鋼殼混凝土管節(jié)智能澆筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳旭東 顧問(wèn)天 劉少煒 祁孜威

（1.保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣州 511400；2.鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東深圳 518000）

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，信息化管理在大型基建項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用?；诮ㄖ畔⒛Ｐ停˙uilding Information Modeling，BIM）技術(shù)的信息化平臺(tái)，采用多維度信息編組更為全面地記錄施工全過(guò)程，對(duì)工程信息采集與統(tǒng)計(jì)有較大幫助。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究和實(shí)踐。伍朝輝等[1]集成BIM與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了橋梁設(shè)計(jì)方案從二維圖紙到三維實(shí)景的模擬，使得參建各方對(duì)項(xiàng)目的理解更加深入，顯著提高了設(shè)計(jì)效率；王天興等[2]對(duì)水工隧道施工過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，降低了其施工和管理難度。梁策等[3]研發(fā)了基于北斗衛(wèi)星定位與BIM的路基連續(xù)壓實(shí)信息系統(tǒng)，對(duì)路基工程智能化管理有一定借鑒意義。梁小龍[4]通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了BIM建模軟件與有限元計(jì)算軟件在橋梁設(shè)計(jì)中的互通。王珺[5]指出了BIM技術(shù)在建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用難點(diǎn)和瓶頸。此外，為提高工程施工管理水平，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也逐步成為工程施工應(yīng)用的熱點(diǎn)。徐友全、韓豫等[6-7]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了智慧工地的安全管控總體框架，對(duì)智慧工地信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有一定的指導(dǎo)意義；李霞、張艷超等[8-9]分析了智慧工地的主流需求，提出了應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是未來(lái)工程項(xiàng)目智慧化發(fā)展的主流方向。馬錄[10]指出融合BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有助于智能建筑理念的應(yīng)用發(fā)展。陳巨坤[11]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款智能安全帽解決了對(duì)建筑工人的管理問(wèn)題。BIM技術(shù)可提升信息的集成度，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程中的人員、機(jī)械、物料、工法、環(huán)境智能互聯(lián)，兩項(xiàng)技術(shù)協(xié)同應(yīng)用有助于提升管理效率，節(jié)約管理成本。

本文依托深中（深圳—中山）通道沉管隧道混凝土澆筑工程，融合BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決了混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑的智能化管控問(wèn)題，對(duì)智慧工地的轉(zhuǎn)型升級(jí)具有一定借鑒意義。

1 鋼殼混凝土澆筑工藝及存在的問(wèn)題

深中通道主體工程全長(zhǎng)約24.03 km，其中沉管隧道段長(zhǎng)約6.8 km，共32個(gè)鋼殼混凝土管節(jié)。管節(jié)的主要施工工序包括預(yù)制場(chǎng)建造鋼殼、鋼殼內(nèi)澆筑混凝土、沉管、浮運(yùn)航道開(kāi)挖及維護(hù)、基槽基礎(chǔ)處理、沉管浮運(yùn)沉放和沉管回填。每一項(xiàng)工序都要求高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量地完成，其質(zhì)量、進(jìn)度控制是項(xiàng)目的重難點(diǎn)。

因鋼殼混凝土管節(jié)受力的特殊性，內(nèi)外壁板間設(shè)有大量縱橫隔板及肋，將管節(jié)劃分為上千個(gè)約15 m3的獨(dú)立隔艙，如圖1所示。每個(gè)隔艙僅在頂部中心部位設(shè)有1個(gè)直徑約40 cm的澆筑孔，邊緣設(shè)有8個(gè)直徑10 cm的排氣孔，其余各面均封閉。澆筑所采用的新型自流平混凝土要求根據(jù)液面高度d分級(jí)降速澆筑：d<0.8H（H為隔艙高度）時(shí)澆筑速度為30 m3/h；d≥0.8H時(shí)澆筑速度為15 m3/h。

