基于BIM技術的鐵路智能梁場鋼筋加工技術應用

朱俊武，楊斌，侯宇飛，王有云

（1.中鐵上海工程局集團有限公司，上海 200040；2.中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京 100844）

1 概述

近年來，我國工程行業(yè)展開了現代化的建設革命，建筑施工由傳統(tǒng)勞動密集型過渡到現代工廠化、智能化建造方式，而鋼筋作為工程建設所必需的原材料，其加工方式也同樣面臨由小型加工廠到大型智能化集中加工廠的技術升級。工程主體結構所需的原材一般分為線材、棒材，棒材生產通用規(guī)格長度為12 m 和9 m?，F場制作時，需將原材進行截斷彎曲，施工現場為合理控制原材的損耗，需在加工前對鋼筋下料長度進行套料計算。目前棒材套料計算采用人工方式，易出錯且計算結果易受人為因素影響。在鋼筋集中加工的情況下，需要計算的數據量比分散加工大得多，人工計算非常困難。此外，數據量增多，會出現計算加工錯誤現象，導致原材鋼筋嚴重受損進行返工，降低生產效率［1］。

在鐵路橋梁工程中，箱梁等預制構件對鋼筋加工的需求量很大，構件內鋼筋存在體量大、數量多、安裝精度高的要求［2］。因此，如何利用信息技術、機械自動化加工技術來提升生產效率、工程質量和自動化程度是一個重要課題。對鋼筋加工一體化技術開展應用研究，實現了BIM 鋼筋建模軟件與一體化加工設備硬件結合。整套技術在京雄城際高鐵項目建設生產中得到實踐驗證，為鐵路工程智慧梁場簡支箱梁鋼筋智能加工積累了經驗［3］。

2 梁場鋼筋智能加工技術路線

梁場智能鋼筋集中加工一體化作業(yè)，將鋼筋智能加工所有發(fā)生的業(yè)務都在平臺內完成，使用BIM 平臺的鋼筋模型數據提交加工需求，實現了辦公室生產任務管理與工廠內鋼筋設備的雙向數據及時通信，通過網絡信息，將在辦公室處理好的生產任務下發(fā)到對應的鋼筋設備，并將鋼筋設備的生產結果反饋到辦公室進行匯總，實現數字化管理。從而更加高效、準確地實現生產全過程的管理［4］。

梁場智能化生產過程中，以梁體施工鋼筋圖為基準，利用BIM 鋼筋建模技術為主導，以智能加工設備為核心，完成基于BIM 技術的鋼筋優(yōu)化設計；根據優(yōu)化設計完成后的鋼筋BIM 模型導出鋼筋格式數據，用于物料生產管理系統(tǒng)確認加工代碼單號；智能設備鋼筋加工管理系統(tǒng)通過導入鋼筋代碼單號，自動生成鋼筋加工代碼單，將代碼單號輸入加工設備。通過局域網將智能鋼筋加工設備和辦公網絡連接，實現智能設備鋼筋加工一體化制作［5-6］。

鋼筋加工技術應用流程見圖1。

圖1 鋼筋加工技術應用流程

3 鐵路箱梁鋼筋深化設計及優(yōu)化

3.1 利用BIM技術輔助鋼筋優(yōu)化

鋼筋優(yōu)化設計利用建模軟件Planbar，建模精度達到LOD 5.0，可擴展性好，數據轉換格式多樣，較易實現與鋼筋加工管理平臺之間數據傳遞。總結利用BIM技術對鋼筋的優(yōu)化設計、積累經驗的基礎上，形成鋼筋優(yōu)化設計方案，包括準備工作、鋼筋建模和設計糾偏三大步驟。在鋼筋優(yōu)化設計過程中，結合鋼筋加工經驗和實際需求，進一步完善鋼筋的建模流程?；赑lanbar 鋼筋數據導出接口，可將鋼筋模型導出系統(tǒng)接收的BVBS數據格式傳輸至智能鋼筋加工設備進行鋼材加工［7］。

3.2 基于BIM的鋼筋碰撞檢查分析

通過碰撞檢查分析，箱梁底板、腹板及頂板鋼筋之間存在部分鋼筋碰撞問題；對梁體鋼筋與波紋管、支座預埋件、吊點等進行空間分析，存在沖突等問題。因此提前對箱梁鋼筋進行優(yōu)化設計，對有沖突之處進行設計修改，可有效避免綁扎過程中的二次處理。此外，結合鋼筋綁扎工藝流程，運用軟件對梁體鋼筋綁扎過程進行模擬，通過三維可視化手段分析和優(yōu)化綁扎過程，并對工人進行交底，有效提高鋼筋籠綁扎質量。特性相同的箱梁鋼筋綁扎工藝在實際過程中需要重復若干次，因此模擬、分析、優(yōu)化和交底的過程可結合實際施工情況不斷優(yōu)化，提高工作效率。

