鋼筋工程智能化加工應(yīng)用與展望

張旭，楊斌，田野

（1.中鐵九局集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110051；2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京 100844）

0 引言

在鋼筋混凝土工程中，鋼筋是其結(jié)構(gòu)的骨架成分，在整體結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用。但在鋼筋工程施工中，存在鋼筋加工錯(cuò)誤率高、原材料浪費(fèi)、工期延誤以及成本效益在總體工程中相對(duì)較低等問(wèn)題亟待解決。將BIM 技術(shù)應(yīng)用于智能鋼筋加工設(shè)備中，可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)、提高施工質(zhì)量、增加收益。隨著鋼筋加工技術(shù)和BIM 技術(shù)的迅速發(fā)展和日益完善，眾多專(zhuān)家積極開(kāi)展將BIM 技術(shù)應(yīng)用于鋼筋工程的研究。新工藝、新設(shè)備的應(yīng)用將使鋼筋智能化加工有很大的發(fā)展空間，但是很多新技術(shù)與新管理模式還停留在理論研究階段，需要進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)踐與應(yīng)用探索。

1 智能化應(yīng)用現(xiàn)狀

在建筑工程中，鋼筋加工是非常復(fù)雜且重要的工作，也是建筑工程中相對(duì)關(guān)鍵的工作，其質(zhì)量直接影響結(jié)構(gòu)工程是否安全，涉及材料管理、造價(jià)管理、施工計(jì)劃管理、成本控制管理、質(zhì)量管理、加工場(chǎng)地及內(nèi)部布局選擇、安全生產(chǎn)管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理等方面。為滿(mǎn)足管理需求應(yīng)綜合運(yùn)用現(xiàn)有的技術(shù)，如智能加工設(shè)備、BIM 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等，去解決鋼筋的數(shù)據(jù)對(duì)接、優(yōu)化套下料、精細(xì)算量、工廠化生產(chǎn)及加工過(guò)程管控中存在的問(wèn)題。鋼筋工程實(shí)現(xiàn)智能化加工，提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，一直是備受關(guān)注的課題，是體現(xiàn)工程項(xiàng)目現(xiàn)代化管理水平的重要方面之一。

1.1 智能化應(yīng)用程度和加工作業(yè)流程

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)外鋼筋智能化加工還沒(méi)有達(dá)到機(jī)械化徹底代替人工的程度，智能加工設(shè)備也僅改變了數(shù)據(jù)錄入方式、原料搬運(yùn)形式，只是做到加工數(shù)據(jù)1 次輸入可批量化生產(chǎn)1 種規(guī)格半成品的程度。目前，鋼筋智能化加工主要關(guān)注數(shù)據(jù)統(tǒng)籌管理、生產(chǎn)機(jī)械化代替人工、生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回溯以及自動(dòng)生成相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)表等，很多技術(shù)雖已實(shí)現(xiàn)，但真正應(yīng)用于生產(chǎn)的很少。新建京雄城際鐵路項(xiàng)目7 標(biāo)段的鋼筋智能化加工嘗試較為成功，其應(yīng)用BIM軟件Planbar 進(jìn)行鋼筋數(shù)字化建模，將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為BVBS 加工數(shù)據(jù)文件，再將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入鋼筋智能加工管理系統(tǒng)（MES），用以指導(dǎo)智能鋼筋加工設(shè)備的批量生產(chǎn)加工。鋼筋智能化加工作業(yè)流程見(jiàn)圖1。

圖1 鋼筋智能化加工作業(yè)流程

1.2 加工設(shè)備

在鋼筋加工設(shè)備方面，市場(chǎng)上智能鋼筋加工設(shè)備品牌繁多，建筑相關(guān)行業(yè)應(yīng)用的設(shè)備主要有鋼筋彎曲設(shè)備、鋼筋剪切設(shè)備、滾籠機(jī)、彎箍機(jī)等。其中比較先進(jìn)的設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)集中管理和控制，可將數(shù)據(jù)一次性導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行批量生產(chǎn)，還可將加工數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回傳給計(jì)算機(jī)用以分析。

1.3 加工精度與品質(zhì)

