裝配化的五個(gè)破局點(diǎn)

文/中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 孟凡超 李貞新

改革開放30多年來，中國(guó)公路橋梁建設(shè)取得了舉世矚目的成就，但在鋼橋建設(shè)方面與歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化水平低，差距明顯。筆者提出了以“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理”為特征的裝配化橋梁建設(shè)方案，升級(jí)中國(guó)鋼橋產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化水平，指出了需要重點(diǎn)解決的五大關(guān)鍵技術(shù)——體制機(jī)制、材料、制造、施工、管養(yǎng)及裝備，以此破局。

而國(guó)內(nèi)首家裝配化鋼結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的成立，將整合資源提升行業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈一體化服務(wù)能力和高品質(zhì)鋼橋的供給能力。

蘇通大橋基礎(chǔ)需要在一塊足球場(chǎng)大小的面積上打下131根鋼筒，每根護(hù)筒之間的距離僅二三米，最深基礎(chǔ)達(dá)120米。

我國(guó)鋼橋應(yīng)用比例尚不足1%

經(jīng)過改革開放30多年的發(fā)展，我國(guó)公路橋梁建設(shè)取得了舉世矚目的成就，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民生改善作出重要貢獻(xiàn)。我國(guó)公路橋梁數(shù)量和品質(zhì)均實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，總數(shù)已達(dá)77.9萬座，一批已建成和在建的跨大江大河、跨海灣等橋梁工程令世界矚目，如世界首次采用分體式鋼箱梁最大跨徑的懸索橋——西堠門大橋、世界上最長(zhǎng)的跨海大橋——杭州灣大橋乃至世界第一座突破千米跨徑的大跨徑斜拉橋——蘇通大橋，以及正在建造的世界級(jí)重大跨海交通集群工程——港珠澳大橋、深中通道等。

盡管我國(guó)橋梁建設(shè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，在世界大跨度懸索橋、斜拉橋、拱橋和梁橋的排行榜上已名列前茅，研發(fā)了一大批自主創(chuàng)新成果，積累了豐富的橋梁設(shè)計(jì)、施工和管養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)。但由于受經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平和鋼材產(chǎn)能制約，我國(guó)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁主要用于特大跨徑橋梁，1937年由我國(guó)著名橋梁專家茅以升負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)并監(jiān)督施工的錢塘江大橋拉開了我國(guó)建大跨度鋼橋的序幕，但應(yīng)用比例很低，尚不足1%，遠(yuǎn)低于法國(guó)85%、日本41%和美國(guó)35%的鋼結(jié)構(gòu)橋梁占比，已嚴(yán)重滯后于我國(guó)經(jīng)濟(jì)和橋梁建造技術(shù)發(fā)展水平。

由于鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、質(zhì)量高、壽命長(zhǎng)、施工快、可塑性、工廠化制造、裝配化施工、可循環(huán)利用等優(yōu)勢(shì)，為世界橋梁屆所推崇。也正是基于鋼結(jié)構(gòu)的這些特性，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施大量采用鋼結(jié)構(gòu)將成為未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著我國(guó)鋼鐵產(chǎn)能提高和鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)已經(jīng)具備推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件。當(dāng)前，鋼鐵產(chǎn)能過剩、鋼材價(jià)格下降，是推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)、提升公路橋梁建設(shè)品質(zhì)的良好契機(jī)，同時(shí)也是落實(shí)

裝配化鋼橋的先進(jìn)性：

質(zhì)量高、長(zhǎng)壽命、速度快、施工工法適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)自然與環(huán)境影響小、全壽命周期成本低、提升工程結(jié)構(gòu)的工業(yè)化水平、利于優(yōu)化勞動(dòng)結(jié)構(gòu)及提高勞動(dòng)力水平等?！秶?guó)務(wù)院關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過剩產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》（國(guó)發(fā)〔2016〕6號(hào)）要求，促進(jìn)鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要舉措。為此，交通運(yùn)輸部發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》（交公路發(fā)〔2016〕115號(hào)，以下簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見》），開啟了我國(guó)鋼橋建設(shè)的新時(shí)代。

港珠澳大橋用鋼42萬噸，主體工程中, 22.9 公里長(zhǎng)的橋梁上部結(jié)構(gòu)絕大部分采用鋼結(jié)構(gòu)制造。

裝配化的四個(gè)技術(shù)路徑

裝配化鋼橋，擺脫了高投入、高消耗、高污染的粗放式建設(shè)模式，滿足了節(jié)能、環(huán)保、快速、安全、耐久、高效、美觀的建設(shè)要求，促進(jìn)橋梁的轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效，是實(shí)現(xiàn)橋梁產(chǎn)業(yè)化的有效路徑。