3.3 物料生產管理系統(tǒng)

根據建設單位工廠化、智能化、數字化建設要求，項目部和鋼筋智能設備廠家提出需求，共同研發(fā)了針對鋼筋智能加工中心數字化管理系統(tǒng)，該管理系統(tǒng)支持BVBS 鋼筋參數格式，利用BIM 技術將鋼筋建模導入系統(tǒng)，進一步復核優(yōu)化鋼筋的彎曲弧度和尺寸，降低智能加工的成品尺寸誤差。通過系統(tǒng)形成了系統(tǒng)性的管理手段，實現了智能生產管理一體化。

4 智能梁場鋼筋配置

4.1 軟件配置

（1）BIM 建模軟件。采用Planbar 軟件進行箱梁鋼筋建模（見圖2）。首先通過BIM軟件建立整孔梁模型，將預制箱梁模型中每個型號的鋼筋及尺寸等生成導出下料單（二維碼、條碼下料單），直接與智能鋼筋加工設備接口連接。在預制箱梁建模過程中，可對設計圖紙工程量進行審核；在施工過程中進行碰撞檢查；實現施工進度模擬等［8］。

（2）物料生產管理系統(tǒng)。為支持鋼筋加工中心對鋼筋智能加工任務進行訂單、生產、材料和倉儲的信息化管理，梁場鋼筋加工采用物料生產管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括鋼筋模型BVBS 數據導入、鋼筋生產任務計劃、鋼筋加工單生成、加工過程監(jiān)控等模塊。智能鋼筋加工設備鋼筋數據接口通過解析Planbar 模型導出的鋼筋數據格式，接收鋼筋型號數據信息后，自動生成鋼筋加工任務單，并將關鍵數據信息儲存在數據庫［8］。導入平臺鋼筋型號下料單見圖3。

圖3 導入系統(tǒng)鋼筋型號下料單

4.2 智能梁場鋼筋加工設備布置

針對雄縣制梁場工程任務量大、施工周期長的特點，根據大型智能梁場鋼筋加工設備要求，需對鋼筋加工場集中加工進行整體布局、集中生產，按照不同型號規(guī)格進行分類輸送到鋼筋綁扎區(qū)進行使用。結合現場各區(qū)域布局設置，智能梁場鋼筋加工設備設置于梁場便于運輸使用的鋼筋綁扎附近，智能梁場鋼筋加工中心配備磁吸自動上料、多根剪切機械、四機頭、雙工位彎曲中心、彎箍、調直一體機等加工機械設備（見圖4）。場地內設備及區(qū)域布置見圖5。

圖4 鋼筋加工場

圖5 鋼筋加工場設備及區(qū)域布置

5 智能梁場鋼筋加工技術

雄縣智能梁場于2018年8月1日開工建設，主梁場預制梁任務包括單線箱梁212 孔（32 m 200 孔、24 m 12 孔），雙線箱梁132 孔（32 m 126 孔、24 m 6孔）。根據施工進度安排，梁場平均每天加工約130 t 鋼筋半成品。在施工前期，依據施工圖紙利用Planbar 軟件建立不同類型箱梁鋼筋模型，鋼筋模型建成后進行碰撞檢查，按照碰撞檢查結果對箱梁鋼筋進行優(yōu)化。應用過程中發(fā)現部分鋼筋尺寸不符合現場實際使用要求，按照實際情況對圖紙進行優(yōu)化，減少了人力、材料等資源的浪費。

針對智能梁場鋼筋加工規(guī)劃，配套數控鋼筋成型設備、輔助信息化管理系統(tǒng)的設計理念，以成型鋼筋加工工藝路線為基礎，系統(tǒng)規(guī)劃、統(tǒng)籌管理，生產廠房的流水化物料流轉實現了高效生產。一方面，以數控成型裝備為基礎，顯著提升產品質量的把控能力；另一方面，通過全程的信息化綜合管控，構建全程可追溯的質量管理體系。實現工廠內的高效管理和銜接，保證成型鋼筋部品的品質和供應［9-10］。

（1）首先根據鋼筋智能加工設備支持的數據格式（BVBS）選用適合支持鋼筋深化設計模型創(chuàng)建的BIM軟件。Planbar 軟件鋼筋建模功能突出、可擴展性好、數據轉換格式多樣，能夠實現與鋼筋加工管理平臺的數據傳遞。

（2）通過軟件學習培訓，對工作經驗豐富的專業(yè)建模工程師，根據設計單位下發(fā)的設計施工圖進行箱梁鋼筋翻模，如1榀32 m簡支箱梁需建112種不同尺寸和規(guī)格型號的鋼筋模型，包括預應力管道鋼絞線、模具等，為確保所建模型尺寸和弧度質量，整體建模任務量非常大，將建好的箱梁模型進行下一步優(yōu)化。