在加工精度與品質(zhì)方面，智能加工設(shè)備的控制都由計(jì)算機(jī)控制，數(shù)據(jù)錄入形式也是數(shù)字式錄入，精度與品質(zhì)取決于設(shè)備性能和人工對(duì)設(shè)備調(diào)制時(shí)參數(shù)的設(shè)置，加工設(shè)備聲稱(chēng)可達(dá)到毫米級(jí)加工精度，但實(shí)際應(yīng)用中，由于鋼材本身的物理特性，在切斷、彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，可控范圍只能控制在5 mm甚至是10 mm。

1.4 整體外觀

智能化加工的鋼筋在整體外觀方面，由于加工數(shù)據(jù)一次輸入，加工由伺服系統(tǒng)控制進(jìn)行同一規(guī)格的批量生產(chǎn)。因此，同一規(guī)格半成品外觀尺寸相同，整體外觀品質(zhì)較好，避免了傳統(tǒng)人工手動(dòng)加工同一規(guī)格半成品間存在的尺寸差異。

1.5 生產(chǎn)管理

在鋼筋智能化加工管理上，隨著設(shè)備改進(jìn)、技術(shù)日漸成熟，新的管理模式也在積極探索中。傳統(tǒng)鋼筋生產(chǎn)都是由技術(shù)人員進(jìn)行套料，形成技術(shù)交底，交由鋼筋工人手動(dòng)加工。任務(wù)的獲取是有紙傳遞，尺寸數(shù)據(jù)的管控也是由工人進(jìn)行尺量加工。在智能化模式的鋼筋加工中，鋼筋的套料已不再由人工進(jìn)行，而是將大量的加工數(shù)據(jù)輸入（導(dǎo)入）計(jì)算機(jī)，通過(guò)套料軟件進(jìn)行套下料，軟件核心算法的完善程度決定了材料的利用率，能夠有效地提高加工效率，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。

在原材料及余料管理方面，為實(shí)現(xiàn)智能化下材料高效利用，需提高對(duì)材料管理要求。各種規(guī)格鋼筋都應(yīng)進(jìn)行規(guī)范化整理統(tǒng)計(jì)，提高其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)材料有序管理的同時(shí)也能提高施工效率。加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)鋼筋標(biāo)識(shí)管理，鋼筋加工后半成品和原材料應(yīng)分類(lèi)堆放整齊，掛牌標(biāo)識(shí)，便于存放和識(shí)別。

2 存在的問(wèn)題

2.1 設(shè)備采購(gòu)成本較高

智能鋼筋加工設(shè)備的加工效率相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)備已有一個(gè)質(zhì)的飛躍，但是其采購(gòu)成本高昂。很多施工企業(yè)望而卻步，即使采購(gòu)也是通過(guò)相關(guān)產(chǎn)能計(jì)算后采購(gòu)滿(mǎn)足計(jì)劃工期的一定數(shù)量的加工設(shè)備，一旦在施工過(guò)程中需要提高加工效率時(shí)受設(shè)備不足的影響較大。而傳統(tǒng)設(shè)備雖然加工效率低，但成本低廉，在工期緊張時(shí)可通過(guò)增加機(jī)械數(shù)量和人工數(shù)量快速提高加工效率，這成為影響鋼筋智能加工設(shè)備推廣的主要因素。

2.2 相關(guān)軟件有待完善

鋼筋工程智能化加工軟件在實(shí)際應(yīng)用中也存在不足，主要體現(xiàn)在余料管理方面。套下料軟件為保證鋼筋的利用率，將本任務(wù)前的任務(wù)產(chǎn)生的余料放到后續(xù)計(jì)算中，增加了傳統(tǒng)余料管理難度。一旦參與本次計(jì)算的余料數(shù)量與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際余料的數(shù)量不符，則通過(guò)套下料軟件生成的方案無(wú)法按照計(jì)劃實(shí)施，或者實(shí)施過(guò)程需用原料代替數(shù)據(jù)庫(kù)中不準(zhǔn)的余料，失去了節(jié)材的作用。