我國(guó)鋼橋的標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、機(jī)械化和產(chǎn)業(yè)化水平不高，裝配化率低，已經(jīng)建造的工程尚缺乏設(shè)計(jì)和建造理念。正在建設(shè)的港珠澳大橋，為了應(yīng)對(duì)和解決港珠澳大橋工程技術(shù)、施工安全、環(huán)境保護(hù)的挑戰(zhàn)，建設(shè)高品質(zhì)、長(zhǎng)壽命的跨海大橋，提出了“大型化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化”的創(chuàng)新建設(shè)理念，核心是工業(yè)化，裝配化率達(dá)95%以上，開啟了我國(guó)裝配化橋梁建造的新時(shí)代。

在國(guó)家“一帶一路”和“走出去”倡議、擴(kuò)大內(nèi)需的政策推動(dòng)下，我國(guó)公路行業(yè)將得到迅猛發(fā)展，這將為裝配化鋼橋的發(fā)展提供更為廣闊的市場(chǎng)空間。為了適應(yīng)行業(yè)發(fā)展，推動(dòng)《指導(dǎo)意見》的有效落地，實(shí)現(xiàn)全壽命周期成本最優(yōu)，中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司（以下簡(jiǎn)稱中交公規(guī)院）聯(lián)合國(guó)內(nèi)31家具有雄厚實(shí)力的成員單位，順應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)組建了裝配化鋼結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（以下簡(jiǎn)稱鋼橋聯(lián)盟），推動(dòng)我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理”，實(shí)現(xiàn)“綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展、高端發(fā)展”。

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是保障全產(chǎn)業(yè)鏈完整性的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)制的前提，能夠有效控制工程質(zhì)量和建造成本，為構(gòu)件的系列化、通用化乃至多樣化奠定基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)技術(shù)水平較高的設(shè)計(jì)單位已開始了相關(guān)研究，部分單位已開展了鋼結(jié)構(gòu)橋梁通用圖的編制，如中交公規(guī)院、河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院、安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司、甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司等。河北省院主要編制25米至40米跨徑鋼-混凝土工字組合梁和80米、120米、150米波形鋼腹板PC組合箱梁通用圖；安徽省院和甘肅省院主要編制中等跨徑鋼-混凝土工字組合梁通用圖。各省級(jí)設(shè)計(jì)院編制的鋼橋通用圖的理念、質(zhì)量等尚待實(shí)踐驗(yàn)證。

中交公規(guī)院以堅(jiān)實(shí)的橋梁底蘊(yùn)系統(tǒng)梳理了裝配化鋼結(jié)構(gòu)橋梁通用圖，完成了《裝配化鋼結(jié)構(gòu)橋梁通用圖編制指導(dǎo)意見》，涵蓋了工字組合梁、箱形組合梁、上跨箱形組合梁、連續(xù)鋼箱梁、下承式連續(xù)桁架組合梁、下承式連續(xù)鋼桁梁、上承式鋼拱橋、中承式鋼拱橋、梁式人行天橋、中承式單肋拱人行天橋等。該系列通用圖已經(jīng)申報(bào)了多項(xiàng)國(guó)家專利。

中交公規(guī)院已于今年10月發(fā)布了首批裝配化鋼結(jié)構(gòu)橋梁系列通用圖，包括6種橋型50套圖，實(shí)現(xiàn)了BIM參數(shù)化建模及出圖。

工廠化生產(chǎn)

區(qū)域預(yù)制廠的建立可將構(gòu)件制造過程實(shí)現(xiàn)“空中的工作放地上，地上的工作請(qǐng)到車間”，從而提高專業(yè)化水平和質(zhì)量管理的可控性，使構(gòu)件的質(zhì)量和穩(wěn)定性得到保障。同時(shí)，也可以提高橋梁的耐久性，減少后期維護(hù)及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

從全生命周期看，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的造價(jià)和耐久性優(yōu)勢(shì)更為突出。但在當(dāng)前的體制機(jī)制下，市場(chǎng)更為關(guān)注建造成本，這也成為鋼結(jié)構(gòu)橋梁推廣的最大障礙。建立區(qū)域預(yù)制場(chǎng)不僅有效降低鋼橋建造成本，而且能夠引領(lǐng)當(dāng)?shù)劁撈筠D(zhuǎn)型升級(jí)，帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)。