圖1 鋼殼混凝土管節(jié)BIM模型

通過(guò)前期對(duì)單個(gè)隔艙的工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)工藝在澆筑過(guò)程中存在以下無(wú)法克服的障礙：①看不到。每個(gè)隔艙近乎封閉，其內(nèi)部的澆筑量無(wú)法直接觀察及準(zhǔn)確量測(cè)，必須借助感知設(shè)備實(shí)時(shí)獲取隔艙內(nèi)澆筑液面變化。②做不到。為減少混凝土頂面與鋼板脫空，要求隔艙澆筑速度根據(jù)混凝土液面高度先快后慢、分級(jí)降速澆筑。在傳統(tǒng)施工工藝中澆筑前端與泵車距離較遠(yuǎn)，通過(guò)語(yǔ)音通信傳遞指令信息，調(diào)整澆筑速度的指令存在較大延遲，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，需要通過(guò)感知設(shè)備與澆筑端實(shí)現(xiàn)智能聯(lián)動(dòng)控制澆筑。③易浪費(fèi)。隔艙體積不等、形狀各異，當(dāng)混凝土澆筑至頂部時(shí)人工停泵存在延遲，易造成混凝土浪費(fèi)。④調(diào)度難。隔艙內(nèi)所采用的是新型自流平混凝土，其最佳性能的時(shí)效性僅為80 min。為確?；炷翝仓|(zhì)量，需從混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、檢測(cè)至澆筑進(jìn)行全過(guò)程管控；而管節(jié)澆筑時(shí)存在多個(gè)工點(diǎn)、多個(gè)隔艙同時(shí)澆筑的情況，需要合理分配澆筑任務(wù)、調(diào)度安排運(yùn)輸車輛。傳統(tǒng)的語(yǔ)音或信息溝通缺乏時(shí)效性，且澆筑任務(wù)繁重時(shí)易出現(xiàn)調(diào)度混亂的局面，因此需要建立人、機(jī)、物交互的全方位信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能分配任務(wù)、智能調(diào)度、全局監(jiān)管。⑤溯源難。管節(jié)數(shù)量多，涉及海量的澆筑數(shù)據(jù)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速記錄、存儲(chǔ)、分析，方可準(zhǔn)確查看澆筑過(guò)程中存在的問(wèn)題。傳統(tǒng)的記錄方式無(wú)法處理海量數(shù)據(jù)，追溯查找問(wèn)題難度大，因此需要借助大數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄施工過(guò)程的全部信息。為解決上述問(wèn)題，須研發(fā)一套管控生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑全過(guò)程的智能化系統(tǒng)。

2 智能澆筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為解決傳統(tǒng)工藝中存在的問(wèn)題，融合BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了混凝土智能澆筑系統(tǒng)。該系統(tǒng)構(gòu)架自下而上分為感知層、硬件層、軟件層和展示層，如圖2所示。

1）感知層

圖2 混凝土智能澆筑系統(tǒng)架構(gòu)

感知層主要是通過(guò)多種感知設(shè)備把現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)信息實(shí)時(shí)傳送至管理系統(tǒng)。其中感知設(shè)備有激光測(cè)距儀、攝像頭、車輛全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）終 端 、射 頻 識(shí) 別（Radio Frequency Identification，RFID）傳感器等。激光測(cè)距儀主要用于確定混凝土在隔艙內(nèi)的澆筑高度；攝像頭用于總控人員掌握現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)點(diǎn)及運(yùn)輸車輛的情況；車輛GPS終端為一個(gè)交互設(shè)備，提供混凝土運(yùn)輸狀態(tài)和車輛定位信息；RFID傳感器的主要功能為校準(zhǔn)車輛就位情況和記錄運(yùn)輸車次。

2）硬件層

該層包括計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源和安全資源，用于保證信息系統(tǒng)高性能、可靠穩(wěn)定運(yùn)行，并且具有擴(kuò)展性，能夠靈活應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)發(fā)展。

3）軟件層

在各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了管節(jié)管理、生產(chǎn)計(jì)劃、原材料庫(kù)、拌和站、生產(chǎn)調(diào)度、運(yùn)輸管理、現(xiàn)場(chǎng)澆筑、前端監(jiān)測(cè)、質(zhì)量檢測(cè)、平臺(tái)監(jiān)控等多個(gè)應(yīng)用模塊。其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于感知層，基礎(chǔ)業(yè)務(wù)源于工程項(xiàng)目管理流程。

