面向全生命周期管理的高強(qiáng)度螺栓施工管理系統(tǒng)

潘永杰

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

高強(qiáng)度螺栓連接強(qiáng)度高、施工方便，是鐵路鋼橋架設(shè)的主要連接方式之一。我國(guó)鐵路鋼橋高強(qiáng)度螺栓連接主要采用扭矩法施工，該方法技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。目前扭矩法施工以第2代定扭矩電動(dòng)扳手為主，通過(guò)控制輸入電流強(qiáng)度來(lái)控制輸出扭矩。為保證螺栓施擰扭矩的準(zhǔn)確，必須在操作前（班前）及操作后（班后）對(duì)扳手進(jìn)行標(biāo)定，終擰后規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行終擰扭矩檢查。TB 10415—2018《鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》［1］規(guī)定施工單位應(yīng)全部進(jìn)行扭矩檢查，實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中按螺栓總數(shù)的100%進(jìn)行終擰扭矩檢查［2］。高強(qiáng)度螺栓連接施工工序復(fù)雜，無(wú)法獲取螺栓施擰扭矩值，存在超欠擰情況。螺栓施工信息以紙質(zhì)記錄為主，過(guò)程管控信息化程度低，不利于全過(guò)程的高效管理及追溯查詢，使得施擰關(guān)鍵信息無(wú)法傳遞至運(yùn)營(yíng)階段，給后期的養(yǎng)護(hù)帶來(lái)諸多不便。

伴隨信息化技術(shù)和施擰工具［3］的發(fā)展，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研發(fā)了鐵路橋梁高強(qiáng)度螺栓施擰扭矩智能控制系統(tǒng)［4］，又稱螺栓連接施工管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱管理系統(tǒng)），升級(jí)再造了現(xiàn)有施擰流程，不僅實(shí)現(xiàn)了螺栓施擰扭矩的精準(zhǔn)控制和全過(guò)程的有效管控，而且實(shí)現(xiàn)了全生命周期管理成本效益的最優(yōu)化。

1 高強(qiáng)度螺栓連接施工管理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成及架構(gòu)

管理系統(tǒng)由數(shù)控定扭矩電動(dòng)扳手和應(yīng)用系統(tǒng)2部分組成，具體模塊如圖1所示。

圖1 高強(qiáng)度螺栓連接施工管理系統(tǒng)組成

數(shù)控定扭矩電動(dòng)扳手內(nèi)置扭矩和角度傳感器、數(shù)據(jù)傳輸模塊和二維碼掃描模塊，其輸出扭矩穩(wěn)定性好，精度較高。應(yīng)用系統(tǒng)包括基礎(chǔ)信息管理、施工計(jì)劃管理、信息查詢、庫(kù)存管理、設(shè)備管理和文檔管理功能，涵蓋了施擰全工序、全要素管理，為工程部、試驗(yàn)室和物資部間的信息高效傳遞和有機(jī)協(xié)作提供有利支撐。

管理系統(tǒng)支持B/S和安卓端M/S，其系統(tǒng)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)中心層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層，如圖2所示。

螺栓現(xiàn)場(chǎng)施擰信息基于GPRS/4G技術(shù)實(shí)時(shí)上傳至管理系統(tǒng)，保證了信息的真實(shí)性和可靠性，提升了質(zhì)量管控能力。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 管理系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

1.2.1 管理系統(tǒng)功能

①對(duì)螺栓施工全過(guò)程和“人（施擰人員）、機(jī)（施擰工具）、料（螺栓）、法（施擰流程）、環(huán)（施擰環(huán)境）”全要素進(jìn)行有效管控；②螺栓施工扭矩實(shí)時(shí)無(wú)線采集，并對(duì)超欠擰自動(dòng)報(bào)警；③基于二維碼實(shí)現(xiàn)操作人員、施擰工具、施擰計(jì)劃的協(xié)同與關(guān)聯(lián)；④自動(dòng)生成定制化的施工聯(lián)系單和記錄表；⑤使用壽命不小于30 000次正常施擰；⑥若橋位傳輸網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差，未上傳數(shù)據(jù)將自動(dòng)存儲(chǔ)，施擰完畢的當(dāng)天手動(dòng)一鍵補(bǔ)傳。

1.2.2 管理系統(tǒng)特點(diǎn)

①形成集實(shí)時(shí)性、全面性與真實(shí)性于一體的施工質(zhì)量管控模式；②穩(wěn)定性好，提高了扭矩控制精度；③通過(guò)二維碼方式關(guān)聯(lián)多項(xiàng)內(nèi)容，基于派工單快捷調(diào)整施工設(shè)定扭矩，提高了施擰信息化和智能化水平；④施擰全過(guò)程信息的良好追溯性，多部門業(yè)務(wù)流程的有機(jī)協(xié)同性；⑤為高強(qiáng)度螺栓的全生命周期管理和信息無(wú)損流轉(zhuǎn)提供了條件。

