本項目針對帶狀綠地寬

度較窄的情況,創(chuàng)新性提出利用垂直鋼板支撐代替放

坡的技術(shù),既可保證雨水花園較大的下凹深度,又避

免對外側(cè)路基和內(nèi)側(cè)建筑物基礎(chǔ)造成不良影響。

針對寬度僅有 2 m 或不足 2 m 的部分帶狀綠地,

采用“0. 5 m 寬普通綠地(路緣石開口通道) + 8 mm

鋼板 + 0. 6 m 寬雨水花園 + 8 mm 鋼板 + 0. 9 m 寬普

通綠地”的形式,在雨水花園兩側(cè)設(shè)置鋼板支撐,如圖

6 所示。

圖 6 帶狀雨水花園平面示意圖一(單位:mm)

2023 年 08 期 總第 302 期 郝曉宇·城市工業(yè)用地海綿城市設(shè)計要點探究 ·121·

針對寬度大于 2 m 的部分帶狀綠地,采用“0. 5 m

寬普通綠地(路緣石開口通道) + 8 mm 鋼板 + 0. 6 m

寬雨水花園 + 1. 05 m 寬放坡段 + 普通綠地(寬度為

變量)”的形式,在雨水花園外側(cè)設(shè)置鋼板支撐,內(nèi)側(cè)

仍采用傳統(tǒng)放坡(坡比 1∶ 3),如圖 7 所示。

圖 7 帶狀雨水花園平面示意圖二(單位:mm)

在靠近道路的 0. 5 m 寬普通綠地中,設(shè)置預(yù)制不

銹鋼溢流槽(10 m ~ 15 m 設(shè)一個),對應(yīng)外側(cè)鋼板處

設(shè) 50 mm × 150 mm 的開槽,雨水從開槽處溢流進入

溢流槽后排至雨水管道,如圖 8 所示。

圖 8 帶狀雨水花園剖面示意圖(單位:mm)

此外,針對局部大塊綠地,仍設(shè)計為傳統(tǒng)兩側(cè)放

坡的雨水花園,通過植草溝,將路面或雨落管斷接雨

水引入。

雨水花園屬于滯蓄設(shè)施,滲透、滲濾及滯蓄設(shè)施

的徑流體積控制規(guī)模應(yīng)按下列公式計算[5]

:

Vin = Vs + Win

式中:Vin———設(shè)施的徑流體積控制規(guī)模,m

3

;

Vs———設(shè)施有效滯蓄容積,包括設(shè)施頂部和結(jié)構(gòu)內(nèi)

部蓄水空間的容積,m

3

,其中設(shè)施頂部蓄水空間容積一

般按設(shè)施面積和蓄水深度計算確定;結(jié)構(gòu)內(nèi)部蓄水空間

一般按設(shè)施面積、結(jié)構(gòu)層高度及孔隙率計算確定;

Win———設(shè)施降雨過程中的入滲量,m

3

;本項目由

于雨水花園離建筑物基礎(chǔ)及路基較近,底部和側(cè)壁均

設(shè)置防滲膜,因此不計算其入滲量。

以下對每平方米雨水花園的調(diào)蓄容積進行計算:

Vin = Vs = h × 1 × m1 + (h1 × n1 × 1 + h2 × n2 × 1) × m2

其中,h———有效蓄水深度,取 0. 25 m;

h1———土壤滲透層深度,取 0. 5 m;

h2———礫石排水層深度,取 0. 3 m;

n1———土壤孔隙率,取 30% ;

n2———礫石孔隙率,取 35% ;

m1———蓄水層折減系數(shù),取 0. 85(考慮植物及斷

面形狀的折減);

m2———結(jié)構(gòu)層折減系數(shù),取 0. 8(考慮植物根系、

斷面形狀、地下管線的折減)。

經(jīng)計算,每平方米雨水花園的調(diào)蓄容積為:

Vs = 0. 25 × 1 × 0. 85 + (0. 5 × 30% + 0. 3 × 35% )

× 1 × 0. 8 = 0. 42 m

3

。

3. 4 蓄水池設(shè)計

蓄水池采用可清洗模塊,具有運輸方便、組裝便

利、安裝方便的優(yōu)點。 雨水處理工藝流程應(yīng)根據(jù)收集

雨水的水量、水質(zhì),以及雨水回用水質(zhì)要求等因素,經(jīng)

技術(shù)經(jīng)濟比較后確定[6]

。

雨水經(jīng)雨水管網(wǎng)收集后排入棄流裝置,將初期雨

水棄流至污水管道,后期較為清澈的雨水進入蓄水

池,經(jīng)一體化處理設(shè)備(內(nèi)含全自動清洗過濾器和紫

外線消毒器)進行過濾殺菌后進入清水池,用作地塊

內(nèi)的綠化澆灌及道路沖洗。

下文分別采用雨水回用量需求及末端調(diào)蓄容積

需求兩種方法,計算蓄水池容積。

(1)雨水回用量需求

綠化澆灌用水定額應(yīng)根據(jù)氣候條件、植物種類、土

壤理化性狀、澆灌方式和管理制度等因素綜合確定。

當(dāng)無相關(guān)資料時,小區(qū)綠化澆灌最高日用水定額可按

澆灌面積 1. 0L/ (m

2·d) ~ 3. 0 L/ (m

2·d)計算,干旱

地區(qū)可酌情增加[7]

,本項目考慮按 2. 0L/ (m

2 ·d)計

算。 雨水回用損失率 10% ,每天考慮澆灑 1 次,綠化

澆灌的日用水量計算如表 1 所示。

表 1 綠地澆灌日用水量計算表

排水分區(qū)

綠地面積

(m

2

)

用水定額

(L / (m

2·d))

日用水量

(m

3

/ d)

一區(qū) 3955. 15 2. 0 8. 70

二區(qū) 5050. 87 2. 0 11. 11

小區(qū)道路、廣場的澆灑最高日用水定額可按澆灑

·122· 福 建 建 筑 2023 年

面積 2. 0 L / (m

2·d) ~ 3. 0 L / (m

2·d)計算[7]

,本項

目考慮按 2. 0L / ( m

2 · d) 計算。 雨水回用損失率

10% ,每天考慮澆灑 1 次,道路及廣場澆灑的日用水

量計算如表 2 所示。

表 2 道路澆灑日用水量計算表

排水分區(qū)

道路、廣場面積

(m

2

)

用水定額

(L / (m

2·d))

日用水量

(m

3

/ d)

一區(qū) 8280. 49 2. 0 18. 22

二區(qū) 9327. 93 2. 0 20. 52

根據(jù)以上計算結(jié)果,計算一區(qū)和二區(qū)的綠化澆灌和

道路澆灑的日用水量分別為26. 92 m

3

/ d 和 31. 63 m

3

/ d。

按照 3 日用水量進行雨水回用量測算,一區(qū)和二

區(qū)的雨水回用量分別為 80. 76 m

3

、94. 89 m

3

。 因此,

一區(qū)、二區(qū)蓄水池規(guī)模分別暫按 80 m

3

、100 m

3 考慮。

(2)末端調(diào)蓄容積需求

對源頭設(shè)施進行合理布局。 經(jīng)計算,排水分區(qū)一

區(qū)、二區(qū)的雨水花園調(diào)蓄容積分別為 201. 18 m

3 和

198. 66 m

3

。 結(jié)合設(shè)計,調(diào)蓄容積 276. 18 m

3和 322. 62 m

3

的需求,一區(qū)、二區(qū)末端仍需調(diào)蓄容積分別為 70. 60 m

3

、

125. 07 m

3

。

綜合考慮以上兩種方法計算出的蓄水池規(guī)模,最

終確定蓄水池規(guī)模分別為一區(qū) 80 m

3

、二區(qū) 130 m

3

。

4 目標(biāo)可達性分析

(1)年徑流總量控制率

對有設(shè)施控制的分區(qū),根據(jù)各分區(qū)的設(shè)施實際的

徑流體積,控制規(guī)模,核算其所對應(yīng)控制的降雨量,通

過查閱“年徑流總量控制率與設(shè)計降雨量關(guān)系曲線

圖”,得到各分區(qū)實際的年徑流總量控制率[4]

。

對無設(shè)施控制的分區(qū),應(yīng)按下式估算其年徑流總

量控制率:α = (1 - ψ) × 100%

[4]

。

根據(jù)各分區(qū)的設(shè)施分布情況,對 46 個分區(qū)的年

徑流總量控制率分別進行核算,將各分區(qū)年徑流總量

控制率,按包括設(shè)施自身面積在內(nèi)的分區(qū)匯水面積加

權(quán)平均,得到地塊的年徑流總量控制率為 70. 5% ,滿

足建設(shè)目標(biāo)要求。

(2)年徑流污染控制率

年徑流污染控制率應(yīng)根據(jù)年徑流總量控制率和

設(shè)施 SS 平均去除率計算得出[8]

。 雨水花園對 SS 去

除率為 70% ~ 90%

[5]

,本項目取 80% ;蓄水池對 SS

去除率為 80% ~ 90% ,本項目取 85% 。

對 46 個分區(qū)的年徑流污染控制率分別進行核

算,同樣按加權(quán)平均的方法,得到地塊的年徑流污染

控制率為 57. 6% ,滿足建設(shè)目標(biāo)要求。

5 結(jié)語

本文以某科技園區(qū)為例,對海綿城市設(shè)計過程中

的諸多要點進行探討分析,為同類型項目設(shè)計提供

參考。

(1)匯水分區(qū)劃分應(yīng)綜合考慮場地豎向、道路橫

坡、綠地分布、建筑雨落管可斷接點位、場地雨水管網(wǎng)

及排口等多方面因素進行科學(xué)劃分,明確不同類型匯

水分區(qū)的技術(shù)路線。

(2)針對內(nèi)排水形式的建筑雨落管,根據(jù)建筑周

邊綠地條件,確定雨落管可斷接點位,將雨落管在地

下水平敷設(shè)一段距離后,向上伸出地面斷接至植草溝

中,在雨落管的水平管底處開孔,同時外側(cè)包裹土工

布防止管內(nèi)積水。

(3)針對帶狀綠地寬度較窄的情況,創(chuàng)新性提出

利用垂直鋼板支撐代替放坡的技術(shù),既可保證雨水花

園較大的下凹深度,又避免對外側(cè)路基和內(nèi)側(cè)建筑物

基礎(chǔ)造成不良影響。

(4)根據(jù)雨水回用量需求及末端調(diào)蓄容積需求,

共同確定蓄水池容積,既滿足整體雨水徑流控制要

求,又最大限度地滿足雨水回用需求。

參 考 文 獻

[1] 黃黛詩,王寧,吳連豐,等. 海綿城市理念下既有工業(yè)廠

區(qū)建設(shè)方案研究[J]. 給水排水,2019,55(11):63 - 66.

[2] 張甘林. 武漢市某工業(yè)廠區(qū)海綿城市方案設(shè)計實例探究

[J]. 浙江建筑,2020,37(1):13 - 16.

[3] 謝勝,吳晨浩,呂永鵬. 工業(yè)項目的海綿城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與

技術(shù)要點[J]. 凈水技術(shù),2021,40(3):118 - 121.

[4] GB/ T 51345 - 2018 海綿城市建設(shè)評價標(biāo)準(zhǔn)[S]. 2018.

[5] T/ CUWA 40052 - 2022 雨水生物滯留設(shè)施技術(shù)規(guī)程

[S]. 2022.

[6] GB50400 - 2016 建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)

規(guī)范[S]. 2016.

[7] GB50015 - 2019 建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S]. 2019.

[8] 海綿城市建設(shè)技術(shù)指南———低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建

(試行)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2017.