3 可行性分析與發(fā)展方向

3.1 可行性分析

在土木建筑行業(yè)，鋼筋下料有著非常重要的經(jīng)濟(jì)意義，是提高施工行業(yè)產(chǎn)值利潤(rùn)，降低施工材料消耗率的一項(xiàng)重要工作。利用BIM技術(shù)結(jié)合套下料軟件優(yōu)化鋼筋下料，對(duì)鋼筋工程質(zhì)量及成本控制起決定性作用。

3.1.1 技術(shù)可行性

在BIM 技術(shù)方面，鋼筋BIM 模型的信息包括幾何信息和非幾何信息。其中，幾何信息包括：鋼筋的直徑、長(zhǎng)度、彎折角度等；非幾何信息包括：鋼筋等級(jí)、鋼筋半成品數(shù)量、鋼筋半成品應(yīng)用部位等。模型包含的信息完全滿(mǎn)足鋼筋加工需要，這是BIM 能夠應(yīng)用于鋼筋智能化加工的原因所在。

同時(shí)，BIM技術(shù)在鋼筋智能化加工方面也有著區(qū)別于傳統(tǒng)作業(yè)的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在應(yīng)用傳統(tǒng)圖紙進(jìn)行鋼筋的下料時(shí)，技術(shù)人員需在實(shí)體三維空間思維與圖紙二維平面思維間不斷進(jìn)行轉(zhuǎn)換思考［1］，從而檢查圖紙是否存在錯(cuò)誤。這種方式很難發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，而一旦應(yīng)用錯(cuò)誤的圖紙進(jìn)行鋼筋加工，就會(huì)造成時(shí)間和資源的浪費(fèi)。BIM技術(shù)具有三維可視化、信息可存儲(chǔ)提取和協(xié)同性等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行鋼筋詳圖表達(dá)，可實(shí)現(xiàn)三維的平面視圖、剖面視圖直觀可見(jiàn)，便于與施工設(shè)計(jì)圖和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行對(duì)照分析，還可以對(duì)復(fù)雜部位進(jìn)行不同構(gòu)件間的碰撞檢查分析，對(duì)鋼筋尺寸和鋼筋的排布位置的表達(dá)更加準(zhǔn)確，給加工工人展現(xiàn)更加直觀，還便于核對(duì)半成品是否準(zhǔn)確。

但是，BIM技術(shù)應(yīng)用于鋼筋加工也有不足之處，一是建模工作量大，鋼筋模型內(nèi)涵蓋的大量信息都需要錄入；二是文件數(shù)據(jù)量大，占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存大，軟件運(yùn)行速度慢，對(duì)繪圖電腦配置要求高；三是軟件靈活度未完全滿(mǎn)足智能化應(yīng)用需求，很多異型、不規(guī)則、漸變的鋼筋模型創(chuàng)建存在一定的困難，即使能夠創(chuàng)建，創(chuàng)建效率也較低，會(huì)大量增加工作量；四是建筑業(yè)尚未實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段就有完善的鋼筋模型體系，而是由施工單位根據(jù)設(shè)計(jì)單位出具的二維平面圖紙進(jìn)行翻模，大量增加了施工單位工作量。

目前，鋼筋建模的主流軟件有Autodesk REVIT、Planbar、Bentley ProStructures 等，每款軟件都有其優(yōu)勢(shì)，軟件的選擇需視項(xiàng)目的具體情況確定。

3.1.2 應(yīng)用效果

近年來(lái)，BIM 技術(shù)在建筑工程應(yīng)用中功能不斷更新、技術(shù)不斷完善，給土木建筑行業(yè)帶來(lái)了巨大變革。在工效上，應(yīng)用BIM 鋼筋模型直接指導(dǎo)鋼筋智能加工設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，減少了人工套下料時(shí)間，并且節(jié)材效果好，不僅節(jié)約勞動(dòng)力，也能節(jié)約成本、提高質(zhì)量、縮短工期。在加工現(xiàn)場(chǎng)管理方面，應(yīng)用BIM技術(shù)可以準(zhǔn)確計(jì)算整體工程及分部工程的鋼筋量，應(yīng)用套下料軟件進(jìn)行鋼筋工程量總量計(jì)算的結(jié)果更加準(zhǔn)確，為現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)料管理提供了數(shù)據(jù)支持。在加工過(guò)程中，應(yīng)用BIM模型檢核設(shè)計(jì)圖紙，能夠減少錯(cuò)誤生產(chǎn)和原材料浪費(fèi)［2］。