2 螺栓施擰流程的再造升級(jí)

2.1 基于全要素的流程再造

2.1.1 人員

管理系統(tǒng)基于試驗(yàn)室人員、現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員、現(xiàn)場(chǎng)操作人員的身份、權(quán)限等信息生成員工個(gè)人二維碼。掃描二維碼成為施擰作業(yè)的前提工序，為施擰信息與責(zé)任人員的關(guān)聯(lián)追溯提供了基礎(chǔ)。

2.1.2 數(shù)控定扭矩扳手

首次取消了班前班后標(biāo)定，改為班前點(diǎn)檢校準(zhǔn)，達(dá)到了減員增效目的。管理系統(tǒng)對(duì)扳手出廠、維護(hù)與保養(yǎng)、型號(hào)編碼等基礎(chǔ)信息，領(lǐng)用歸還、施擰次數(shù)、施擰區(qū)域等使用信息進(jìn)行有效記錄和管理；未經(jīng)管理系統(tǒng)認(rèn)證的扳手施擰數(shù)據(jù)無(wú)法上傳，確保施擰機(jī)具的數(shù)據(jù)安全性、使用穩(wěn)定性和作業(yè)內(nèi)容追溯。

2.1.3 高強(qiáng)度螺栓

首次將螺栓的入庫(kù)、領(lǐng)用及損耗有機(jī)融合到整個(gè)施擰流程：管理系統(tǒng)自動(dòng)生成出入庫(kù)單、高強(qiáng)度螺栓領(lǐng)用單，實(shí)現(xiàn)了施擰計(jì)劃與螺栓批號(hào)、規(guī)格的關(guān)聯(lián)。當(dāng)某規(guī)格螺栓庫(kù)存量少于50套時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行標(biāo)識(shí)提醒。同時(shí)對(duì)螺栓試驗(yàn)損耗、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)廢及不合格情況進(jìn)行記錄管理，為螺栓損耗率的統(tǒng)計(jì)控制提供了條件。

2.1.4 施擰作業(yè)

構(gòu)建了新的施擰流程，首次工程化實(shí)現(xiàn)每一個(gè)螺栓與其對(duì)應(yīng)施擰信息的一一關(guān)聯(lián)。根據(jù)螺栓規(guī)格劃分螺栓區(qū)域，并對(duì)螺栓施擰順序進(jìn)行編號(hào)?；趧澐值穆菟▍^(qū)域制定施工計(jì)劃，自動(dòng)同步試驗(yàn)室確認(rèn)的施工扭矩，生成以二維碼方式承載關(guān)鍵信息的派工單（圖3），直接應(yīng)用在不同螺栓區(qū)域的施擰操作。當(dāng)出現(xiàn)超擰等非正常情況時(shí)自動(dòng)報(bào)警并停止工作，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員查明原因，妥善處理后方可繼續(xù)施擰。施擰作業(yè)流程如圖4所示。

圖3 管理系統(tǒng)生成的派工單示例

針對(duì)施擰扭矩不同的螺栓區(qū)域，通過(guò)掃描派工單的二維碼，管理系統(tǒng)自動(dòng)更新施擰扭矩設(shè)定值，無(wú)需更換扳手即可直接進(jìn)行后續(xù)操作。

2.1.5 環(huán)境

橋位現(xiàn)場(chǎng)放置溫濕度傳感器，設(shè)定2 h時(shí)間間隔持續(xù)上傳溫度和濕度信息，不僅為螺栓扭矩系數(shù)的調(diào)整提供依據(jù)［5］，而且豐富了螺栓現(xiàn)場(chǎng)施擰的采集信息，為高強(qiáng)度螺栓施擰記錄單內(nèi)容的完整性提供了條件。

2.2 基于部門分工的管理升級(jí)

管理系統(tǒng)主要涉及項(xiàng)目部中的試驗(yàn)室、工程部和物資部3個(gè)部門，各部門的任務(wù)分工基于系統(tǒng)進(jìn)行了精準(zhǔn)定位，形成了管理與作業(yè)的有機(jī)協(xié)同機(jī)制，升級(jí)了管理模式，如圖5所示。

表1 管理系統(tǒng)應(yīng)用前后各項(xiàng)內(nèi)容對(duì)比

試驗(yàn)室對(duì)各批次螺栓施擰扭矩量值的確定和數(shù)控定扭矩扳手的穩(wěn)定性負(fù)責(zé)，工程部確定螺栓區(qū)域，編制施擰順序，制訂施工計(jì)劃，對(duì)螺栓施擰的合規(guī)性負(fù)責(zé)，物資部對(duì)出入庫(kù)螺栓負(fù)責(zé)。各部門基于線上通知單進(jìn)行流程協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了各環(huán)節(jié)的信息化處理，減少了不必要的中間環(huán)節(jié)影響，權(quán)責(zé)明確、信息來(lái)源可溯實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)跟蹤和協(xié)同管理，構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心為螺栓施擰流程的優(yōu)化調(diào)整提供決策支持。