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

地下管線參數(shù)化建模中管線碰撞問題分析與對策

———以福州市倉山區(qū)項目為例

朱武松

(福州市勘測院有限公司 福建福州 350108)

摘 要:傳統(tǒng)平面形式的地下管線資料,已經(jīng)難以直觀表達地下管線間錯綜復(fù)雜的空間關(guān)系,地下管線參數(shù)化建模技術(shù)

由此應(yīng)運而生。 然而,管線碰撞(管線模型交叉)問題成為了地下管線參數(shù)化建模工作中的常見問題。 為此,從原始管線

幾何數(shù)據(jù)精度、建模算法完善程度以及模型對實體外觀的復(fù)原程度三個維度,對地下管線參數(shù)化建模的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)

加工以及軟件開發(fā)全流程進行復(fù)核,發(fā)現(xiàn)管口平面位置與實地不一致、建模采用的管線規(guī)格不準(zhǔn)確、管線的探測位置未

進行修正三項導(dǎo)致管線碰撞問題的主要因素,為此,給出提高數(shù)據(jù)采集精度、豐富參數(shù)設(shè)置字典以及完善建模軟件算法

三項應(yīng)對措施,并在福州市倉山區(qū)地下管線三維建模工作中進行實踐,大幅降低了管線碰撞問題的發(fā)生概率。

關(guān)鍵詞: 地下管線;參數(shù)化建模;管線碰撞;三維建模;三維管線

中圖分類號:TU99 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0123 - 04

Case Analysis and Countermeasure of Pipeline Overlapping in Parameterized

Modeling of Underground Pipelines

———Case of Cangshan District of Fuzhou

ZHU Wusong

(Fuzhou Invsetigation & Surveying Institute Co. ,Ltd. ,Fuzhou 350108)

Abstract:The traditional flat form of underground pipeline data is no longer able to intuitively express the complex spatial relationships between underground pipelines,and parameterized modeling technology for underground pipelines has emerged. However,the problem of pipeline overlapping (pipeline model intersections) has become a common problem in parameterized modeling of underground pipelines. To this

end,a review of the entire process of data collection,data processing,and software development for parameterized modeling of underground

pipelines was conducted from three dimensions: the accuracy of original pipeline geometric data,the completeness of modeling algorithms,

and the degree of restoration of the physical appearance of the model. It was found that three main factors leading to pipeline overlapping

problems were inconsistency between the pipe orifice plane position and the field,inaccurate pipeline specifications used in modeling,and

uncorrected detection positions of pipelines,Three countermeasures were proposed to improve the accuracy of data acquisition,enrich the

dictionary of parameter setting and improve the algorithm of modeling software. The practice was carried out in the 3D modeling of underground pipelines in Cangshan District,Fuzhou City,which greatly reduced the probability of pipeline overlapping.

Keywords:Underground pipeline; Parameterized modeling; Pipeline overlapping; 3D modeling; 3D pipeline

作者簡介:朱武松(1979 - ),男,高級工程師。

E-mail:5885317@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 25

0 引言

地下管線作為城市基礎(chǔ)設(shè)施,在能源供應(yīng)、信息

流通等方面發(fā)揮著重要作用。 但是,其空間位置信息

以及屬性信息獲取困難,信息準(zhǔn)確度低,表現(xiàn)出很強

的隱蔽性。 隨著城鎮(zhèn)化進程的快速推進,城市地下管

線的數(shù)量及規(guī)模不斷增大,構(gòu)成狀況也越發(fā)復(fù)雜,使

得傳統(tǒng)平面形式的地下管線資料已經(jīng)難以直觀表達

地下管線間錯綜復(fù)雜的空間關(guān)系。

《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》(CJJ/ T 157 - 2010)作

為國內(nèi)最早的針對城市三維建模制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),在

6. 4. 3. 1 中對管線模型的建模方式進行了規(guī)定:宜利

用管線普查或竣工測量數(shù)據(jù)自動生成管線模型,也可

以利用交互式 CAD,進行幾何建模或激光掃描方式建

模[1]

。 在規(guī)范的指導(dǎo)下,各種參數(shù)化自動構(gòu)建地下管線

模型的技術(shù)應(yīng)運而生,經(jīng)過十余年的不斷發(fā)展,形成了各

式各樣基于不同技術(shù)架構(gòu)的參數(shù)化建模軟件[2 -3]

。

然而,在地下管線參數(shù)化建模工作中,管線碰撞

問題極為常見,與實地情況嚴(yán)重不符。 本文以一個典

型的參數(shù)化建模成果為例,分析導(dǎo)致管線碰撞問題的

主要因素,并提出應(yīng)對措施。

1 案例簡介

圖 1 為福州市倉山區(qū)某路段的三維實景樣例,該

項目中地下管線模型的加工采用參數(shù)化建模的方式

進行。 地下管線參數(shù)化建模不同于手工建模,其建模

幾何精度會受到原始管線幾何數(shù)據(jù)精度、原始管線幾

·124· 福 建 建 筑 2023 年

何數(shù)據(jù)完整度以及參數(shù)化建模軟件算法的完善程度

等多重因素的影響。 因此,地下管線參數(shù)化建模工作

完成后,必須對其進行必要的檢查。

圖 1 三維實景樣例圖

在對該項目的階段成果進行空間合理性檢查時,

發(fā)現(xiàn)大量不同管線模型之間的干涉問題。 以圖 2 為

例,排水管道模型頂部侵入位于上方的共通管塊模

型,違背管線分布的合理性。 此類問題將其稱之為管

線碰撞問題。

圖 2 管線碰撞細(xì)節(jié)放大圖

2 案例分析

為了解決管線碰撞問題,分別從原始管線幾何數(shù)

據(jù)精度、建模算法完善程度以及模型對實體外觀的復(fù)

原程度三個維度,對地下管線參數(shù)化建模的數(shù)據(jù)采

集、數(shù)據(jù)加工以及軟件開發(fā)全流程進行復(fù)核。

在對地下管線參數(shù)化建模全流程的復(fù)核過程中,

發(fā)現(xiàn) 3 處可能導(dǎo)致管線碰撞的因素,分別是:管口平面

位置與實地不一致,如圖 3 ~ 圖 4 所示。 建模采用的管

線規(guī)格不準(zhǔn)確、管線的探測位置未進行修正。

圖 3 排水檢查井模型俯視圖

圖 4 排水檢查井實物照片

2. 1 管口平面位置與實地不一致

《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》 (CJJ 61 - 2017)

中附錄 J(管線圖樣圖)中排水管段 PS31 - PS26,如圖

5 所示,用起止點分別位于兩個排水井的地面投影中

心的連線來表示排水管道,排水管道的管口位于兩個

排水井的地面投影中心,如圖 6 所示,而實際情況是,

大多數(shù)排水管道的管口位于排水井的內(nèi)壁附近。 該

情況屬于因在測量過程中未對管口的地面投影位置

進行測量(未添加井邊點),取而代之的是檢查井中

心的地面投影位置,導(dǎo)致直接利用該數(shù)據(jù)進行地下管

線參數(shù)化建模時,管口位置與管道實體之間產(chǎn)生偏

差,如圖 3 ~ 圖 4 所示。

圖 5 CJJ 61 - 2017 中附錄 J(管線圖樣圖)局部放大圖

圖 6 真實管口位置示意圖

《管線制圖技術(shù)規(guī)范》 ( CH / T 4020 - 2018) 中

9. 3. 2 規(guī)定,管井實地信息應(yīng)符合以下規(guī)定:

(1) 井室任一邊長大于 2 m 或口徑大于 2 m 時,

應(yīng)有實地井脖深度、井的形狀與尺寸、井蓋中心點、井

蓋、井深、井邊點信息。

2023 年 08 期 總第 302 期 朱武松·地下管線參數(shù)化建模中管線碰撞問題分析與對策 ·125·

(2) 井室長與寬的最大邊長大于 0. 8 m 時,應(yīng)有

實地井的形狀與尺寸、井蓋中心點、井蓋、井深、井邊

點信息。

(3) 井室長與寬的最大邊長小于 0. 8 m 時,應(yīng)具

有實地井蓋中心點及井蓋、井深信息。

雖然上述規(guī)范在井室長與寬的最大邊長小于 0. 8 m

時,未強制要求井邊點信息,但是井邊點的缺失,不僅

會導(dǎo)致管道模型管口位置出現(xiàn)偏差,還會影響到管道

模型在三維空間中的尺度和姿態(tài),長度整體偏長、坡

度整體偏小(起止點高差不變,長度增加)。

2. 2 建模采用的管線規(guī)格不準(zhǔn)確

《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》 (CJJ 61 - 2017)

中,第 5. 2. 6. 1 條規(guī)定了排水管道的管徑應(yīng)量測其公

稱直徑。 但公稱直徑與管道外徑存在一定差異,因

此,管線成果表無法對地下管線地理實體的整體尺寸

進行完整的描述,從而導(dǎo)致直接利用該數(shù)據(jù)進行參數(shù)

化構(gòu)建地下管線模型成果中的管口外輪廓尺寸與管

道實體之間產(chǎn)生偏差[4 - 5]

。 如圖 7 所 示, 以 常 規(guī)

DN800 的砼材質(zhì)排水管道為例,壁厚為內(nèi)徑的 10% ,

即 80 mm,其外輪廓直徑為 960 mm,按照規(guī)程,僅需

記錄管線內(nèi)徑為 800 mm。 但在利用該數(shù)據(jù)進行地下

管線參數(shù)化建模時,管道的空間尺寸會出現(xiàn) 160 mm

的偏差,整體尺寸變小。

圖 7 管線內(nèi)外輪廓截面規(guī)格示意圖

2. 3 管線的探測埋深未進行修正

通常情況下,經(jīng)驗豐富的探測人員,在利用電磁

感應(yīng)法對采取“管塊” 埋設(shè)方式的通信/ 電力管線進

行探查時,會首選夾鉗法對其探測,并選擇位于橫截

面上方的電纜來安置夾鉗,以提高探查成果的精度。

但是,絕大多數(shù)探測人員在利用電磁感應(yīng)法對隱蔽點

進行定位定深后,未進行空間修正。 如圖 8 所示,以

埋深為 0. 6 m、管道按 4 × 2 排列、埋設(shè)方式為塊埋的

通信管道為例,假設(shè)夾鉗套在 2 號孔位的電纜位置,

探測儀探查出來的平面位置和埋深分別會出現(xiàn):平面

位置偏差為 6. 5 cm,埋深偏差為 17. 9 cm

[6]

。

圖 8 采取“管塊”埋設(shè)方式的通信管線橫截面示意圖

隱蔽點探測位置修正是一項極易被忽視的工作,

它不僅影響管線的平面走向,還影響管線的埋深。 未

經(jīng)修正的地下管線的平面走向偏差存在不確定性,但

是埋深會整體偏深。

3 應(yīng)對措施

根據(jù)上述的分析結(jié)果以及復(fù)核過程中重新采集

的數(shù)據(jù),我們對案例采用的管線原始幾何數(shù)據(jù)以及

建模軟件算法進行了修正,并制定了不同規(guī)格排水

管道壁厚對應(yīng)表,最終重新進行地下管線參數(shù)化建

模過程,建模成果如圖 9 所示,空間合理性符合要

求。 因此,總結(jié)出應(yīng)對管線碰撞問題的三點措施。

圖 9 修正后模型案例圖

3. 1 提高數(shù)據(jù)采集精度

在數(shù)據(jù)采集方面,可以采用更加先進的地下管線

探測儀器,對地下管線進行精確的探測和標(biāo)記;可以

在普查前積極進行方法試驗,選取合適的探測儀器和

方法,同時確立針對該地區(qū)的或者某段管線的矯正參

數(shù),如表 1 所示;可以積極培訓(xùn)工作人員的技能,提升

作業(yè)能力,規(guī)范作業(yè)過程;還可以采用人工核查的方

法,對探測結(jié)果進行驗證,確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 最終,

提高地下管線參數(shù)化建模所需的原始管線幾何數(shù)據(jù)

的精度。

·126· 福 建 建 筑 2023 年

表 1 不同類型管線修正參數(shù)

序號 管線類型 埋設(shè)方式/ 探測方式 管高修正方式

1

金屬材質(zhì)

給水、燃?xì)?/p>

管埋/ 電磁法 增加一半管徑

2 電力、通訊 管埋/ 電磁法 增加一個管徑

3 電力、通訊 塊埋/ 電磁法 增加(一個管徑 + 塊壁厚)