3.2 發(fā)展展望

目前，我國(guó)大多數(shù)鋼筋工程項(xiàng)目基本還是采用傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)加工方式，原材料浪費(fèi)高、加工工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、鋼筋加工周期長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)管理難等問(wèn)題突出。未來(lái)鋼筋工程的發(fā)展趨勢(shì)將逐漸從人工操作向自動(dòng)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，隨著B(niǎo)IM 技術(shù)的應(yīng)用，建筑施工自動(dòng)化和專(zhuān)業(yè)化分工進(jìn)程的快速發(fā)展［3］，鋼筋智能化加工配送中心已成為市場(chǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

另外，鋼筋加工設(shè)備的智能化水平越來(lái)越高，數(shù)據(jù)的輸入方式越來(lái)越簡(jiǎn)單和易于操作，對(duì)BIM 的接口兼容度也會(huì)越來(lái)越高，多格式的兼容降低了對(duì)BIM 軟件的要求。BIM技術(shù)的發(fā)展會(huì)減少鋼筋建模難度，施工單位僅需進(jìn)行BIM 模型的深化設(shè)計(jì)甚至僅審核即可。隨著計(jì)算機(jī)各種管理系統(tǒng)（MES）的應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)原料庫(kù)存、余料庫(kù)存、半成品加工數(shù)量統(tǒng)計(jì)等工作將更加智能、準(zhǔn)確。

在與BIM 的結(jié)合方面，隨著鋼筋工程的需求變化，BIM軟件也隨之改進(jìn)。目前，BIM軟件僅部分支持鋼筋智能化加工的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，然后再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到加工設(shè)備中，未來(lái)BIM 軟件可實(shí)現(xiàn)直接與智能鋼筋加工設(shè)備無(wú)縫對(duì)接，在軟件中建立的模型就是加工數(shù)據(jù)，無(wú)須二次導(dǎo)出。BIM 的三維可視化一直是其推廣中的強(qiáng)項(xiàng)，后續(xù)的智能鋼筋加工設(shè)備也會(huì)具有三維可視化功能，能夠更好地避免加工錯(cuò)誤發(fā)生［4］。

在加工場(chǎng)區(qū)管理方面，鋼筋智能化加工管理中的原料、余料、廢料和半成品的管理也會(huì)和現(xiàn)代物流技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，使現(xiàn)場(chǎng)半成品存儲(chǔ)近乎達(dá)到零庫(kù)存，按照生產(chǎn)進(jìn)程將對(duì)應(yīng)物資運(yùn)輸?shù)街付ǖ陌惭b部位，原料和余料實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、動(dòng)態(tài)更新。加工場(chǎng)內(nèi)的操作工人將越來(lái)越少，僅需要幾名管理人員通過(guò)遠(yuǎn)程操控即可完成鋼筋加工生產(chǎn)任務(wù)［5］。

4 結(jié)束語(yǔ)

BIM技術(shù)的應(yīng)用是建筑行業(yè)鋼筋工程技術(shù)領(lǐng)域與管理領(lǐng)域的一次革命，實(shí)現(xiàn)了鋼筋工程管理的程序化和數(shù)字化，有效實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。將智能鋼筋加工設(shè)備與BIM 技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，極大減少了人力成本投入，并解決了鋼筋工程的管理困惑和質(zhì)量問(wèn)題。但在鋼筋工程智能化加工中仍有很多問(wèn)題有待解決，如BIM軟件與智能鋼筋加工設(shè)備的數(shù)據(jù)接口、現(xiàn)場(chǎng)物料的管理模式、設(shè)備的智能化水平、BIM 軟件的建模效率等，隨著技術(shù)的發(fā)展和實(shí)踐的探索，這些問(wèn)題必將得到逐步解決。