裝配化施工

裝配化施工具有施工速度快、勞動(dòng)生產(chǎn)效率高、對(duì)自然和社會(huì)環(huán)境影響小、優(yōu)化勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提升橋梁建設(shè)的工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化水平，核心是高效安裝與高精度控制技術(shù)及裝備的研發(fā)。

鋼橋聯(lián)盟印發(fā)了《首批近、中期科技研發(fā)創(chuàng)新任務(wù)的通知（鋼橋聯(lián)盟〔2017〕009號(hào)）》，涵蓋了超大直徑鋼管樁及鋼管復(fù)合樁、裝配化鋼塔、鋼墩、裝配化墩臺(tái)與鋼管樁連接等施工技術(shù)研發(fā)。

信息化管理

通過新一代信息工具BIM集成橋梁模型的各類相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)信息參數(shù)從橋梁前期規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工運(yùn)維的全壽命周期內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳遞和共享，可在提高工程與工作質(zhì)量、生產(chǎn)效率、節(jié)約成本、縮短工期、科學(xué)管養(yǎng)和災(zāi)害應(yīng)對(duì)等方面發(fā)揮重要作用。

BIM技術(shù)具備了可視直觀、動(dòng)態(tài)仿真、智能優(yōu)化、輔助決策等眾多優(yōu)點(diǎn)，能夠提升管理的信息化水平。

表1 中交公規(guī)院裝配化鋼結(jié)構(gòu)橋梁通用圖技術(shù)特點(diǎn)

港珠澳大橋全線貫通在即

裝配化的五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于裝配化鋼橋，應(yīng)從設(shè)計(jì)階段開始，統(tǒng)籌考慮鋼結(jié)構(gòu)橋梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化制造、裝配化施工等問題，強(qiáng)化從全產(chǎn)業(yè)鏈統(tǒng)籌關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，形成成套技術(shù)及裝備。

高性能高強(qiáng)鋼研發(fā)

橋梁技術(shù)的發(fā)展都離不開材料，就鋼橋發(fā)展來說，應(yīng)向高強(qiáng)度、易焊接性、耐候性方向發(fā)展，保障橋梁的耐久性、安全性，縮短工程周期，降低工程造價(jià)、維修費(fèi)用，取得競(jìng)爭(zhēng)上的優(yōu)勢(shì)。

高強(qiáng)鋼是國(guó)內(nèi)外橋梁鋼發(fā)展的一個(gè)必然方向，美日韓歐等早在2000年左右就開發(fā)了690兆帕級(jí)橋梁鋼，且美國(guó)在2003年就已實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。而我國(guó)橋梁用鋼板經(jīng)歷六代發(fā)展，最高強(qiáng)度級(jí)別Q500qE已應(yīng)用于滬通長(zhǎng)江大橋，690兆帕級(jí)橋梁鋼已研發(fā)完成，但尚無工程應(yīng)用。

近年來，鋼鐵行業(yè)在提高鋼材抵抗自然環(huán)境腐蝕方面做出了大量的努力，耐候鋼就是典型成果之一。耐候鋼生產(chǎn)成本較一般鋼材提高不多，但可以依靠其自身性能抵抗一般環(huán)境下的侵蝕，甚至做到免涂裝，大幅降低后期養(yǎng)護(hù)成本。美國(guó)、日本的鋼結(jié)構(gòu)橋梁已經(jīng)開始廣泛推廣耐候鋼，截至2014年年底，美國(guó)約有1萬座免涂裝耐候鋼橋。我國(guó)大型鋼企已經(jīng)研發(fā)了橋梁用耐候鋼，最高強(qiáng)度達(dá)620兆帕，已經(jīng)具備了耐候鋼的生產(chǎn)能力，并開始向國(guó)外出口。

目前，中交公規(guī)院聯(lián)合鞍鋼股份有限公司、寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司等6家單位開展《公路橋梁用耐候鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的編制，擬按照屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)345、420、500、620兆帕四個(gè)強(qiáng)度級(jí)別，形成適用的鋼材合金化體系及相應(yīng)的牌號(hào)。

智能制造技術(shù)及裝備研發(fā)

智能制造技術(shù)及裝備研發(fā)是我國(guó)橋梁提升工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化水平的關(guān)鍵，是鋼橋品質(zhì)的保障。正在建設(shè)的港珠澳大橋的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工基本實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化、自動(dòng)化制造，包括自動(dòng)加工、智能焊接及智能拼裝等；采用了數(shù)控切割機(jī)自動(dòng)劃線及板單元下料、機(jī)器人焊接系統(tǒng)等智能化生產(chǎn)設(shè)備。