4 電力、通訊 拉管/ 陀螺儀 增加一半管徑

3. 2 豐富參數(shù)設(shè)置字典

在參數(shù)設(shè)置方面,可以基于實際數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分

析,建立必要參數(shù)的字典。 例如:制定某一地區(qū)的某

種材質(zhì)的排水管道壁厚字典,如表 2 所示,參數(shù)化建

模時調(diào)用字典完成管線規(guī)格的換算,使其最大化接近

真實尺寸。 同時,還可以擴充原始管線的屬性字段,

進行補充調(diào)查或測量。 最終,保證地下管線參數(shù)化建

模所需的原始管線幾何數(shù)據(jù)的完整性。

表 2 砼質(zhì)排水管道壁厚字典 mm

序號 內(nèi)徑 壁厚

1 300 30

2 400 40

3 500 50

4 600 60

5 800 80

6 1000 100

7 1200 120

8 1500 150

3. 3 完善建模軟件算法

在建模軟件方面,可以尋求更加先進的軟件,或

者自主研發(fā)更適合地下管線建模的軟件。 對地下管

線參數(shù)化建模過程中必要的管線幾何數(shù)據(jù),而原始管

線幾何數(shù)據(jù)中無法直接獲取的,通過利用其它幾何信

息換算取得。 例如:正常情況下,檢查井直徑小于0. 8

時,探測人員不會測量其井邊點的平面位置,此時井

邊點的平面位置,可以通過管線起止點的空間位置及

兩端檢查井的尺寸換算取得。

還可以開發(fā)數(shù)據(jù)檢查工作,在參數(shù)化建模之前,

對可能出現(xiàn)管線碰撞問題的數(shù)據(jù)進行分析檢查,提高

作業(yè)效率。 最終,確保地下管線參數(shù)化建模過程高

效、模型成果幾何精度不低于原始管線幾何數(shù)據(jù)。

4 研究結(jié)論

當(dāng)前,國內(nèi)地下管線探測行業(yè)主要參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

為《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》(CJJ 61 - 2017),地

下管線探測及數(shù)據(jù)處理過程,本身就是一個取舍的過

程,管線圖表的解析需要一定的專業(yè)能力。 而完全依

據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下的地下管線探測數(shù)據(jù)成果進行地下管

線參數(shù)化建模,其結(jié)果,必然是難以百分百還原真實

的物理場景。 在不計工程成本的情況下,提高數(shù)據(jù)采

集精度、加密測量管線點,不僅可以直接有效避免管

線碰撞的問題,還可以弱化參數(shù)化建模軟件算法對建

模成果的影響,但這并不是最優(yōu)方案。

從成本控制的角度而言,自主開發(fā)建模軟件,可

以實現(xiàn)一次投入終身受用,無疑是最優(yōu)解。 只有讓建

模軟件算法\"理解\" 數(shù)據(jù),而不是簡單讀取數(shù)據(jù),才能

實現(xiàn)利用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下的地下管線探測數(shù)據(jù)成果,逆向

還原物理場景,從而避免管線碰撞問題。

為此,開發(fā)以還原物理場景為目標(biāo)的智能地下管

線參數(shù)化建模工具,摒棄傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換式的地下管

線參數(shù)化建模思路,在避免管線碰撞問題(尤其是井

內(nèi)管線碰撞問題)方面效果顯著[7]

。

5 結(jié)語

本文通過對地下管線參數(shù)化建模過程中管線碰

撞問題分析,結(jié)合福州市三維地下管線數(shù)據(jù)庫建設(shè)

(倉山區(qū)) 項目實例,探討如何降低地下管線參數(shù)化

建模過程中管線碰撞問題的概率,并將改進措施應(yīng)用

到福州市倉山區(qū) 140 km

2 范圍內(nèi) 6000 km 綜合管線

的三維建模工作。 整改后的三維管線模型中管線碰

撞問題數(shù)量大幅降低,減輕了人工核對的工作量,保

證項目按期完成。

從本質(zhì)上講,在探測技術(shù)、軟件技術(shù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以

及成本控制等多種因素的共同影響下,地下管線參數(shù)

化建模中的管線碰撞問題難以完全避免,為此《管線

制圖技術(shù)規(guī)范》(CH / T 4020 - 2018)中 9. 3. 2 章節(jié)也

給出了支管讓主管、小管徑讓大管徑、軟管讓硬管的

處理意見[8]

。 本文提供的提高數(shù)據(jù)采集精度、豐富參

數(shù)設(shè)置字典以及完善建模軟件算法三項整改措施,可

以極大降低管線碰撞問題的發(fā)生概率,為其他類似工

程提供借鑒。

參 考 文 獻

[1] CJJ/ T 157 - 2010 城市三維建模技術(shù)規(guī)范[S]. 2010.

[2] 詹勇,陳良超. 城市地下管網(wǎng)參數(shù)化三維建模流程與方

法[J]. 城市勘測,2017(02):19 - 24.

[3] 沈正中,葛為燎,熊成利,等. 面向規(guī)劃的三維地理實體數(shù)據(jù)

模型與生產(chǎn)技術(shù)[J]. 測繪通報,2022(09):152 -157.

[4] CJJ 61 - 2017 城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程[S]. 2017.

[5] 崔克清. 安全工程大辭典[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,

1995:120.

[6] 董博,李俊霞,李海鵬,等. 電磁感應(yīng)法在地下管線探測中的

具體應(yīng)用[J]. 北京測繪,2020,34(08):1095 -1098.

[7] 韓建威,鐘洪德,陳瑞霖,等. 利用二維管線數(shù)據(jù)生成管

道模 型 的 非 對 稱 裁 切 分 段 建 模 法 [ P ]. 福 建 省:

CN115186491A,2022 - 10 - 14.

[8] CH/ T 4020 - 2018 管線制圖技術(shù)規(guī)范[S]. 2018.

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

福州城區(qū)跨江大橋橋墩沖刷調(diào)查及對策

楊為太

(福州市市政工程中心 福建福州 350004)

摘 要:沖刷是導(dǎo)致橋梁水毀的重要因素之一。 以福州閩江跨江大橋為例,調(diào)查研究橋墩沖刷深度以及混凝土病害情

況,分析橋墩沖刷的原因,提出需重點關(guān)注的問題及對策建議。 結(jié)果表明:北港跨江大橋橋墩處河床從 2012 年至今基

本穩(wěn)定,但南港跨江大橋橋墩處河床出現(xiàn)下切趨勢;在水位變動處橋墩混凝土剝落、露筋現(xiàn)象較嚴(yán)重,采砂是引起橋墩

沖刷下切最主要的因素;而潮水上溯是引起混凝土病害最主要的因素。 為此,建議加強閩江河道以及橋梁設(shè)計、施工、

管養(yǎng)機制。

關(guān)鍵詞: 橋墩沖刷;影響因素;采砂;潮水上溯;對策建議

中圖分類號:TU99 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0127 - 04

Investigation and Countermeasures for Pier Scouring of River - spanning Bridge in Fuzhou Urban Area

YANG Weitai

(Fuzhou Municipal Engineering Center,Fuzhou 350004)

Abstract:Scouring is one of the important factors leading to bridge disaster by flood. Taking the Minjiang river - spanning Bridge in Fuzhou

as an example,an investigation has been conducted to investigate the depth of pier scouring and the concrete disease situation. The cause of

bridge pier scouring has been analyzed and Issues that need to be focused on and suggestions for countermeasures have been proposed. The

results show that the pier scouring of river - spanning bridge in north port has been basically stable since 2012,but the pier scouring of river

- spanning bridge in south port is still undercutting. The phenomenon of concrete peeling and exposed reinforcement of bridge piers is more

severe at the location of water level fluctuations. Sand mining is the main factor causing scouring and undercutting of bridge piers and tidal

uptracking is the main and important factor causing concrete diseases. Suggest strengthening the design,construction,and management and

maintenance mechanisms of the Minjiang river channel and bridges.

Keywords:Pier scouring; Influence factor; Sand mining; Tidal uptracking; Countermeasures and suggestions

作者簡介:楊為太(1981. 02 - ),男,工程師。

E-mail:343311604@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 06

0 引言

水流沖刷是造成跨江大橋破壞的重要原因之一。

水流沖刷不僅會帶走橋墩周圍的泥沙,造成局部河床

下切,而且會引發(fā)混凝土病害。 福州從 20 世紀(jì) 90 年

代至今逐步建成一批跨江大橋,部分橋梁已經(jīng)服役

20 年以上。 而這 20 年也是閩江河床演變最為劇烈的

時段。 1993 年,閩江上游水口大壩建成,導(dǎo)致大量河

沙滯流庫區(qū),下游來沙量銳減[1]

。 河砂無序挖采,進

一步減少閩江的存量河砂[2]

;河道疏浚、丁壩建設(shè)等水

利作業(yè)以及橋梁建造過程改變了閩江河勢河相。 因

此,及時了解閩江跨江大橋的橋墩沖刷現(xiàn)狀,保證閩江

跨江大橋的安全運營,是當(dāng)下迫切需要解決的問題。

基于此,對福州市跨江大橋的沖刷現(xiàn)狀進行調(diào)

查,研究福州閩江跨江大橋橋墩沖刷產(chǎn)生的影響因

素,提出相應(yīng)對策建議,為橋梁防沖刷措施的制定提

供參考。

1 橋墩沖刷現(xiàn)狀調(diào)查

1. 1 閩江概況

閩江是福建省長度最大、流域面積最大的河流,

河長541 km,上游沙溪、建溪、富屯溪三大支流在南平

延平區(qū)匯合后進入閩江干流,沿途納尤溪、古田溪、梅

溪、大樟溪等支流,流經(jīng)福州市區(qū)后由長門入海。

閩江下游河段自水口大壩開始,至連江長門入海,

全長約117 km。 閩江自淮安頭分為南北兩港,南港繞南

臺島南面,北港繞南臺島北面。 南北港在馬尾羅星塔匯

合后,折向東北角進入通海河段,后至亭江再次被分流,

北支經(jīng)連江的琯頭入海,南支經(jīng)長樂的梅花入海。

閩江下游福州城區(qū)段的跨江大橋(圖 1)主要有:

(1)北港:洪山大橋、金山大橋、尤溪洲大橋、三

縣洲大橋、解放大橋、閩江大橋、鰲峰大橋、鼓山大橋、

魁浦大橋、三江口大橋等 10 座。

(2)南港:洪塘大橋、橘園洲大橋、浦上大橋、灣

邊大橋、螺洲大橋、烏龍江大橋及復(fù)線橋、道慶洲大橋

等 8 座。

·128· 福 建 建 筑 2023 年

圖 1 閩江下游福州城區(qū)段的跨江大橋

1. 2 沖刷深度調(diào)查

收集閩江跨江大橋 2012 年至今的橋梁檢測資料

發(fā)現(xiàn),南北港跨江大橋橋墩沖刷深度的變化規(guī)律有所

不同:北港跨江大橋從 2012 年至今,河床基本保持穩(wěn)

定,而南港跨江大橋仍呈下切趨勢。

以北港尤溪洲大橋(左幅) 和南港螺洲大橋(左

幅)為例,橋梁水下部分橋墩的河床變化情況如圖 2

至圖 3 所示。 從圖中可以看出,北港尤溪洲大橋(左

幅)橋墩沖刷深度變化范圍在 2 m 以內(nèi),16#、17#橋墩

處河床呈上升趨勢。 而南港螺洲大橋(左幅)橋墩沖

刷 Z1 至 Z15 下切最大達 8 m。

圖 2 尤溪洲大橋(左幅)橋墩處河床變化

圖 3 螺洲大橋(左幅)橋墩處河床變化

1. 3 混凝土病害調(diào)查

對閩江全部跨江大橋的橋墩及樁基混凝土病害

進行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)在橋墩水位變動區(qū)、浪濺區(qū)和潮差區(qū)