4）展示層

通過(guò)電腦、大屏幕、移動(dòng)終端等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)消息預(yù)警、生產(chǎn)作業(yè)模擬和業(yè)務(wù)過(guò)程控制。

3 智能澆筑關(guān)鍵技術(shù)

為有效管控混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑過(guò)程數(shù)據(jù)，集成管理所需的業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)，對(duì)以下幾項(xiàng)智能澆筑關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究：①澆筑泵車智能控制技術(shù)；②智能運(yùn)輸調(diào)度技術(shù)；③基于BIM的信息管理技術(shù)。

3.1 澆筑泵車智能控制技術(shù)

1）澆筑設(shè)備重新研發(fā)和智能化改造

圖3 隔艙澆筑過(guò)程示意

為觀測(cè)隔艙內(nèi)部混凝土液面情況，在隔艙排氣孔頂部設(shè)置了多個(gè)激光測(cè)距儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液面變化情況，如圖3所示。根據(jù)混凝土澆筑工藝要求，對(duì)澆筑相關(guān)設(shè)備予以重新研發(fā)和智能化改造。具體如下：①研發(fā)激光測(cè)距儀。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將測(cè)距數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖密囍悄芸刂平K端，實(shí)現(xiàn)感知設(shè)備與系統(tǒng)終端設(shè)備的互聯(lián)。②對(duì)混凝土泵車進(jìn)行智能化改造。根據(jù)泵車廠家提供的通訊協(xié)議，將終端控制設(shè)備與泵車互聯(lián)互通，遠(yuǎn)程控制泵車開(kāi)啟、調(diào)節(jié)泵速、停機(jī)，并通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)澆筑。自動(dòng)模式下施工人員在澆筑隔艙前僅需在終端設(shè)備屏幕上點(diǎn)擊開(kāi)始即可完成單個(gè)隔艙的澆筑，終端設(shè)備可根據(jù)液面高度自動(dòng)控制澆筑速度和停止?jié)仓Ｔ趩蝹€(gè)隔艙澆筑過(guò)程中無(wú)需人工操作泵車，極大降低了控制難度。③以智能平板電腦或手機(jī)設(shè)備作為智能控制終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)澆筑過(guò)程的管控，并展示混凝土澆筑時(shí)液面變化信息和泵車的工作狀態(tài)（如澆筑速度、電壓等）。此外，通過(guò)終端設(shè)備將整個(gè)澆筑過(guò)程的信息全面記錄，同步上傳至系統(tǒng)平臺(tái)，使信息可溯源。

2）泵送速度的控制

智能控制終端在實(shí)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)了較多的問(wèn)題，其中較突出的問(wèn)題是混凝土泵送速度不穩(wěn)定。

控制終端發(fā)送同樣的檔位指令后，泵車在空轉(zhuǎn)、泵送水和泵送混凝土3種工作狀態(tài)下分別呈現(xiàn)不同的泵送速度，較難穩(wěn)定控制到理論值30 m3/h或15 m3/h，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的泵送速度與檔位的關(guān)系

經(jīng)測(cè)試，混凝土的和易性、泵送距離以及揚(yáng)程也對(duì)泵送速度存在一定的影響，因此有必要采用智能調(diào)速算法校正泵送速度。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，泵車檔位與泵送速度總體呈線性關(guān)系。由此擬合出檔位與混凝土泵送速度之間的理論關(guān)系式，如式（1）所示。在澆筑過(guò)程中，將目標(biāo)泵送速度與實(shí)際泵送速度的誤差進(jìn)行二分法迭代修正檔位，多次迭代直至實(shí)際速度與目標(biāo)速度誤差小于0.5 m3/h時(shí)停止迭代。

式中：vt為第t次理論泵送速度，m3/h；At為第t次發(fā)送的檔位；K，c為線性常數(shù)；Δvt為第t次目標(biāo)泵送速度與實(shí)際泵送速度的誤差，m3/h；v為目標(biāo)泵送速度，m3/h；v't為第t次實(shí)際泵送速度，m3/h。