目前，鋼橋聯(lián)盟聯(lián)合上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司、中交第一公路工程局有限公司等開展裝配化鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化、智能化、高精度制造、焊接、栓接、涂裝、運(yùn)輸、質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)及裝備的研發(fā)。

現(xiàn)場(chǎng)高效安裝與高精度控制技術(shù)及裝備的研發(fā)

目前，我國(guó)橋梁建設(shè)的產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化水平還比較低，智能化施工技術(shù)及裝備研發(fā)還處在起步階段?，F(xiàn)場(chǎng)高效安裝與高精度控制技術(shù)及裝備的研發(fā)是裝配化鋼橋發(fā)揮速度快、施工工法適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)自然與環(huán)境影響小、提升工程結(jié)構(gòu)的工業(yè)化水平等優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

鋼橋聯(lián)盟聯(lián)合中交第一公路工程局有限公司、中交第二航務(wù)工程局有限公司等6家施工企業(yè)開展復(fù)雜地形裝配化鋼塔、鋼墩高精度定位、安裝技術(shù)及裝備、5000噸級(jí)海上裝配化鋼塔、鋼墩高精度定位、安裝技術(shù)及裝備等的研發(fā)。

南京長(zhǎng)江第三大橋主橋采用主跨648米的雙塔鋼箱梁斜拉橋，橋塔采用鋼結(jié)構(gòu)。

智能化管養(yǎng)技術(shù)及裝備的研發(fā)

在中國(guó)橋梁的建設(shè)過程中，曾走了“重建輕養(yǎng)”的彎路，在保障橋梁的安全性、耐久性和使用功能方面遭遇了挑戰(zhàn)。相對(duì)于混凝土橋梁，鋼結(jié)構(gòu)橋梁優(yōu)勢(shì)之一是全壽命周期成本和耐久性，這更需要建立“建養(yǎng)并重”理念，研發(fā)智能化管養(yǎng)技術(shù)及裝備，提升鋼橋智能化養(yǎng)護(hù)能力，保障鋼橋品質(zhì)。

鋼橋聯(lián)盟聯(lián)合中交公規(guī)院、中交西安筑路機(jī)械有限公司等開展裝配化鋼結(jié)構(gòu)橋梁多功能智能化管養(yǎng)技術(shù)及裝備、裝配化鋼結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù)及裝備、鋼橋面鋪裝自動(dòng)化橋面除銹車技術(shù)及裝備等研發(fā)。

基于“設(shè)計(jì)使用壽命+全壽命周期成本”交通建設(shè)評(píng)價(jià)機(jī)制研究

現(xiàn)行的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)機(jī)制對(duì)于推動(dòng)我國(guó)過去30多年交通快速發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，使我國(guó)在較短時(shí)間內(nèi)走過了中低端水平的發(fā)展階段。但現(xiàn)有機(jī)制具有的“簡(jiǎn)單低價(jià)競(jìng)標(biāo)模式”和“一般水平重復(fù)建設(shè)”特性，將難以跨越發(fā)展過程中的“中等水平陷阱”，已不適應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展、高端發(fā)展”的要求，制約了交通建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理的發(fā)展邁向國(guó)際高端，有必要探索和創(chuàng)新交通建設(shè)機(jī)制。

鋼橋聯(lián)盟將在公路和獨(dú)立特大橋的新建、改擴(kuò)建項(xiàng)目以及特大型跨海通道工程項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃中，探索并創(chuàng)新“設(shè)計(jì)使用壽命+全壽命周期成本”的交通建設(shè)評(píng)價(jià)機(jī)制，以PPP模式，推進(jìn)大型央企集團(tuán)以“資本+技術(shù)”為引領(lǐng)的全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)方 案解決公路建設(shè)、橋梁建設(shè)的新機(jī)制。

裝配化鋼橋是橋梁發(fā)展方向，為行業(yè)提供了“彎道超車”的機(jī)遇?！皹?biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理”是實(shí)現(xiàn)裝配化橋梁的技術(shù)路徑，體制機(jī)制、材料、加工制造、施工、管養(yǎng)及裝備是升級(jí)我國(guó)鋼橋產(chǎn)業(yè)需要重點(diǎn)解決的五大關(guān)鍵技術(shù)。

鋼橋聯(lián)盟將致力于成為全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)的供給者、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的提升者、機(jī)制創(chuàng)新的推動(dòng)者和邁向高端的引領(lǐng)者，加快我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)創(chuàng)新體系建設(shè)。