等干濕交替位置,出現(xiàn)混凝土麻面、剝落、坑洞、露筋、

鋼筋銹蝕等病害,并伴有貝類生物附著。 部分橋墩混

凝土剝落后縮頸嚴(yán)重,如圖 4 ~ 圖 6 所示。

圖 4 墩臺表面麻面露骨

圖 5 墩臺表面露筋

圖 6 墩臺混凝土坑洞

2 沖刷下切影響因素分析

2. 1 河道無序采沙導(dǎo)致閩江存量河沙銳減

閩江河沙是一種優(yōu)質(zhì)的建筑材料。 從 20 世紀(jì) 90

年代起,閩江河沙就開始被大規(guī)模開采用于城市建

設(shè),并出口至韓國、日本等地。 據(jù)不完全統(tǒng)計,1998

年至 2006 年,閩江下游累計采沙量達 12 154 萬 t,而

同期實測來沙量僅 2717. 1 萬 t,采沙量達到來沙量的

4 倍以上,使得閩江存量河沙銳減[2]

。

2023 年 08 期 總第 302 期 楊為太·福州城區(qū)跨江大橋橋墩沖刷調(diào)查及對策 ·129·

雖然近些年閩江下游采沙作業(yè)已經(jīng)停止,非法采

沙得到有效遏制,但采沙造成的河床下切,對橋墩沖

刷已造成不可逆的影響。 主要表現(xiàn)在:采沙坑會隨水

流向下游遷移,當(dāng)采沙坑遷移至跨江大橋橋墩處,會

放大橋墩的沖刷深度。 特別是當(dāng)采沙坑一旦遷移至

橋墩時,采沙坑不會再繼續(xù)向下游遷移,對橋墩沖刷

深度的影響巨大。 因此,河道無序采沙是導(dǎo)致跨江大

橋橋墩沖刷最主要的因素。

2. 2 水口水庫攔沙導(dǎo)致閩江河床整體下切

1993 年,閩江水口水庫建成,使得壩址以上來沙

滯留在庫區(qū),導(dǎo)致下游來沙量大幅度減少(由 700 萬

噸/ 年下降至 250 萬 t / 年)。 由于閩江下游來沙“入不

敷出”,使得河床持續(xù)下切。 但是,水口水庫攔沙對閩

江河床下切的影響程度有限。 據(jù)省水利水電勘察設(shè)

計研究院的研究預(yù)測,水口水庫建成后,閩江下游閩

侯石波厝至馬尾白巖潭段屬于河床穩(wěn)定區(qū),河床平均

下 切 深 度 僅 0. 22m, 局 部 最 大 下 切 深 度 僅

1. 17 m

[3 - 6]

。

2. 3 閩江航道整治改變閩江局部河勢河相

閩江干流(除北港為旅游航道) 是四級通航航

道,需定期開展必要的疏浚、壩體加固等航道整治

工程。

航道疏浚整體上挖沙量較少,對橋墩沖刷深度影

響較小。 但當(dāng)航道疏浚區(qū)域離橋墩較近,會直接挖除

橋墩上部覆土,則對橋墩沖刷影響較大。 例如在浦上

大橋處的航道疏浚,需清除部分沙洲,而橋墩恰好位

于沙洲之上,航道疏浚會直接挖除橋墩的覆土,對橋

墩的影響較大。 此外,長丁壩會改變下游一定范圍內(nèi)

的河床地形和水流流速,影響下游橋梁的沖刷情況。

2. 4 橋梁施工作業(yè)影響橋墩局部沖刷

一是跨江大橋施工過程中的筑島圍堰作業(yè)需消

耗大量砂石。 施工單位為了貪圖方便,直接將橋位附

近的泥沙抽上來筑島,導(dǎo)致橋位處河床發(fā)生較大

變化。

二是跨江大橋施工過程中,需要搭設(shè)施工便橋。

由于施工便橋跨徑小,立在河床上的樁基較多,導(dǎo)致

河床過水?dāng)嗝姹粔嚎s,橋墩局部沖刷效應(yīng)加大。 加上

閩江跨江大橋施工周期長(通常需歷經(jīng)一個以上汛

期),加劇了河床演變,改變了原有河床地形。

3 混凝土病害成因分析

3. 1 潮水上溯導(dǎo)致橋墩被侵蝕

由于閩江河床大幅下切,導(dǎo)致河槽納潮量增多,

潮水影響時間延長,改變了橋墩的運營環(huán)境。 潮水中

的氯離子對鋼筋有很強的腐蝕作用,會使得鋼筋銹

脹,導(dǎo)致橋墩混凝土麻面、剝落、坑洞等病害,降低了

橋墩的承載力。 特別在干濕交替位置,由于氧氣的溶

入,加劇氯離子的腐蝕進程。

3. 2 水流攜沙導(dǎo)致混凝土被沖蝕磨損

閩江在汛期時,洪水會攜帶大量泥沙。 泥沙中的

砂顆粒會撞擊橋墩壁面,導(dǎo)致橋墩產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕磨

損。 研究表明[7]

,在干濕交替區(qū)域,沖蝕磨損更為

嚴(yán)重。

3. 3 施工原因?qū)е聵蚨栈炷链嬖谌毕?/p>

一是樁基的樁頭夾帶大量泥沙,導(dǎo)致混凝土夾

泥、多孔、強度不足。 福州跨江大橋的樁基普遍采用

灌注樁,施工采用導(dǎo)管法。 按照規(guī)范,采用導(dǎo)管法施

工時要求超灌,而后將帶泥沙的樁頭鑿除。 若施工單

位偷工減料,未采取超灌措施,將導(dǎo)致樁頭夾帶大量

泥沙。

二是樁基的鋼筋籠偏位。 在施工時鋼筋籠若未

安裝墊塊,鋼筋籠容易偏位,導(dǎo)致混凝土保護層厚度

不足,鋼筋容易銹蝕。

3. 4 混凝土自身老化導(dǎo)致質(zhì)量缺陷

福州跨江大橋樁基及承臺混凝土, 大多采用

C30。 在橋梁運營過程中,混凝土逐漸劣化,耐久性降

低,導(dǎo)致裂縫發(fā)展,加速鋼筋銹蝕。

4 對策建議

4. 1 跨江大橋設(shè)計管理

一是合理確定橋梁所處的環(huán)境類別。 目前,現(xiàn)行

規(guī)范主要根據(jù)水中氯離子濃度確定環(huán)境類別。 然而,

規(guī)范對水的取樣方法沒有明確規(guī)定。 根據(jù)潮水氯離

子濃度的變化規(guī)律,在枯水季大潮期漲潮時,水中氯

離子濃度較大。 按照從嚴(yán)原則,建議取該時段的水樣

進行測試,確定水中氯離子濃度,判斷環(huán)境類別。

二是合理確定跨江大橋的結(jié)構(gòu)型式。 福州跨江大

橋設(shè)計通常是主橋(通航孔)跨徑設(shè)定為跨徑約100 m,

而其他(非通航孔和引橋)跨徑設(shè)定為約 40 m,因此立

在閩江水中的橋墩數(shù)量較多。 這不僅壓縮了閩江的過

流斷面,增大橋墩的沖刷效應(yīng),而且增加橋墩水下養(yǎng)

護工作量,維護成本高,同時橋梁整體景觀效果不佳。

建議新建閩江跨江大橋,無論是主橋還是非主橋,全

部采用大跨度結(jié)構(gòu),盡可能減少河道內(nèi)的橋墩數(shù)量,

減少橋墩水下養(yǎng)護工作量,提升橋梁美觀效果。

三是加強橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計的細(xì)節(jié)控制,包括:

(1)將橋梁樁基和承臺埋入河床內(nèi),避免樁身段

處于水位變動區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū),減少樁基和承臺混

·130· 福 建 建 筑 2023 年

凝土病害。 由于橋墩和樁基的施工工藝不同,樁基的

抗腐蝕能力低于橋墩,因此,建議將樁基埋入河床內(nèi),

減少水對樁基混凝土的腐蝕。

(2)對于處于 IV 類環(huán)境類別的橋墩,采用環(huán)氧樹

脂涂層鋼筋,以提高鋼筋的抗銹蝕能力。

4. 2 加強施工過程管理

一是禁止施工作業(yè)破壞河床的原貌地形,包括:

(1)禁止抽采橋位處的河沙進行筑島。

(2)橋梁施工完畢后,及時清理河內(nèi)圍堰,采用

邊清邊后退的方法,用挖掘機配合自卸汽車清理,使

圍堰材料清理干凈。

(3)橋梁建成后,應(yīng)測量橋位處的河床地形,確

保河床恢復(fù)至原貌。 河床地形應(yīng)作為橋梁驗收的重

要資料。

(4)當(dāng)發(fā)現(xiàn)河床下切較明顯時,應(yīng)及時回填處

理。 橋梁在施工過程中,水流對施工棧橋的基礎(chǔ)沖

刷,不可避免地會改變河床地形。 因此,需密切關(guān)注

施工期河床地形的變化。

二是保障橋梁樁基的施工質(zhì)量,包括:

(1)橋墩樁基施工時,應(yīng)嚴(yán)格按照《公路橋涵施

工技術(shù)規(guī)范》 ( JTG/ T F50 - 2011) 的要求進行砍樁。

灌注的樁頂標(biāo)高,應(yīng)高出設(shè)計標(biāo)高 0. 5 m ~ 1. 0 m。

多余部分接樁前必須鑿除,樁頭應(yīng)無松散層。

(2)灌注樁鋼筋籠制作時,應(yīng)在鋼筋籠外側(cè)設(shè)置

控制保護層厚度的墊塊。 墊塊間距豎向為 2 m,橫向

圓周不得少于 4 處。 灌注樁鋼筋籠應(yīng)每隔 2 m 設(shè)置

一道定位鋼筋,防止出現(xiàn)鋼筋籠偏位、保護層厚度不

足等問題。

(3)高樁承臺在施工過程中,應(yīng)保留鋼護筒,以

保護樁身混凝土。

4. 3 健全橋梁養(yǎng)護機制

一是細(xì)化橋墩(樁) 水下病害檢測監(jiān)測,評估橋

墩的承載能力。 與河床下切相比,混凝土病害而產(chǎn)生

橋墩承載力下降,對橋梁安全的影響更為致命。 然而

現(xiàn)階段,橋梁水下檢測主要依靠人工探摸,結(jié)果較定

性,無法評估橋墩的剩余承載力。 建議結(jié)合水下圖像

技術(shù),細(xì)化橋墩(樁)水下病害檢測監(jiān)測,量化評估橋

墩的剩余承載力。

二是定期開展橋位河床地形測量,評估橋墩的沖

刷深度。 雖然近年來北港河道演變基本穩(wěn)定,但南港

河道演變?nèi)匀惠^劇烈,河床仍在下切。

4. 4 加強閩江河道管理

一是加強閩江涉河工程的管理。 航道疏浚會改

變橋墩的上覆荷載,水工設(shè)施(如丁壩、堤防等)建設(shè)

會改變河道局部河勢河相,影響橋墩的安全。 目前,

閩江涉河工程的建設(shè),特別是橋位附近的工程,均未

評估工程對橋梁安全的影響。 建議在閩江航道疏浚、

水工設(shè)施建設(shè)等工程的工可階段,增加工程對橋墩安

全的影響評價等相關(guān)內(nèi)容。

二是加強橋位附近采砂管理,特別是橋位處和河

道中央處的盜采作業(yè)。 同時,對此范圍內(nèi)坑深超過

3 m的既有砂坑進行回填。

5 結(jié)語

橋墩沖刷不僅影響橋梁所在水域床面的演變趨

勢,而且直接威脅橋梁結(jié)構(gòu)本身的安全與穩(wěn)定。 福州

部分跨江大橋已服役 20 年以上,20 年以來,閩江河床

演變劇烈,加劇了沖刷程度。 調(diào)查福州閩江跨江大橋

橋墩沖刷現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn),北港跨江大橋橋墩處河床從 2012

年至今基本穩(wěn)定,但南港跨江大橋橋墩處河床呈下切

趨勢;橋墩、橋臺水位變動處混凝土病害較嚴(yán)重。

分析沖刷影響因素發(fā)現(xiàn),采砂是引起橋墩沖刷下

切最主要的因素。 建議進一步加強橋位附近采砂管

理。 而潮水上溯是引起混凝土病害最主要的因素,建

議設(shè)計時,根據(jù)水中氯離子濃度確定環(huán)境類別。 另

外,水口水庫攔沙、閩江航道整治、橋梁施工作業(yè)等因

素,也會引起橋墩沖刷下切和混凝土病害,可從設(shè)計、

施工、管養(yǎng)等各方面進行針對性防護。

參 考 文 獻

[1] 武晶. 閩江下游河道演變及其影響分析[ J]. 水利科技,

2016(04):66 - 69.