根據(jù)式（1）可推導(dǎo)出泵送速度誤差與檔位誤差的關(guān)系式，即

式中：ΔAt為第t次檔位誤差。

通過(guò)二分法迭代修正，可得第t+1次發(fā)送的檔位為

計(jì)算流程：①設(shè)v1=v，將v1代入式（1）可推算出A1；②終端發(fā)送A1檔位得到實(shí)際泵送速度v'1，通過(guò)式（2）計(jì)算得到?v1；③判斷是否滿足Δv1≤0.5 m3/h，若滿足則停止計(jì)算，若不滿足將Δv1代入式（3）和式（4）計(jì)算得到第2次發(fā)送檔位A2，進(jìn)而得到第2次的實(shí)際泵送速度v'2和誤差Δv2；④多次迭代直到Δvt≤0.5 m3/h時(shí)停止迭代。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)試，采用智能調(diào)速算法可將實(shí)際泵送速度快速穩(wěn)定至目標(biāo)值，滿足施工要求。

3.2 智能運(yùn)輸調(diào)度技術(shù)

混凝土施工主要分為生產(chǎn)、運(yùn)輸、檢測(cè)和澆筑4步。難點(diǎn)是在80 min內(nèi)將施工效率最大化。

一輛混凝土攪拌車的容量為9 m3，從生產(chǎn)到澆筑各個(gè)階段用時(shí)分別為：①拌和站生產(chǎn)時(shí)間約5～6 min；②車輛運(yùn)輸時(shí)間約8～10 min；③途中抽檢時(shí)間約8 min（每60 m3抽檢1次）；④在澆筑點(diǎn)排隊(duì)等候時(shí)間約0～10 min；⑤單車混凝土澆筑理論時(shí)間為18～36 min。實(shí)際工程中存在4～8個(gè)澆筑點(diǎn)同時(shí)作業(yè)，需9～16輛。為使車輛利用率最大化，運(yùn)輸車輛與現(xiàn)場(chǎng)澆筑點(diǎn)的泵車不必一對(duì)一，須根據(jù)車輛內(nèi)混凝土的有效時(shí)間將其與現(xiàn)場(chǎng)混凝土余量統(tǒng)一考慮并智能調(diào)度。

智能調(diào)度的目標(biāo)：混凝土供給端和澆筑端有序、高效匹配，減少混凝土車輛排隊(duì)等候時(shí)間，實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙澆筑。為管控車輛狀態(tài)，在車輛中加裝了智能終端，有定位、語(yǔ)音提示、混凝土有效時(shí)間記錄、預(yù)警提示等功能；在所行道路邊設(shè)置了專用的RFID車輛識(shí)別設(shè)備，便于系統(tǒng)確認(rèn)校核車輛位置和統(tǒng)計(jì)澆筑車次。車輛行程中關(guān)鍵點(diǎn)位有拌和站、檢測(cè)站、派號(hào)區(qū)、澆筑點(diǎn)。其中派號(hào)區(qū)為運(yùn)輸調(diào)度流程中核心位置，如圖5所示。

圖5 智能運(yùn)輸調(diào)度流程

整個(gè)運(yùn)輸調(diào)度流程始于拌和站，結(jié)束于拌和站。其中，檢測(cè)站位于派號(hào)區(qū)前面，要求檢測(cè)合格或未被抽檢的車輛才能進(jìn)入派號(hào)區(qū)，開(kāi)展后續(xù)流程。派號(hào)區(qū)的主要功能：①對(duì)所有進(jìn)入派號(hào)區(qū)的車輛狀態(tài)進(jìn)行分析，將裝載混凝土有效時(shí)間最短的車輛優(yōu)先派號(hào)。②對(duì)現(xiàn)場(chǎng)澆筑點(diǎn)混凝土余量狀態(tài)進(jìn)行分析，找到余量最少的澆筑點(diǎn)，讓其優(yōu)先接收車輛。③當(dāng)車輛內(nèi)混凝土有效時(shí)間或現(xiàn)場(chǎng)澆筑點(diǎn)混凝土余量等同時(shí)，則按車輛編號(hào)和澆筑點(diǎn)號(hào)順序派號(hào)。