施擰扭矩的準(zhǔn)確性、施擰信息的完整性大大減少了終擰扭矩檢查的必要性。目前實(shí)際操作層面暫按5%或3%［6］的比例檢查，相比現(xiàn)有規(guī)范要求，大大降低了檢查比例，減少了人力成本的投入。未來(lái)推廣中可再繼續(xù)減少檢查比例直至取消終擰扭矩檢查工序，終擰檢查側(cè)重在施工記錄的完整性、合理性方面，這是施擰流程的進(jìn)一步升級(jí)。

2.3 應(yīng)用效果分析

管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了螺栓施擰流程的升級(jí)再造：實(shí)時(shí)獲取、監(jiān)控和查詢每一個(gè)螺栓的施擰扭矩，對(duì)螺栓施擰規(guī)格、現(xiàn)場(chǎng)溫濕度、施工人員、施擰時(shí)間等進(jìn)行全面管理，提升了施工質(zhì)量管控能力，降低了延遲斷裂的概率，為螺栓的全生命周期管理提供了基礎(chǔ)和可實(shí)施的途徑。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用反饋，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)施擰流程相比，其工效有較大提高，節(jié)約了人力資源，規(guī)范性大大提高。系統(tǒng)應(yīng)用前后各項(xiàng)內(nèi)容對(duì)比見表1。

管理系統(tǒng)應(yīng)用效益可分為有形效益、準(zhǔn)有形效益和無(wú)形效益。有形效益主要指減員增效，成本降低、效率提升，如表中的序號(hào)2，3和6；準(zhǔn)有形效益主要指減少了人工錄入工作量，提高了施擰質(zhì)量的穩(wěn)定性，保證了施擰數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可用性和追溯性，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)全生命周期決策的反饋優(yōu)化，如表中序號(hào)1，4，5，7，8和9；無(wú)形效益主要指施擰流程的升級(jí)重構(gòu)，各部門之間的流程協(xié)同，施工風(fēng)險(xiǎn)的有效管控，這是整個(gè)管理系統(tǒng)應(yīng)用的綜合體現(xiàn)。

3 螺栓連接全生命周期成本分析

3.1 螺栓連接全生命周期成本計(jì)算模型

結(jié)合螺栓連接全生命周期的不同階段［8］劃分，考慮有形效益，螺栓連接全生命周期成本的計(jì)算模型為

式中：CT，CD，CC，CO，CF分別為螺栓連接施工的總成本、設(shè)計(jì)成本、施工成本、運(yùn)營(yíng)成本和失效成本。失效成本為螺栓斷裂病害導(dǎo)致結(jié)構(gòu)功能失效或結(jié)構(gòu)失效的成本，即導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)列車降速或者結(jié)構(gòu)本身安全受到影響。此種情況不允許發(fā)生，該項(xiàng)假定為0。

螺栓的施工成本CC和運(yùn)營(yíng)成本CO計(jì)算式為

式中：CL，CB，CE分別為施工人員成本、螺栓材料本身成本及施工機(jī)具成本；ClabL，CteL，CinL分別為試驗(yàn)室人員、工程技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)操作人員、檢查人員成本；CDBolt，CLBolt分別為基于實(shí)橋設(shè)計(jì)使用量的螺栓費(fèi)用和過(guò)程損耗造成的螺栓費(fèi)用；CI，CM，CR分別為運(yùn)營(yíng)期螺栓檢查費(fèi)用、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用和修補(bǔ)費(fèi)用；q為運(yùn)營(yíng)期螺栓缺失數(shù)；CR1為補(bǔ)擰單個(gè)螺栓發(fā)生的費(fèi)用，不考慮折現(xiàn)率，根據(jù)調(diào)研可取0.5萬(wàn)元/個(gè)。

3.2 運(yùn)營(yíng)期螺栓斷裂量分析

假定施工期螺栓出現(xiàn)超擰為事件T（特指施工原因），運(yùn)營(yíng)期螺栓斷裂為事件w，施工超擰和螺栓斷裂同時(shí)發(fā)生的概率P(w∩T)為

式中：P(w)為螺栓斷裂概率；P(T|w)為螺栓斷裂情況下施工超擰的概率，由于不能完全排除螺栓材質(zhì)因素影響，則P(T|w)=0.5。因此，只要獲取螺栓斷裂概率P(w)，就能得到由于施工超擰和螺栓斷裂同時(shí)發(fā)生的概率。