[2] 黃永福. 閩江下游河床演變及其影響研究[ J]. 水利科

技,2010(04):15 - 17.

[3] 楊首龍,吳時強,陳昭賓. 閩江下游天然河床的未來演進

趨勢[J]. 水利水電技術(shù),2013,44(09):111 - 114,118.

[4] 楊首龍. 閩江下游河流運動規(guī)律分析[ J]. 人民長江,

2012,43(S2):97 - 101.

[5] 許艷,蔡鋒,盧惠泉,等. 福建閩江口和九龍江口外線狀

沉積沙體特征[ J]. 海洋學(xué)報(中文版),2014,36(05):

142 - 151.

[6] 王智輝. 閩江通海航道沖淤演變規(guī)律分析[ J]. 水道港

口,2022,43(05):603 - 609.

[7] 楊曉燕,葉凌志,侯海林,等. 不同形狀橋墩沖蝕磨損特

征及機 理 對 比 研 究 [ J ]. 橋 梁 建 設(shè), 2021, 51 ( 03 ):

47 - 55.

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

毗鄰既有運營車站全套管回轉(zhuǎn)鉆機拔樁施工技術(shù)探究

龍智斌

(廣東省基礎(chǔ)工程集團有限公司 廣東廣州 510620)

摘 要:由于我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,許多重點城鎮(zhèn)的重新規(guī)劃、老城區(qū)的改善、高架交通線路的修筑、地下管線的安裝、

橋梁的拓寬以及其他各種類似的工程,在進行過程中,必然伴隨而來的是形形色色的地下阻礙,如石塊、樁基、淤泥、淤

土、磚塊、混凝土碎片、水泥塊、鋼筋混凝土等,使得地下工程的實現(xiàn)變得更加困難。 以福州地鐵 5 號線為研究對象對

毗鄰建筑物地鐵區(qū)間清除樁基施工技術(shù)進行研究,采用全套管回轉(zhuǎn)鉆機技術(shù)清除樁基清除施工環(huán)境復(fù)雜,具有難度

大、危險性高的特點。 采用全套管回轉(zhuǎn)鉆機拔樁工藝能夠有效地拆卸和替代原有的地下建筑物,保障了既有建筑物正

常運行和安全,同時保護周圍的環(huán)境。

關(guān)鍵詞: 地下障礙物;鋼筋混凝土樁;全套管回轉(zhuǎn)鉆機;拔樁

中圖分類號:TU99 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0131 - 04

Research on pile pulling construction technology of full casing rotary drilling machine

adjacent to existing operating station

LONG Zhibin

(Guangdong Provincial Foundation Engineering Group Co. ,LTD,Guangzhou 510620)

Abstract:Due to the rapid economic development of our country, the reconstruction of many key towns, the improvement of old urban areas, the construction of elevated transportation lines, the installation of underground pipelines, the widening of Bridges and other similar

projects are inevitably accompanied by a variety of underground obstacles. Such as stone, pile foundation, silt, silt, brick, concrete fragments, cement blocks, reinforced concrete, etc. , make the realization of underground engineering more difficult. This project takes

Fuzhou Metro Line 5 as the research object to study the construction technology of pile foundation removal in the subway section of adjacent

buildings. The construction environment of pile foundation removal by using the slewing drill technology is complicated, which has the

characteristics of difficulty and high risk. The full casing rotary drilling machine can effectively disassemble and replace the existing underground buildings, ensure the normal operation and safety of the existing buildings, and protect the surrounding environment.

Keywords:Underground obstacles, Reinforced concrete piles; Full casing rotary drill; Pull out piles

作者簡介:龍智斌(1973. 5 - ),男,高級工程師。

E-mail:349417528@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 31

0 引言

通過采用全套的管回旋鉆機拔樁施工技能,可以

輕松、安全、高效的處理掉所存在的環(huán)境問題,從而保

證建筑的穩(wěn)定性、安全。 該項科技的應(yīng)用,使得土木

專業(yè)的從業(yè)者們可以輕松地跨越任何形式的樁基,如

地面、橋梁、隧洞,而且還可以避免對環(huán)境造成任何影

響。 福州市及周邊地區(qū)的城市軌道交通、大面積越江

隧洞的工程建設(shè)中,采用了全回轉(zhuǎn)設(shè)備來清除地下的

障礙物問題。 經(jīng)過多次的試驗,發(fā)現(xiàn)這種設(shè)備的清障

拔樁能夠以更加迅捷的速度完成,而且還擁有安全可

靠、更加節(jié)能的特性,而且由于它本身配備了柴油機,

操作起來更加簡單。

1 工程簡介

福州地鐵 5 號線福灣路站 ~ 齊安路站盾構(gòu)區(qū)間

沿盤嶼路下方敷設(shè),埋深 9 m ~ 19 m,下穿陽岐河中

橋(此處隧道中心高程 - 12. 3 m 左右),在盾構(gòu)區(qū)間

掘進斷面內(nèi),有陽岐河中橋的 16 根鉆孔灌注樁,侵入

了左右線隧道斷面,樁基直徑 1 m,樁長 17. 6 m ~

39. 5 m,此 16 根樁基礎(chǔ)需要進行拔樁處理。

由于此處拔樁工作面長期被陽岐河水系治理占

壓無法施工,導(dǎo)致工期非常緊張,且盤嶼路周邊較多

既有建筑物。 每天沖擊鉆破樁 1. 2 m,采用傳統(tǒng)的沖

擊鉆破樁施工工藝已無法滿足盾構(gòu)工期要求。 因此,

采用國內(nèi)先進的全套管回轉(zhuǎn)鉆機拔樁施工工藝進行

拔樁,本工法主要針對拔樁施工設(shè)備規(guī)格型號、工藝

參數(shù)、工序流程、進度工效及施工注意事項等進行研

究,總結(jié)出全套管回轉(zhuǎn)鉆機的施工方法。

·132· 福 建 建 筑 2023 年

2 工藝原理

采用液壓回轉(zhuǎn)鉆機將大直徑鋼套筒沿樁四周緩

慢旋轉(zhuǎn)并切入,鋼套筒底節(jié)帶切削土體及巖層的刀

具,鋼套筒邊旋轉(zhuǎn)邊下切,并不斷分節(jié)接長,鉆進至指

定位置后,在樁身和鋼套筒之間,打入 4 m ~ 5 m 長鋼

抄楔(一側(cè)為弧形),將樁基樁身和鋼套筒卡死、嵌

固,然后轉(zhuǎn)動鋼套筒,直接將樁基擰斷,再在鋼套筒保

護下,1 名工人進入鋼套筒內(nèi),焊接吊耳掛鉤,采用 80 t

履帶吊將斷樁吊出,然后繼續(xù)下一個循環(huán)。 每次擰斷

的樁基長度 6 m ~ 9 m 不等。 每次擰斷樁基并吊出

后,需要采用 80 t 履帶吊吊沖抓斗,將下一段樁體頂

部的渣土抓出。

3 施工工藝

3. 1 施工工藝流程

采用液壓回轉(zhuǎn)鉆機拔除既有建筑物樁基流程為

回轉(zhuǎn)鉆機進場→場地平整→拔樁定位→設(shè)備安裝、就

位→鋼套管鉆進→舊樁拔除→下一循環(huán)→樁位回填

→鉆機移位,如圖 1 所示。

圖 1 全回轉(zhuǎn)鉆機樁基拔除施工工藝流程

3. 2 場地平整

全套管拔樁施工工藝主要的設(shè)備機具為 1 臺 80t

履帶吊(小鉤須經(jīng)過改造,可緊急脫鉤)、1 臺全套管

回轉(zhuǎn)鉆機及配套的液壓動力站(272 kW)、1 個沖抓

斗、1 個鋼抄楔(約 4 m ~ 5 m 長)、1 個方錘(用于砸鋼

抄楔及破樁)、若干節(jié)鋼套筒、1 個反力架,配套設(shè)備為

1 臺 PC200 挖掘機,可用于樁基的破碎。 全套管回轉(zhuǎn)鉆

機尺寸約為 4 m × 4 m,所需場地需平整且滿足承載力

要求,以免全套管回轉(zhuǎn)鉆機發(fā)生傾斜和失穩(wěn),場地需采

用磚渣回填密實,并滿足履帶吊行走要求。

3. 3 拔樁定位

測量定位需要拔除的樁基位置,根據(jù)拔樁的樁基

尺寸選擇鋼套筒,原則上鋼套筒壁樁基直徑約 80 cm。

測量定位后,采用 80 t 履帶吊將全套管回轉(zhuǎn)鉆機就

位,鉆機中心對準(zhǔn)需要拔除的樁基中心,并提前破除

承臺,解除樁基和承臺的聯(lián)系。

在放出的樁位中心處,采用十字拉線的方式,將

路基鋼板精確地固定在原位,以確保鉆機的準(zhǔn)確定

位;同時,還要確保內(nèi)鋼套管的中心與放出的樁位中

心點保持一致。

3. 4 設(shè)備安裝

將全套管回轉(zhuǎn)鉆機和液壓動力站之間的油管、電

纜進行連接、試運轉(zhuǎn),在回轉(zhuǎn)鉆機的 XY 軸方向,立鉛

錘,人工目測校準(zhǔn),務(wù)必使鋼套管垂直[1]

。 液壓動力

站采用柴油內(nèi)燃機作為液壓動力。 將拔樁所需要的

鋼抄楔、套管堆放在四周便于使用。 布置后場地照

明、排水設(shè)施。

3. 5 鋼套管鉆進

通過測量定位后, 將全回轉(zhuǎn)鉆機安放在需要拔

除的樁基中心上,采用 80 t 履帶吊安裝第一節(jié)鋼套

管,安裝后,內(nèi)部液壓夾具夾緊鋼套管,全回轉(zhuǎn)套管鉆

機開始進行旋轉(zhuǎn)下切, 旋轉(zhuǎn)速度 45 轉(zhuǎn)/ s ~ 50 轉(zhuǎn)/ s,

液壓油缸最大行程 80 cm,利用套管前端的刀齒切削

淺層障礙物。

鋼套管選用壁厚 55 mm,長度為 4 m ~ 6 m 的鋼

板加工成內(nèi)徑 Φ1800 的圓形鋼套管,端部帶臺階企

口和圓孔插銷孔可與下一節(jié)連接。 全回轉(zhuǎn)鉆機的鋼

套管為 4 m、6 m 一節(jié),可根據(jù)需要拔除的樁基深度分

節(jié)依次鉆進、分節(jié)拔除。 通過在回轉(zhuǎn)鉆機的驅(qū)動裝置

的幫助下,將鈦合金刀頭鑲嵌在鋼套管底部,使其能

夠 360°快速旋轉(zhuǎn)[2]

,從而實現(xiàn)鉆進沉入。 此外,根據(jù)

地質(zhì)情況和液壓壓力,還可以調(diào)節(jié)高壓氣體和泥漿

(水)的噴射量,以最大限度地液化樁周圍的土體,從

而確保樁身的完整性。 通過分離樁與周圍土壤,降低

樁的摩擦力。 本次拔樁主要位于淤泥地層,拔樁深度

20 m ~ 22 m,暫不需要輔助手段降低鋼套筒與土體的

摩阻力。

鋼套管鉆進前,需安裝反力架,將反力架和回轉(zhuǎn)

