随着城市化、工业化水平日益提高，城市配套基础设施正处于高速发展建设阶段，市政道路及配套地下管网、综合管廊建设成为城市规划发展的重要一环。对于地下管线的阶段性规划设计中，常存在管道间碰撞、过线规避等情况，对后期施工阶段造成较大困扰。基于AutoCAD的二维施工设计理念，存在工作量大、效率低且易错，尤其在复杂结构的表达弱势中表现尤为突出。

因此，特结合项目施工案例，基于BIM技术进行量化统计、结构有限元分析等，使项目管理团队能够通过相关图像、工程量、技术参数等更能直观的对方案可行性、安全性、经济合理性进行评估比选，对不合理之处进行优化完善，针对性的指导现场施工，大大提高了工作效能及质量。同时也为BIM技术在市政管线安装领域中的施工应用提供参考。

1  工程分析

1.1  工程概况

旅游大道西段道路西起汉唐大道，东至污水厂东侧规划路，道路红线宽度40m。设计旅游大道雨水管道为欧亚大道雨水系统东西向雨水干管。主干管沿欧亚大道-安澜路-和畅路-旅游大道敷设，干管管径d2200mm~d4000mm。其中设计4000mm雨水管道处于K2+666.809~K3+209.24里程段，总长650m。管道采用Ⅲ级钢筋混凝土钢承口管。D4000mm管道管壁厚度320mm，管道外径4640mm，标准管节长度2.5m，重达27.2t。设计混凝土强度C50，抗渗等级P8,抗冻等级F150。

1.2  工程地质条件

拟建场地地貌单元属渭河一级阶地，地势总体平缓，场地范围由上而下地层主要为素填土、黄土、细砂、中砂。地下水稳定水位埋深 2.00～10.10m，相应高程介于354.82～357.01m，属于潜水类型。

1.3  碰撞节点分析

YA60检查井为YA段、YB段设计d4000mm雨水段终点交汇处，经现场勘探，该位置有一原状2600mm雨水管道需贯穿新建YA60检查井；检查井上部盖板与既有1400mm球墨铸铁带压管产生碰撞,通过revit建立BIM模型，如图2所示。结合现场实际情况，重难点主要存在以下内容：

1）对原始YA60检查井位置进行修改；

2）对既有1400mm球墨铸铁带压管道采取保护措施，避免管道安装过程中产生扰动破坏；

3）从经济性、合理性、可操作性出发，考虑其基坑边坡支护、下穿管道安装、检查井浇筑等具体实施方案的最优解。

图1  YA60碰撞节点BIM模型

2 BIM技术应用

基于BIM技术，利用Revit、Midas、Pkpm、Navisworks等，对施工各阶段结构部位进行三维建模、施工模拟、工程量提取、可视化交底、有限元受力分析等，对方案进行验证优化，使得方案更具针对性，切实指导现场施工。

2.1  基坑支护方案选择

d4000mm雨水管道基槽采用明开挖施工形式，最大开挖深度达7.88m。支护方式采用分级放坡支护方式，中间马道设置1500mm宽，坡比比率1：1.5。

2.2  管道安装方案设计

1）方案选择

D4000mm管道吊装设备选用320t履带式起重机，轨行下垫50cm砖渣+2cm厚钢板，距离基坑边5m进行吊装作业；管道下基坑后，配以32t叉车进行管道顶进安装，如图2所示。

图2  管道吊装BIM施工模拟图

管道内部接缝处，通过Q235钢管搭设自设计简易移动操作平台，进行防水作业。利用Revit建立三维模型，如图3、图4所示。

2）设计校核验算

①地基承载力验算

地基承载力计算公式为：

                        （1）

式中：f_a为修正后的地基承载力特征值（kPa）；f_ak为地基承载力特征值（kPa），原状土测得值为180kPa；η_b、η_d为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，查表得ηb=0.3、ηd=1.6；γ为基础底面以下土的重度（kN/m³），取值为19kN/m³；b为基础底面宽度（m），取值为15m；γ_m为基础底面以上土的加权平均重度（kN/m³），计算得19kN/m³；d为基础埋置深度（m），取0.52m。

代入参数得出：f_a=249.01kPa

履带吊接触面压强值为225.1kPa，f_a=249.01kPa＞225.1kPa，满足承载力要求。

②吊车索具校核计算

1）每支吊索拉力计算公式：

                                    （2）

式中：F为单根吊索的拉力；G为管道构件重力；φ为动载系数，取1.5；Q₂为吊索具重量。

代入参数得出F=161KN。

吊装选用钢丝绳，受力F^’=1288KN(安全系数取8)。

查阅规范《重要用途钢丝绳》（GB8918-2006）可知：d48mm（6×37S+FC-1670）纤维芯钢丝绳破断拉力F^”=1370KN＞F^’=1288KN。故选取d48mm（6×37S+FC-1670）2根5m钢丝绳可满足吊装需求。

③吊装载荷校核计算

履带起重机的起重性能表中的额定起重量Q_额必须大于部件重量Q₁和吊索具重量Q₂之和。

                                   （3）

                                （4）

其中，Q₁为被吊物重量，取27.2t；Q₂为吊索具重量包含吊钩的重量,取5t。

查阅320t履带式起重机主臂及副钩吊装工况、工作范围图，在50m臂杆，26m工作半径范围内Q_额=53.3t，Q_吊装=32.2t＜Q_额=53.3t，满足起重要求。