（3）利用BIM 建模軟件自帶的設計糾偏功能，將整體箱梁所配置的材料進行碰撞檢查（見圖6），通過碰撞檢查報告得出的結果，一些簡單的沖突問題可提前告知鋼筋綁扎作業(yè)人員，處理難度較大的碰撞沖突問題以書面報告?zhèn)魉椭猎O計單位進行優(yōu)化。

圖6 鋼筋碰撞檢查

（4）確定鋼筋模型尺寸、角度和弧度沒有問題后，將箱梁鋼筋導出BVBS 格式，傳輸至物料生產管理平臺，平臺會自動生成任務單。鋼筋加工控制信息平臺可根據鋼筋場加工能力、加工需求和生產計劃進行統(tǒng)一的調度安排，實行訂單式管理模式，可以做到“統(tǒng)一采購，統(tǒng)一生產，統(tǒng)一堆場，統(tǒng)一出場”。信息平臺通過合理規(guī)劃加工訂單，制定最佳加工次序。

精確控制智能加工生產：通過信息平臺導出的加工單（附有各種類型鋼筋獲取編號），鋼筋自動加工設備通過輸入相應編號可自動將鋼筋信息錄入后進行鋼筋精準加工。確認無誤后，通過鋼筋場內局域網傳輸至智能加工設備進行鋼筋加工。

（5）生產管理流程以加工任務信息化下發(fā)為起點，根據鋼筋的具體加工需求將任務指派給具體的生產設備后啟動生產，加工完成后的成型鋼筋由綁扎人員領用完后，按照任務圖紙進行綁扎并對成品進行掛料牌操作，最后按照庫區(qū)設計完成入庫操作，等待領用。

BIM 模型生成的鋼筋加工任務數據，通過TCP 協(xié)議與接口程序進行通信。BIM軟件導出鋼筋加工任務文件，由接口程序主動到指定文件夾內進行任務獲取。直接向鋼筋智能加工設備接口程序發(fā)送下發(fā)任務、回取數據的接口請求，然后通過智能鋼筋加工設備接口的中轉實現對各鋼筋設備的遠程操作［11］?；贐IM 的鋼筋智能加工一體化整體應用流程見圖7。

圖7 基于BIM的鋼筋智能加工一體化整體應用流程

6 結論與展望

智能梁場鋼筋加工技術利用BIM 技術進行鋼筋的三維翻樣、數據的自動處理并與智能鋼筋加工機械的無縫對接，有效提高鋼筋的加工質量和效率，降低勞動強度、材料浪費及能源消耗［12］。

京雄城際高鐵五標項目部雄縣制梁場預制箱梁（總體長度約12.1 km）的施工過程中，鋼筋加工部分采用基于BIM 的鋼筋一體化加工工法，目前共加工生產鋼筋半成品13 760 t，日均加工鋼筋52.653 t，鋼筋原材加工利用率在99.5%以上，經濟效益率28.8%，取得了較好的應用成果。具體成果如下：

（1）預制箱梁建模過程中可對設計圖紙工程量進行審核，施工過程中進行碰撞檢查并實現施工進度模擬等。

（2）利用BIM 建模軟件高精度建模（LOD 5.0）導出下料單上傳至物料管理平臺，指令設備加工，避免了工作人員在鋼筋加工過程中可能出現的錯誤。

（3）與以往相比，降低了人工投入，3臺智能設備只需5、6個人就能滿足整孔梁的加工制作。

（4）實現了智能流水線作業(yè)，提高了信息化、機械化、智能化、管理標準化水平，滿足了建設單位的要求并得到了認可。

鋼筋一體化加工目前處于應用發(fā)展階段，除智能設備本身穩(wěn)定性有待提高外，還存在以下問題：

（1）鋼筋智能加工設備占地面積大，對于小型工地，智能設備投入必要性不大；普通型號加工設備占地空間小，方便靈活挪動，小型工地使用率高。

（2）機械設備前期需人工進行參數設置，優(yōu)化模型鋼筋數據。

（3）鋼筋模型需人工建立，過程中容易出現人為錯誤導致鋼筋數據不準確。

基于BIM 技術的鋼筋加工方法，利用Planbar 建模軟件對施工圖進行翻模，智能設備加工易上手，通過高新技術推動成本管控，提升了智能化生產能力，為今后鋼筋智能集中加工奠定了基礎。同時避免了傳統(tǒng)鋼筋場環(huán)境差、加工設備多、場地亂等問題，不但可提高企業(yè)在市場上的科技實力和綜合競爭力，還可進一步促進經營開發(fā)的發(fā)展，帶來更好的經濟效益和社會效益。

現代鐵路工程趨向于智能化、信息化、標準化、裝配化的建設理念對設計施工各環(huán)節(jié)提出更高要求，鋼筋加工作為生產施工的重要環(huán)節(jié)，在自動化、精細化的進程中將率先作出貢獻，該項技術應用可為工程行業(yè)提供參考和借鑒［13-14］。