鉆機連接好(圖 2),反力架前端頭的“Y” 形頭,卡在

2023 年 08 期 總第 302 期 龍智斌·毗鄰既有運營車站全套管回轉(zhuǎn)鉆機拔樁施工技術(shù)探究 ·133·

80 t 履帶吊底部(圖 3),利用履帶吊的自重(120 t)作

為回轉(zhuǎn)鉆機旋轉(zhuǎn)下切的反作用力。

在下鉆期間,操縱者應(yīng)該特別關(guān)注儀器的顯示值

的變動,在降低套筒的高度時,若發(fā)現(xiàn)前后左右的水

平指標(biāo)(0. 10) 以內(nèi)的偏差,應(yīng)立即將套筒從地面抽

出,使其保持空轉(zhuǎn)狀態(tài),等到指標(biāo)恢復(fù)到正常的垂直

狀態(tài)(經(jīng)緯儀也會對其垂直性能進行校核) 后,才能

繼續(xù)降低套筒的高度。 在開展回轉(zhuǎn)切割作業(yè)之前,需

要以最大轉(zhuǎn)速開展,在轉(zhuǎn)動力量達到預(yù)期水平后,可

以轉(zhuǎn)換至中轉(zhuǎn),在轉(zhuǎn)動力量超過預(yù)期水平后,需要立

即停止轉(zhuǎn)動,并將套管從切割區(qū)域內(nèi)抽出,等轉(zhuǎn)動力

量降至適宜水平后,繼續(xù)轉(zhuǎn)動,以確保切割的準(zhǔn)確性

和穩(wěn)固性。 根據(jù)經(jīng)驗值,在淤泥土層中,鋼套管旋轉(zhuǎn)

下切的油壓表數(shù)值一般為 10 MPa 左右。

停鉆接長套管時,履帶吊起吊第二節(jié)鋼套管,對

準(zhǔn)原套管徐徐下放,對中套入,將凹凸榫口完全插入,

可履帶吊提著鋼套管左右搖晃插入,經(jīng)緯儀垂直校正

后, 采用鋼銷插入,使上下節(jié)完全密貼。 完成管節(jié)的

連接后,繼續(xù)深入,一步步把鋼套管鉆入地下,直至達

到預(yù)期的樁底標(biāo)高。 鋼套管安裝前,必須對連接的企

口部位進行清理,涂刷油脂。

圖 2 反力架連接回轉(zhuǎn)鉆機 圖 3 反力架卡住履帶吊

3. 6 舊樁拔除

由于一般需要拔除的樁基較長,因此采用分節(jié)拔

除的工藝,從上到下依次分節(jié)拔除[3]

,分節(jié)長度在

6 m ~ 9 m,當(dāng)鋼套管沉入至第一節(jié)拔樁深度后(6 m ~

9 m),采用履帶吊起吊沖抓斗,將需要拔除樁基頂部

的渣土撈出,露出樁頂,再采用鋼抄楔,楔入樁基和鋼

套筒之間,卡緊,鋼抄楔的外弧面緊貼鋼套管的內(nèi)壁,

嵌固。 此時,啟動回轉(zhuǎn)鉆機,帶動鋼套筒和樁基一起

旋轉(zhuǎn),將樁基擰斷[4]

。 如鋼套筒旋轉(zhuǎn)下切時油壓值較

小,則擰斷樁基的油壓值也小,一般為 10 MPa 左右。

如果鋼套筒旋轉(zhuǎn)下切時油壓值較大,如 10 ~ 15 MPa,

則可判定底部土層摩阻力較大,擰斷樁基的油壓值將

達到 20 MPa ~ 30 MPa。

回轉(zhuǎn)鉆機將樁基擰斷后,便可人工進入鋼套筒內(nèi)

部,焊接吊耳,使用履帶吊將舊樁吊出清除(圖 4),樁

基拔除后,需再次采用沖抓斗將鋼套筒內(nèi)渣土進行清

除。 在進行拔樁操作之前,應(yīng)使用特殊的機械裝置把

鋼絲繩拉至樁的最低點,并確保它們緊密地連接在一

起,然后使用履帶吊把舊樁提升,但要注意控制好提

升的速率。

拔除第一段樁基后,繼續(xù)安裝鋼套管(圖 5),回

轉(zhuǎn)鉆機抱住鋼套管旋轉(zhuǎn)下切,再進行下一循環(huán)。

圖 4 舊樁吊出 圖 5 安裝下一節(jié)鋼套管

3. 7 樁孔回填

當(dāng)采用全回轉(zhuǎn)鉆機進行拔樁操作時,由于樁的不

斷移位,產(chǎn)生的空隙將導(dǎo)致孔壁上的土壤與水分混

合,進而導(dǎo)致后期的塌陷。 為了避免此類情況的發(fā)

生,可以同時將泥漿注入到鋼套筒里,并利用高壓水

槍的噴射力將其稀釋,這樣,當(dāng)拔出鋼套筒的同時,泥

漿就能夠自然滲透到空洞里,有效防止孔外的土壤崩

潰。 當(dāng)既有樁被拔除后,應(yīng)立即采用回填材料將空隙

補滿,避免地面坍塌。

在施工過程中,需要注意避免冒漿的情況。 需要

使用足夠的回填料來回填孔洞,使其變得牢固且結(jié)

實。 隨后把孔洞里的泥沙和水排干,直至達到所需的

壓力。 具體樁孔回填的方法如下:

(1)回填材料的選擇

在進行回填時,應(yīng)避免使用超過 5 cm 的塊體,并

且不能使用任何建筑垃圾或其他混合物。 填充材料

采用粉煤灰∶ 粘土∶ 熟石灰按 0. 5∶ 8∶ 1. 5(重量比)比

例拌制,確保回填后的土體強度達到原狀土。 也可以

采用 M5 低標(biāo)號水泥砂漿回填。

(2)攪拌

為了確?；旌衔锏木鶆蛐?應(yīng)該使用挖掘翻拌或

攪拌機進行攪拌,以避免水泥塊的堆積。 混合物應(yīng)在

水泥初凝之前使用,且應(yīng)隨拌隨用。

(3)回填

在水泥和土混合后,使用挖掘機將水泥填充到樁

孔內(nèi)。 由于水泥土填充到孔內(nèi)時是松軟的,在填充過

程中,土體會受到自然沖擊力的作用而變得緊密。 在

·134· 福 建 建 筑 2023 年

填充完成后,拔掉鋼套管并移開拔樁機。 由于上部土

壤的沖擊力較小,可以使用挖掘機或重錘來夯實。

3. 8 鉆機移位

完成舊樁的拔除和空孔的填補之后,鉆機將被移

動至下一個樁位,以便開始新一輪的拔樁施工。

4 全套管回轉(zhuǎn)鉆機拔樁施工技術(shù)操作要點

全回轉(zhuǎn)鉆機無遺留清樁施工技術(shù)利用全回轉(zhuǎn)設(shè)

備,能夠驅(qū)動鋼套管進行 360°回轉(zhuǎn),并將鋼套管壓入

和拔除的施工機械。 該設(shè)備在作業(yè)時產(chǎn)生下壓力和

扭矩,驅(qū)動鋼套管轉(zhuǎn)動,利用管口的高強刀頭對土體、

巖層及鋼筋混凝土等障礙物進行切削[5]

,利用套管的

護壁作用,然后用鋼絲繩沖抓斗將鋼套管內(nèi)物體、渣

土抓出,在套管內(nèi)進行清障拔樁作業(yè)。 清障完成后,

進行鋼套筒內(nèi)回填水泥土施工。 回填土可采用塑性

較好的盾構(gòu)施工的出土,并摻入 7% ~ 10% 水泥。 在

回填過程中,注意保持鋼套筒低于回填水泥土頂標(biāo)高

≥2m;當(dāng)鋼套管全部拔除后,水泥土也同時填到地

面。 由于回填土較為松散,為避免后期沉降給周圍環(huán)

境帶來不利的影響,在回填完成后立即對回填土進行

填充注漿,以確?；靥钔恋膹姸?。

通過安裝豎向頂升系統(tǒng),可以有效地避免套管的

掉落。 該系統(tǒng)的作用是將機體的負(fù)載抵消,從而使得

套管得到有效支撐。 如果負(fù)載無法抵消,還需要添加

一些附件來確保安全。 通過安裝反扭矩鎖 ( 反力

架),可以有效地阻擋機器與套管的同步旋轉(zhuǎn),并通過

履帶吊的自重來鎖定它。 此外,還提供了一種可根據(jù)

使用者的需求來控制套管旋轉(zhuǎn)的功率、扭矩、速率、壓

縮力和夾緊力的方法。 通過使用三檔不同的旋轉(zhuǎn)速

率,能夠更好地滿足不同的需求。 例如,使用了特殊

的液壓系統(tǒng)來控制旋轉(zhuǎn)的角度和方向,從而使得能夠

更好地完成旋轉(zhuǎn)除樁任務(wù)。

場地需布置廢棄物(含泥漿) 堆置地,防止泥漿

外流至場地外車輛行駛道路,以保持城市道路潔凈。

5 全套管回轉(zhuǎn)鉆機拔樁過程常見問題處理措施

5. 1 斷樁

在樁基拔除過程中,萬一出現(xiàn)樁體斷裂,上部樁

吊出而下部樁殘留在鋼套管內(nèi)這種情況,首先在鋼套

管內(nèi)插入注漿管,對管底土體進行壓密注漿,以加固

管底土體,確保管底穩(wěn)定。 然后將鋼套管內(nèi)的泥漿全

部抽出。 并不間斷對鋼套管內(nèi)用空壓機進行通風(fēng)。

確定管底穩(wěn)定、不含有毒氣體的情況下,再派專人

下去重新設(shè)置吊點,將樁體吊出,確保無斷樁遺漏。 人

員進入鋼套管施工時,帶好通訊設(shè)備和照明設(shè)備,照明

設(shè)備應(yīng)采用專用礦燈,嚴(yán)禁采用交流電照明,人員做好

安全措施,設(shè)置緊急逃生梯,安裝在井壁,同時攜帶有

毒有害氣體檢測裝置,如井下有毒有害氣體超標(biāo),則需

對井下進行通風(fēng)處理,人員井下作業(yè)時攜帶防護面罩,

防止中毒。 人員在進入鋼套管內(nèi)必須系好安全帶,安

全帶掛在地面的可靠位置上,地面應(yīng)設(shè)專人監(jiān)護。

5. 2 偏斜嚴(yán)重的樁

在整個樁基拔除過程中,若鉆孔灌注樁垂直度偏

斜十分嚴(yán)重,樁頂和樁底偏差較大超過 50 cm。 則在

旋轉(zhuǎn)套筒過程中,可先將樁斜著切斷,第一次拔樁只

將半根樁拔出。 為了將這根樁徹底清除,再將全回轉(zhuǎn)

重新定位, 對準(zhǔn)殘留樁位,再次下鉆,由于上部的樁

已被拔除,而且下部殘留的樁已被碾碎,故套筒下轉(zhuǎn)

至樁底標(biāo)高后,再用起重設(shè)備從新將該段舊樁拔除。

6 結(jié)語

文章對全套管回轉(zhuǎn)鉆機拔樁施工過程進行了系

統(tǒng)的說明和闡述,全套管回轉(zhuǎn)鉆機拔樁施工技術(shù)相比

沖擊鉆破樁,主要在于工效[6]

,正常情況下,全套管回

轉(zhuǎn)鉆機拔樁施工可達到 2 d 1 根樁(25 m 以內(nèi)),而沖

擊鉆破樁預(yù)計每天 1. 2 m,破除 1 根 25 m 樁基需要

21 d,同時破樁產(chǎn)生大量的泥漿需要處理。 該施工技

術(shù)實施過程中,自動化及標(biāo)準(zhǔn)化程度高、可明顯加快

拔樁進度、有效控制塌孔風(fēng)險、盾構(gòu)停機風(fēng)險、最大程

度上減小對周邊環(huán)境的破壞和改善且可有效降低施

工能耗。 本全套管回轉(zhuǎn)鉆機拔樁施工工法適用于原

有樁基(鉆孔灌注樁、PHC 管樁等)的拔除施工,對場

地要求低,可快速拔樁。

參 考 文 獻

[1] 揭成科,吳文平,付偉. 全回轉(zhuǎn)全套管工藝鋼套管垂直度

控制技術(shù)[J]. 中國高新科技,2019(20):77 - 79.