④可移动操作架稳定验算

采用revit建立三维模型，导入Midas civil，建立空间有限元模型，钢管采用三维梁单元模拟，平台采用平面应力单元模拟，钢管下端与地面连接边界条件为固结。

钢管在自重+人群荷载组合下受力情况如图5所示。

（1）梁单元2、4号点应力云图            （2）梁单元1、3号点应力云图

图5  自重+人群荷载应力云图

由上图模型可知，钢管在自重+人群荷载组合下应力在-41.6MPa~27.5MPa之间，未超过钢管材料的屈服强度极限值（235MPa），强度满足要求。

3）结果应用

通过自主设计简易移动操作平台体系，通过Revit、Midas civil、Naviswork等软件，结合现场实际工况，进行结构有限元分析、施工模拟，确保满足安全稳定要求，有序指导管道安装施工。

2.3  既有管道悬吊保护方案设计

1）方案设计

对既有d1400mm球墨管，通过设计贝雷架进行悬吊保护。

贝雷架拟采用321型贝雷片为桁架，桁架编组为18米4排单层标准型，用11组钢绳把水管悬吊在贝雷架上，钢丝绳间距1.5米，以此达到悬吊保护管线的目的。悬吊物为DN1400钢管。贝雷梁下方为C30混凝土承台（3000×1000×500），承台下为钢板（3500×1500×20）。

采用Midas Civil三维建模，建立有限元分析模型，如图6所示。

图6  DN1400mm管道悬吊保护贝雷支架模型图

2）稳定验算

贝雷梁自重7.681t, d1400mm管壁厚20mm，每延米重量680kg，18m自重12.24t，满水情况下总重38.4t,以上共计46.1t。分别由11组钢丝绳22个悬吊点承受荷载，则节点荷载F=2.095t=21KN。

对各部位进行强度分析，如图7所示。

（1）弦杆受力分析                                              （2）竖杆受力分析

（3）斜杆受力分析                                          （4）位移变形分析

图7  贝雷支架受力分析图

分析结果得出，弦杆最大轴力293.7KN，竖杆最大轴力60.8KN, 斜杆最大轴力67.6KN,整体最大位移31.4mm，分配梁最大组合应力6.54MPa，支撑架（桁架单元）最大组合应力32.7Mpa。对照理论容许承载值标准，满足荷载要求。

查阅规范《6X37(b)类圆股钢丝绳》（GB/T 8918-1996）,根据管线总质量为461KN，悬吊为11组钢丝绳，其每组钢丝绳承重为461/11=42KN，考虑到实际中的不均衡受力,选用公称直径为14mm，抗拉强度1470Mpa，破断拉力为84.9KN的纤维芯钢丝绳完全满足悬吊要求。

3）结果应用

通过自设计贝雷梁支撑体系，通过Midas civil等软件，结合现场实际工况，进行结构有限元分析，确保满足安全稳定要求。

2.4  YA60检查井模板支架设计

检查井为钢筋混凝土结构，净空尺寸7000*7500mm，净空高度5600mm，侧墙壁厚600mm，顶板厚500mm，底板厚700mm。

1）方案设计

结合经济性、现场碰口实际情况考虑，YA60检查井位置变更，避开d1400mm球墨铸铁管，井室结构采用传统模板木枋支撑体系，满堂架采用钢管扣件支撑架。检查井设计顶板支撑架横纵间距900*900mm，步距1500mm，顶托支撑伸出长度300mm，顶托内材料为双钢管，内龙骨为木枋，间距300mm；检查井侧墙内龙骨为木枋，间距250mm，外龙骨采用双钢管48mm×3.0mm。对拉螺栓布置8道，断面跨度方向间距750mm，直径16mm。

2）结果应用

①通过PKPM软件建立模板支架模型，进行荷载计算，确保整体稳定。

②采用revit进行三维建模，提取钢筋、混凝土、模板木枋等材料工程量，对于不同视角导出平面图纸，再通过Autocad进行二次加工，能够实现设计模板、支架的快速精准建模和出图。

③对施工技术负责人实现可视化交底，交底内容二维变三维、由三维变动画，更加直观和生动，对于复杂节点而言，大幅提高了交底的效率和质量。

3  结语

本文具体集中探讨了4项BIM技术在市政大型管道碰撞节点施工中的辅助应用技术手段，充分发挥了BIM三维模型的集成化程度高、计算精度高、高效便捷的技术优势。采用Revit、Midas、Pkpm、Navisworks等，对施工关键工序、重要结构部位进行建模、稳定分析、可视化模拟，使得项目管理团队能够快速、直观的对施工方案选型进行评估优化、分析验证，能够兼顾经济性和可操作性。对方案优化、稳定校核及工作效率的提高有极大帮助。

参考文献：

[1] 重庆市设计院. 建筑边坡工程技术规范：GB 50330-2013[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2013

[2] 北京起重运输机械设计研究院. 一般起重用D形和弓形锻造卸扣：GB/T 25854-2010[S]. 北京：中国标准出版社， 2011

[3] 沈阳建筑大学. 建筑施工模板安全技术规范：JGJ162-2008[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2008

[4] 中国建筑科学研究院有限公司. 建筑结构可靠性设计统一标准：GB 50068-2018[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2018

[5] 中国建筑业协会. 建筑施工脚手架安全技术统一标准：GB 51210-2016 [S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2016