文獻(xiàn)［9］調(diào)研了11座存在螺栓斷裂的鐵路鋼橋，僅有1座鋼橋螺栓斷裂比例接近1%，其余斷裂比例均較低。不考慮螺栓總量，其中螺栓斷裂小于10套的占比46%，大于10套的占比54%，取其中位數(shù)，即每座鋼橋運(yùn)營(yíng)期將斷裂10套螺栓，則施工超擰原因造成螺栓斷裂的有5套。

3.3 案例分析

某大橋共有21萬(wàn)套螺栓，螺栓連接施工工期為10個(gè)月，技術(shù)人員月工資按1萬(wàn)元計(jì)，現(xiàn)有2個(gè)對(duì)比工藝方案，方案1為采用現(xiàn)有施擰流程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)每1萬(wàn)套螺栓采購(gòu)1把定扭矩扳手，每把扳手成本設(shè)定為單位1；方案2為采用管理系統(tǒng)進(jìn)行施擰，每3萬(wàn)套螺栓采購(gòu)1把數(shù)控定扭矩扳手，每把扳手折合成本為n。采用方案2后綜合減少1.5人工作量，其他施工成本2種方案假定一致。

1）施工期成本分析

2種方案的施工成本CC1，CC2分別為

當(dāng)2種方案施工總成本相等時(shí)，可得n=7.2，即當(dāng)管理系統(tǒng)折合到每把扳手成本是原定扭矩扳手7.2倍時(shí)，在僅考慮有形效益條件下，2種方案的成本效益比一致。結(jié)合產(chǎn)生的無(wú)形效益或準(zhǔn)有形效益，管理系統(tǒng)的投入產(chǎn)出比合理。

2）運(yùn)營(yíng)期成本分析

螺栓超擰造成的延遲斷裂一般發(fā)生在橋梁服役早期，施工原因造成5套螺栓斷裂，假定發(fā)生在橋梁投入運(yùn)營(yíng)前3年。由于采用了該管理系統(tǒng)，5套螺栓斷裂事件可避免。假定大橋承載4線鐵路，跨度為1 000 m，按每百橋隧?yè)Q算米0.05人配置檢查人員，則需6人。由于螺栓施擰操作的重構(gòu)，假定運(yùn)營(yíng)期可減少0.5人投入，檢查人員年成本按10萬(wàn)元計(jì)，方案2相比方案1運(yùn)營(yíng)期減少的成本為

計(jì)算結(jié)果表明3年內(nèi)可節(jié)約檢查和修復(fù)成本共計(jì)17.5萬(wàn)元，即采用螺栓連接施工管理系統(tǒng)后，螺栓病害不是大橋運(yùn)營(yíng)關(guān)注的主要問(wèn)題，則大橋螺栓檢查和維修成本皆可明顯節(jié)約。

結(jié)合施工期和運(yùn)營(yíng)期的成本分析可知，管理系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了全生命周期管理的效益最優(yōu)化，具有推廣價(jià)值。

4 結(jié)論

1）搭建了基于B/S，M/S的高強(qiáng)度螺栓連接施工信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)控定扭矩電動(dòng)扳手和應(yīng)用系統(tǒng)組成，不僅為螺栓連接施工管理信息化、智能化提供了基礎(chǔ)，也為螺栓連接的全生命周期管理提供了條件。

2）管理系統(tǒng)重構(gòu)了螺栓施擰流程：減少班前班后標(biāo)定，通過(guò)二維碼識(shí)別與無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度螺栓施工全過(guò)程和人（施擰人員）、機(jī)（施擰工具）、料（螺栓）、法（施擰流程）、環(huán)（施擰環(huán)境）全要素信息的采集、分析和可追溯；明確了各部門的權(quán)責(zé)和任務(wù)分工，實(shí)現(xiàn)了基于業(yè)務(wù)流程的有機(jī)協(xié)作，形成了集實(shí)時(shí)性、全面性與真實(shí)性于一體的螺栓施擰管理新模式。

3）螺栓連接全生命周期成本可分成設(shè)計(jì)成本、施工成本、運(yùn)營(yíng)成本和失效成本。施工成本包括施工人員成本、螺栓本身成本及施工機(jī)具成本，運(yùn)營(yíng)成本包括運(yùn)營(yíng)期螺栓檢查費(fèi)用、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用和修補(bǔ)費(fèi)用，并給出了施工原因引起運(yùn)營(yíng)期螺栓斷裂的計(jì)算公式。

4）管理系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生了顯著的有形效益、無(wú)形效益和準(zhǔn)有形效益，實(shí)現(xiàn)了全生命周期成本效益最優(yōu)化，具有推廣價(jià)值。