[2] 張?zhí)熨n,杜懷珺,張俊偉. 360°全回轉(zhuǎn)套管機拔樁施工難

題及處理措施[J]. 價值工程,2017(03):165 - 167.

[3] 王遠. 地鐵盾構(gòu)區(qū)間障礙樁拔除施工技術(shù)[ J]. 建筑,

2014(10):54 - 56.

[4] 韓繼爽. 全回轉(zhuǎn)套管鉆機扭斷拔樁施工技術(shù)[J]. 工程機

械與維修,2021(03).

[5] 程金雄. 全回旋鉆機拔樁技術(shù)在工程上的運用[ J]. 中國

設(shè)備工程,2018(10):106 - 107.

[6] 袁戰(zhàn)會. 基于地鐵隧道輪廓線內(nèi)的樁基處理方案對比分

析[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計,2022(01):53 - 55,97.

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

復(fù)雜環(huán)境下加固用橋梁基礎(chǔ)鋼套箱圍堰設(shè)計與

工程應(yīng)用研究

林 偉

(福建省福泉高速公路有限公司 福建福州 350011)

摘 要:針對烏龍江特大橋基礎(chǔ)加固復(fù)雜的施工環(huán)境困境,開展可快速裝配化的鋼套箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與施工工藝研

究,解決了加固施工所存在的起吊拼裝技術(shù)要求高、操作空間大、鋼套箱拼裝慢且拆除難、鋼套箱結(jié)構(gòu)整體密封性差、

鋼板周轉(zhuǎn)率低等問題。 研究結(jié)果表明:所提出的鋼套箱圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,滿足凈空高度嚴(yán)重受限和大流速、高潮差

的復(fù)雜環(huán)境狀況影響的大橋基礎(chǔ)加固施工需求;研究提出了凹凸榫拼接和 1 m × 1 m,2 m × 2 m 和 3 m × 3 m 三種尺寸

設(shè)計,采用模數(shù)化快速拼裝施工工藝,更好地適應(yīng)了現(xiàn)場拼裝需求。

關(guān)鍵詞: 橋梁基礎(chǔ);鋼圍堰;模數(shù)化;設(shè)計;施工

中圖分類號:U445 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0135 - 04

Design and construction of steel boxed cofferdam for bridge foundation reinforcement

in complex environment

LIN Wei

(Fujian Provincial Fuquan Expressway Co. ,Ltd. ,Fuzhou 350011)

Abstract:In view of the difficult construction environment of the complex foundation reinforcement of Wulong River Bridge. The research on

the optimized design and construction technology of the steel sleeve box structure that can be quickly assembled,was carried out in this paper. It can be use to solve the problems existing in the reinforcement construction,such as high lifting and assembly technology requirements,large operating space,slow steel sleeve box assembly and difficult removal,poor overall sealing of the steel sleeve box structure,and

low steel plate turnover rate. The research results show that the proposed structural design method of steel boxed cofferdam can meet the requirements of bridge foundation reinforcement construction under the influence of the severe restriction of headroom and the complex environmental conditions of large flow velocity and high tide difference; The concave - convex joint and Three sizes of 1m × 1m,2m × 2m and

3m × 3m are designed,and modular rapid assembly construction process is adopted to better meet the on - site assembly requirements.

Keywords:Bridge foundation; Steel cofferdam; Modularization; Design; Construction

作者簡介:林偉(1972. 2 - ),男,高級工程師。

E-mail:404535951@ qq. com

收稿日期:2023 - 01 - 20

0 引言

隨著我國橋梁建設(shè)事業(yè)的不斷推進,很多在役橋

梁受早期設(shè)計、建造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和營運管養(yǎng)水平的限制

及環(huán)境作用與自然老化的影響,橋梁病害也不斷凸

顯,危橋的數(shù)量急劇上升,橋梁逐步進入加固維修期。

圍堰是廣泛應(yīng)用于橋梁深水基礎(chǔ)施工的一種擋

水結(jié)構(gòu)[1 - 3]

。 其通常采用鋼板制造的無底圍護結(jié)構(gòu),

必要時內(nèi)加支撐體系及鋼結(jié)構(gòu)(混凝土) 封底,從而

擋住套箱外側(cè)水土形成施工空間。 常見的鋼套箱圍

堰的構(gòu)造形式有單壁、雙壁以及單雙壁組合式,一般

采用矩形、圓形或圓端形三種形狀[4 - 5]

。 目前,國內(nèi)

外研究者從施工工藝、設(shè)計計算、破壞試驗等方面對

圍堰結(jié)構(gòu)進行了深入研究,并取得一定成果[6 - 10]

。

但是,水流速度、橋址水深、施工凈空等實際情況差異

太大,且已有的研究成果主要集中在新建橋梁的圍堰

研究,對于既有橋梁基礎(chǔ)加固用圍堰的研究成果

較少。

本文依托的烏龍江特大橋橋位處、平均水流速

1. 36 m / s,常流量時每日潮差 3 m ~ 5 m,樁基施工屬

于加固施工,施工凈空不足 10 m,起吊拼裝嚴(yán)重受

限。 為保證橋梁基礎(chǔ)施工安全與施工質(zhì)量,開展可快

速裝配化的鋼套箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與施工工藝研究,解

決本項目所面臨的復(fù)雜施工作業(yè)困境,以及鋼套箱圍

堰基礎(chǔ)加固施工所存在的起吊拼裝技術(shù)要求高、操作

空間大、鋼套箱拼裝慢且拆除難、鋼套箱結(jié)構(gòu)整體密

封性差、鋼板周轉(zhuǎn)率低等普遍問題。 研究成果可對橋

梁加固的相關(guān)研究提供參考。

1 工程概況

福泉高速公路福州連接線烏龍江特大橋為進出

·136· 福 建 建 筑 2023 年

福州城區(qū)的主要通道之一。 大橋全長 2030. 6 m,主橋

60 m + 3 × 110 m + 60 m 單箱單室變截面連續(xù)梁,主墩

為鋼筋混凝土薄壁式柔性橋墩,基礎(chǔ)為 4Φ2. 5 m 鉆孔

群樁,過渡墩為鋼筋混凝土柱式橋墩,基礎(chǔ)采用 4Φ1. 8 m

鉆孔群樁。 其中,主橋邊墩34#墩為摩擦樁,其余橋墩為

端承樁。 引橋主河槽內(nèi)采用 35 m 預(yù)應(yīng)力混凝土準(zhǔn)連續(xù)

T 梁,灘孔采用25 m 預(yù)應(yīng)力混凝土準(zhǔn)連續(xù) T 梁,北引橋

跨徑布置為4 × (6 ×25) +2 × (5 ×35)m,南引橋跨徑布

置為5 ×35 +3 × (6 × 25)m;下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩

Φ1. 8 m 或 Φ1. 5m 鉆孔灌注樁基礎(chǔ),其中,北引橋 33#墩

為摩擦樁,其余橋墩為端承樁,如圖1 所示。

圖 1 主橋立面布置圖(單位:cm)

水下地形及河床沖刷專項檢測顯示,烏龍江特大

橋 25# ~42#橋墩與 1995 年 9 月原河床線相比,均存在

沖刷現(xiàn)象,沖刷深度約為3. 4 m ~20. 1 m,其中36#墩最

大沖刷了約 20. 1 m,37#橋墩最大沖刷了約16. 3 m。 通

過現(xiàn)狀河床下的橋梁承載能力極限狀態(tài)與正常使用極

限狀態(tài)評估,34#墩樁基承載能力已不滿足現(xiàn)有交通情

況要求,需要增加部分樁基。 加固方案和基本尺寸如

圖 2 所示,34#墩承臺為加厚,新加厚度取 2. 0 m,相應(yīng)

的樁徑采用 1. 5 m。 樁底均進入強風(fēng)化巖層或者弱風(fēng)

化巖層。一旦舊樁基承載力不足沉降,新樁基很快就

會參與共同受力,分擔(dān)承載力不足的部分。

圖 2 34#墩加固方案(單位:cm)

2 鋼套箱圍堰設(shè)計

2. 1 鋼圍堰設(shè)計基本原則

常見的鋼圍堰有鋼板樁圍堰、鋼套箱圍堰、鋼吊

箱圍堰和鋼管樁圍堰等[11 - 14]

,在實際應(yīng)用中需根據(jù)

水流條件、橋址水深、施工凈空和水域的地質(zhì)條件的

影響,考慮鋼圍堰現(xiàn)場施工條件,按以下原則設(shè)計:

(1)鋼圍堰考慮橋梁的類型及圍堰的施工方式,

并參考場地的地質(zhì)條件和承載能力,水流速度、水深、

波浪等的影響;同時考慮擬定的圍堰施工工藝、施工

設(shè)備、施工工期、通航等影響。

(2)鋼圍堰頂部設(shè)計高程應(yīng)高出施工期常水位

0. 5 m ~ 1. 0 m;側(cè)壁與下部結(jié)構(gòu)的凈空、圍堰內(nèi)的水

位控制和防水應(yīng)滿足施工要求;內(nèi)支撐及圈梁的設(shè)置

應(yīng)方便施工,上下支撐間宜設(shè)置剪刀撐。

(3)鋼圍堰的安裝需要滿足現(xiàn)場實際狀況的需

求,確保運輸車輛、施工凈空等滿足場地需求。

2. 2 總體設(shè)計

34#墩承臺單壁圍堰采用整體方式,為簡化設(shè)計,

采用矩形圍堰,平面尺寸為 14. 5 m × 10. 8 m,圍堰高

8. 95 m,圍堰頂標(biāo)高 +5. 0 m,高出設(shè)計水位線 0. 52 m。

圍堰設(shè)一層內(nèi)支撐,內(nèi)支撐為直徑 426 mm 的鋼管。 圍

堰底板采用 20 cm 厚混凝土板,設(shè) 30 cm 厚封底混凝

土,如圖 3 所示。

(a)立面圖

(b)平面圖

圖 3 34#墩圍堰設(shè)計圖(單位:cm)

2023 年 08 期 總第 302 期 林 偉·復(fù)雜環(huán)境下加固用橋梁基礎(chǔ)鋼套箱圍堰設(shè)計與工程應(yīng)用研究 ·137·

假設(shè)圍堰在最高水位時套箱內(nèi)抽水,此時浮力 F

= 6324. 384 kN;圍堰系統(tǒng)重量包括鋼套箱圍堰和封

底混凝土,共 G = 1452. 54 kN;鋼套箱、鋼護筒與封底

混凝土的粘結(jié)力 N = 18 979 kN。 因此,抗浮穩(wěn)定性 Kf

= G / F = 3. 23≥1. 15,滿足要求。

2. 3 細(xì)部設(shè)計

鋼套箱圍堰采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的預(yù)制拼裝式,可實

現(xiàn)快速施工,靈活性強,能顯著提升施工效率。 各拼

裝模塊分別設(shè)計成面積(邊長)分別對應(yīng) 9 m

2

(邊長

為 3 m × 3 m)、4 m

2

(邊長為 2 m × 2 m)、1 m

2

(邊長為

1 m × 1 m)的模數(shù)化尺寸,如圖 4 所示。

圖 4 模數(shù)化拼裝示意圖(單位:cm)

同時,每個模塊的側(cè)壁單元均設(shè)置有通用型成對

承插式匹配的凹槽和凸榫,并預(yù)留螺栓孔,如圖 5 所

示。 拼裝時,先將拼裝模塊的凸榫插入相鄰模塊的凹

槽中,再將螺栓插入螺栓孔進行緊固,有效保證連接

處的密封性,增強鋼套箱結(jié)構(gòu)的防水滲透性能。

圖 5 凹槽和凸榫細(xì)部大樣(單位:cm)

3 鋼套箱圍堰施工

3. 1 鋼套箱圍堰制造與拼裝

(1)在專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)加工廠制作鋼圍堰并完成預(yù)