我們旨在探究我國(guó)A股市場(chǎng)與世界主要股票市場(chǎng)之間的相依性。因此，選擇上證綜合指數(shù)(SH)當(dāng)日收盤(pán)價(jià)作為衡量我國(guó)股票市場(chǎng)波動(dòng)情況的指標(biāo)；對(duì)于A股之外的市場(chǎng)，選擇美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本和中國(guó)香港等規(guī)模較大的幾個(gè)國(guó)家(地區(qū))的股票市場(chǎng)作為對(duì)比研究對(duì)象，具體來(lái)說(shuō)，分別選取標(biāo)普500(S&P 500)指數(shù)、富時(shí)100(FTSE100)指數(shù)、DAX指數(shù)、日經(jīng)225指數(shù)(N225)及恒生指數(shù)(HSI)當(dāng)日收盤(pán)價(jià)作為衡量上述國(guó)家(地區(qū))股票市場(chǎng)波動(dòng)情況的指標(biāo)。

由于施工條件復(fù)雜，不確定因素較多，專門(mén)開(kāi)發(fā)了預(yù)警模塊，主要對(duì)車輛故障、混凝土超時(shí)、澆筑泵車故障等意外情況加以預(yù)警。若車輛或澆筑設(shè)備處于預(yù)警狀態(tài)，將被臨時(shí)移出運(yùn)輸調(diào)度鏈。

通過(guò)多次的聯(lián)調(diào)聯(lián)試和首節(jié)管節(jié)的澆筑，管理人員在辦公室通過(guò)運(yùn)輸調(diào)度模塊可全面了解所有車輛狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)澆筑狀況及相關(guān)預(yù)警信息，顯著提高施工效率，為項(xiàng)目的有序推進(jìn)提供了較大便利。

3.3 基于BIM的信息管理技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)施工流程全方位的管控，應(yīng)用BIM技術(shù)將施工過(guò)程中的相關(guān)信息全部關(guān)聯(lián)。具體流程：①對(duì)建立的BIM模型進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)分解，將沉管細(xì)分為頂板、底板和中墻，并對(duì)每個(gè)隔艙設(shè)置關(guān)聯(lián)編號(hào)。②研發(fā)了方便快捷的生產(chǎn)計(jì)劃編制模塊，可直接在BIM模型上點(diǎn)選隔倉(cāng)并設(shè)置施工計(jì)劃，之后按日期派發(fā)具體任務(wù)至人員、泵車、原材料、拌和站等相關(guān)的業(yè)務(wù)實(shí)施主體。③施工過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控拌和站生產(chǎn)、車輛運(yùn)輸、途中檢測(cè)、隔艙澆筑等工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)周期的進(jìn)度、質(zhì)量管控，并將全過(guò)程信息存貯于BIM模型。

通過(guò)上述流程，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施了全方位管控，實(shí)現(xiàn)從計(jì)劃、原材料、半成品到成品整個(gè)生產(chǎn)鏈的信息化管理，如圖6所示。

圖6 基于BIM技術(shù)的信息管理流程

4 結(jié)語(yǔ)

深中通道隧道段采用了新型鋼殼混凝土沉管結(jié)構(gòu)，鋼殼內(nèi)部混凝土澆筑難度大，質(zhì)量要求高。為解決傳統(tǒng)人工管理模式下生產(chǎn)調(diào)度混亂、關(guān)鍵參數(shù)難以控制、數(shù)據(jù)處理緩慢、質(zhì)量難以把控等難題，研發(fā)了一套融合BIM及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的混凝土智能澆筑系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

1）利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使系統(tǒng)與終端設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備間智能互聯(lián)。智能設(shè)備作為系統(tǒng)的感知端，為系統(tǒng)提供及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆筑。

2）采用派號(hào)法將澆筑點(diǎn)的需求量和混凝土運(yùn)輸車輛的供給量動(dòng)態(tài)連接，顯著提高了施工效率。

3）基于BIM技術(shù)研發(fā)了方便快捷的生產(chǎn)計(jì)劃編制模塊，全方位管控混凝土從生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)綕仓娜^(guò)程，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)信息有源可溯。