拼編號,以便現(xiàn)場拼裝。 底板在預(yù)制場預(yù)制完成,考

慮運輸條件限制,將底板分成小塊,運輸至現(xiàn)場,將底

板上預(yù)留的預(yù)埋件焊接,形成整體底板。 圍堰安裝

前,進一步復(fù)核底板開孔資料,包括量鋼護筒的坐標(biāo)、

橢圓度、傾斜度及傾斜方向。 以便底板精確穿過鉆孔

樁鋼護筒。

(2)鉆孔樁施工完成后,拆除原承臺區(qū)域鉆孔平

臺,搭設(shè)施工棧橋,在護筒上焊接牛腿,準(zhǔn)備安裝圍

堰。 受施工凈空影響,無法采用整體拼接的方式。 將

制造好的圍堰單元塊,采用平板汽車運至橋面,通過

汽車吊轉(zhuǎn)運至墩側(cè)平臺,再通過駁船裝載小型汽車吊

分塊起吊拼裝到位,如圖 6 所示。 為保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

性,在圍堰對稱的兩個位置依次同時順時針拼接。

(a)側(cè)板安裝 (b)汽車吊

圖 6 現(xiàn)場吊裝圍堰

3. 2 鋼套箱圍堰安裝與檢驗

(1)主橋 0#墩在原有承臺頂面設(shè)置分配梁,分配

梁為 9 m 長貝雷梁,在分配梁頂面用 50 t 千斤頂整體

下放圍堰,如圖 7 所示。

(a)平面圖

(b)立面圖

圖 7 吊掛系統(tǒng)示意圖

·138· 福 建 建 筑 2023 年

(2)圍堰下放到位后,在護筒頂布置封底混凝土

施工平臺,檢查圍堰施工質(zhì)量進行圍堰封底施工。 圍

堰封底施工內(nèi)容包括:圍堰限位,護筒周邊堵漏,封底

平臺、封底導(dǎo)管及料斗布置和封底混凝土澆筑。 圍堰

下放到位后,精確調(diào)整圍堰高程、平面位置及軸線偏

差,即內(nèi)側(cè)平面尺寸長、寬允許偏差 1 / 700,對角線允

許偏差 1 / 500;頂平面相對高差不超過 20 mm;圍堰平

面扭角不超過 1°;圍堰傾斜度不超過箱體高的 1 / 50;

圍堰軸線偏位不超過 50 mm。 經(jīng)檢查驗收合格,方可

進入后續(xù)工序施工。

(3)為防止封底時水下混凝土流失,需要事先用

堵漏環(huán)板封堵底板與鋼護筒之間的空隙。 堵漏環(huán)板

每個 護 筒 環(huán) 板 分 為 2 塊, 內(nèi) 徑 比 鋼 護 筒 外 徑 大

30 mm。待圍堰下放就位后,潛水員清理護筒周邊,調(diào)

整環(huán)板與護筒間隙,將環(huán)板與護筒盡量密貼,并用螺

桿臨時固定環(huán)板,如圖 8 所示。

圖 8 圍堰堵漏示意圖

(4)采用垂直導(dǎo)管法布置圍堰封底平臺、封底導(dǎo)

管及料斗。 采用汽車吊逐根下放導(dǎo)管,導(dǎo)管布置需滿

足封底混凝土一次性澆筑完成的需求,且平面上各導(dǎo)

管的有效灌注半徑(約為 4 m)互相搭接完畢。 導(dǎo)管

使用前,應(yīng)檢查焊接質(zhì)量并進行水密性試驗,拼接后

用鋼尺準(zhǔn)確丈量長度并作好標(biāo)記和記錄,并調(diào)整明顯

彎曲的導(dǎo)管。

現(xiàn)場施工情況表明,所設(shè)計的鋼套箱圍堰滿足設(shè)

計要求。

4 結(jié)論

(1)提出了一種鋼套箱圍堰設(shè)計方法,滿足凈空

高度嚴(yán)重受限和復(fù)雜環(huán)境狀況影響的大橋加固施工

需求。

(2)提出了凹凸榫拼接和9 m

2

(邊長為3 m ×3 m)、

4 m

2

(邊長為 2 m × 2 m)、1 m

2

(邊長為 1 m × 1 m)的

模數(shù)化尺寸,更好地適應(yīng)現(xiàn)場拼裝需求。

(3)形成了可模數(shù)化快速拼裝的鋼鋼套箱圍堰

施工工藝。

參 考 文 獻

[1] 劉 自 明. 橋 梁 深 水 基 礎(chǔ) [ M]. 北 京: 人 民 交 通 出 版

社,2003.

[2] ZHANG C R,ZHU B,ZHANG Z. Construction Techniques

for Composite Cofferdam of Pier No. 3 of Lingang

Changjiang River Rail - cum - Road Bridge [ J]. Bridge

Construction,2020,50(4):101 - 106.

[3] XU X,WANG T M. Techniques of Base Sealing for Steel

Cofferdam of Pylon Pier No. 4 of Yichang Xiangxi River

Bridge[J]. Bridge Construction,2018,48(2):105 - 110.

[4] 代筠杰,李輝,劉才華,等. 大跨橋梁深水基礎(chǔ)施工技術(shù)

[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版),2010,27(2):67

- 70.

[5] XU F,LI S C,ZHANG Q Q. Analysis and Design Implications on Stability of Cofferdam Subjected to Water Wave

Action[ J]. Marine Georesources & Geotechnology,2016,

34(2):181 - 187.

[6] 彭濤. 南三島大橋水中承臺鋼套箱圍堰設(shè)計與施工[ J].

中國公路,2022(17):153 - 155.

[7] 鐘正強,劉卓澤,彭建新,等. 基于粒子群算法的單壁鋼

圍堰加固施工優(yōu)化[ J]. 公路交通科技,2022,39(07):

90 - 97.

[8] 張仁堯. 劍潭東江特大橋主墩承臺鋼套箱圍堰設(shè)計與施

工[J]. 工程技術(shù)研究,2022,7(08):196 - 199.

[9] 劉志國,王高飛,魏洋,等. 水下橋梁樁基礎(chǔ)新型壓入鋼

套箱加固技術(shù)[ J]. 城市道橋與防洪,2021(10):138 -

141,18.

[10] 尹德智. 雙壁鋼套箱圍堰受力狀態(tài)仿真分析與現(xiàn)場監(jiān)測

[J]. 鐵道建筑,2021,61(10):57 - 61.

[11] 劉麗媛. 高速公路鋼板樁圍堰施工技術(shù)[ J]. 交通世界,

2023(07):133 - 135.

[12] 唐李鋒. 鋼圍堰受力分析及方案比選[ J]. 交通世界,

2023(Z2):253 - 256.

[13] 沈印,游劍南. 雙排鋼板樁圍堰受力與計算方法研究

[J]. 城市道橋與防洪,2023(02):209 - 213,24.

[14] 李震,王亞雄. SolidWorks 設(shè)計軟件在平口資水大橋雙壁

鋼吊箱圍堰設(shè)計及施工中的應(yīng)用[ J]. 工程建設(shè)與設(shè)

計,2023(02):113 - 115.

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

基于多尺度模型的變截面超寬連續(xù)

鋼箱梁力學(xué)行為分析

金國海1 樊汝剛1 梁鵬1 潛英飛2 周 雄 2 羅 征3

(1. 杭州地方鐵路開發(fā)有限公司 浙江杭州 310009;2. 中鐵二十四局集團浙江工程有限公司 浙江杭州 310009;

3. 浙大寧波理工學(xué)院 浙江杭州 315000)

摘 要:為研究多尺度建模方法在變截面超寬連續(xù)鋼箱梁力學(xué)分析中的適用性,運用 Midas 和 ABAQUS 有限元軟件,

建立等尺度梁單元模型和梁 - 殼 - 實體的多尺度模型。 通過對支反力、撓度、彎矩、應(yīng)力以及細(xì)部構(gòu)造應(yīng)力等的對比

分析,發(fā)現(xiàn)基于位移協(xié)調(diào)的多尺度界面連接方法,可以實現(xiàn)梁單元宏觀模型與實體單元的不同尺度間的連接。 同時,

多尺度模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測變截面鋼箱梁的受力情況,反映出關(guān)鍵部位的受力變化,計算效率明顯提高。 因此,多尺度

建模方法,在變截面超寬連續(xù)鋼箱梁力學(xué)分析中具有較好的適用性。

關(guān)鍵詞: 鋼箱梁;超寬變截面;多尺度模型;ABAQUS

中圖分類號:TU997 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0139 - 05

Analysis of mechanicalbehavior of ultra - wide variable - section continuous steel

box girder based on multi - scale model

JIN Guohai

1 FAN Rugang

1

LIANG Peng

1 QIAN Yingfei

2 ZHOU Xiong

2

LUO Zheng

3

(1. Hangzhou Local Railway Development Company Limited,Hangzhou 310009;

2. China Railway 24th Bureau Group Zhejiang Engineering Company Limited,Hangzhou 310009;

3. Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Hangzhou 315000)

Abstract:To investigate the applicability of multi - scale modelling methods in the mechanical analysis of variable - section ultra - wide

continuous steel box girders,Midas and ABAQUS finite element were used to establish their equal - scale beam models and beam - shell -

solid multi - scale models respectively,and to compare and analysis the structural reaction force,mid - span deflection ,mid - span bending

moment,main beam stress value and main beam detail stress value. The results show that the multi - scale interface connection method

(MPC) based on displacement coordination can achieve the connection between the macroscopic model of the beam unit and the solid unit

at different scales; the analysis results of the scaled beam models of the slideway support reaction force,mid - span deflection and mid -

span bending moment of the variable - section steel box girder are consistent with the multi - scale model. The multi - scale model is used

to analysis the local stresses at the most unfavorable locations of the variable - section steel box girder,to achieve the overall structural response analysis,and also to highlight the local critical variation patterns and reduce the calculation time.

Keywords:Steel box girder; Ultra - wide variable section; Multiscale model; ABAQUS

基金項目:中國鐵路上海局集團有限公司科研計劃“雙線電氣化運營鐵

路區(qū)間更換道岔連續(xù)鋼箱梁關(guān)鍵技術(shù)研究(2022218)

作者簡介:金國海(1972. 09 - ), 男 ,高級工程師。

E-mail:195925307@ qq. com

收稿日期:2023 - 02 - 06

0 引言

變截面超寬鋼箱梁具有制造安裝便捷,施工空間

要求相對較小,對交通影響范圍小、適應(yīng)跨度較大、結(jié)

構(gòu)形狀適應(yīng)性強、自重小等明顯優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于

城市跨線橋與異形橋梁中[1]

。 變截面超寬鋼箱梁結(jié)

構(gòu)扁平,具有明顯的空間效應(yīng)[2]

,集中表現(xiàn)為剪力滯

效應(yīng)與薄壁效應(yīng)的耦合。 因此,對于寬箱梁而言,截

面約束扭轉(zhuǎn)和畸變會產(chǎn)生翹曲應(yīng)力,截面變形已無法

滿足平截面假定[3]

。

目前,單箱多室箱梁橋的常用計算方法有:單梁

模型、平面梁格法及實體有限元。 后者能真實反映

結(jié)構(gòu)各個局部的應(yīng)力狀態(tài),建模復(fù)雜且分析工況單

一,與設(shè)計規(guī)范匹配度低 ,僅僅適用于特殊工況分

析。 單梁模型[4] 無法考慮橋梁的橫向作用如翹曲

和畸變;梁格分析方法[5] 在箱梁設(shè)計計算中應(yīng)用廣

泛,但由于寬箱梁空間效應(yīng)明顯,寬箱梁空間效應(yīng)大

以及鋼箱梁的局部應(yīng)力等問題無法進行深入研究。

近年來,國內(nèi)外研究人員對多尺度計算進行了探索

和實踐。 文獻[3]提出了大跨橋梁的動力響應(yīng)和損

傷累計的多尺度數(shù)值模擬方法。 文獻[6]基于位移

協(xié)調(diào)和應(yīng)力平衡理論,通過建立混凝土柱的實體模

型、梁單元模型及多尺度有限元模型,分別對大跨橋

梁進行靜力及動力特性分析。 同時,文獻[7] 通過

橋墩的實體模型、單梁模型及多尺度梁 - 殼模型的

分析對比,驗證了多尺度模型的適應(yīng)性。

本文基于結(jié)構(gòu)多尺度建模理論,通過有限元軟件