交通基礎(chǔ)設(shè)施智能建造技術(shù)探索與實踐

文|中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司 吳明先

智能建造是一個全新的模式，也是一個全新的概念，只有理解和掌握了智能建造模式的發(fā)展和內(nèi)涵，才能根據(jù)交通基礎(chǔ)設(shè)施建造特點建立發(fā)展技術(shù)體系，進(jìn)而在總結(jié)技術(shù)體系現(xiàn)狀與準(zhǔn)確分析趨勢的基礎(chǔ)上，設(shè)定科學(xué)合理的目標(biāo)和路徑，繼而分階段有步驟地落實。

工程建造模式發(fā)展演變

傳統(tǒng)建造模式以現(xiàn)場作業(yè)為主，工程建造各參與方缺乏協(xié)同運作和信息溝通，導(dǎo)致設(shè)計與施工脫節(jié)，容易造成資源浪費。設(shè)計單位在設(shè)計過程中考慮可施工因素和資源的可供應(yīng)性要求較少，導(dǎo)致出現(xiàn)資源供應(yīng)短缺和設(shè)計變更的現(xiàn)象。受施工環(huán)境及工程進(jìn)度安排等因素的影響，各施工界面容易發(fā)生沖突，存在較大的被動性和不確定性，缺乏應(yīng)對不確定性的能力，難以保證品質(zhì)工程的實現(xiàn)。

面對時代要求，碎片化和粗放式的傳統(tǒng)工程建造方式已經(jīng)面臨困境。首先是勞動力成本上升，人口紅利消失，作業(yè)環(huán)境惡劣，產(chǎn)業(yè)對人才和工人的吸引力越來越弱；其次是資源消耗巨大，傳統(tǒng)現(xiàn)場為主的施工會產(chǎn)生大量的噪聲、粉塵等污染，環(huán)境沖擊大；最后是工程品質(zhì)并不樂觀，工程點多面廣，質(zhì)量控制點多，受人工素質(zhì)影響大。

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，我國越來越關(guān)注工程品質(zhì)的提升。早在2016年，交通運輸部就發(fā)布了關(guān)于打造品質(zhì)工程的指導(dǎo)意見及推進(jìn)方案，文件從工程設(shè)計、管理、科技創(chuàng)新、質(zhì)量、安全保障、綠色環(huán)保和軟實力等七個方面提出了主要實施措施，可以看出打造品質(zhì)工程是一個系統(tǒng)工程。

工業(yè)化建造模式是采用模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計，在工廠中預(yù)制生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)配件，在工程現(xiàn)場采用機械化裝配完成工程建造。工業(yè)化建造模式能大大提升工程品質(zhì)和質(zhì)量水平，是打造品質(zhì)工程的必由之路，是我國目前工程建造正在實踐的模式。

目前我國進(jìn)入新發(fā)展階段，重要特征是經(jīng)濟(jì)由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，踐行高質(zhì)量發(fā)展理念，打造新時代交通基礎(chǔ)設(shè)施品質(zhì)工程，需要新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。

2013年，德國提出工業(yè)4.0戰(zhàn)略，利用信息和通信技術(shù)，改變了當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)與服務(wù)模式，推動制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型升級，引起了世界范圍內(nèi)新一輪的工業(yè)轉(zhuǎn)型競賽。

2015年，我國提出中國制造2025計劃和“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃。制造業(yè)正在經(jīng)歷一場技術(shù)變革和模式創(chuàng)新。工程建設(shè)行業(yè)隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能及BIM技術(shù)等新一代信息技術(shù)在工程建設(shè)中的探索應(yīng)用，工程建造模式也在發(fā)生根本的變革，工程建設(shè)行業(yè)開始開展智能建造模式探索和實踐。

智能建造模式是以數(shù)字化設(shè)計和打造數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)，運用現(xiàn)代信息技術(shù)手段實現(xiàn)工程建造中人、機器和資源環(huán)境的實時聯(lián)通、相互識別和有效交流，通過大數(shù)據(jù)處理平臺建立各類標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用服務(wù)，實現(xiàn)服務(wù)共享和協(xié)同運作，進(jìn)而實現(xiàn)安全、高效和綠色的高質(zhì)量工程建造。智能建造模式是公路交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型和打造品質(zhì)工程的模式創(chuàng)新和技術(shù)突破。

智能建造技術(shù)體系探索

從產(chǎn)業(yè)維度講，智能建造技術(shù)涵蓋公路交通、市政交通、房建工程等所有基礎(chǔ)設(shè)施，覆蓋從勘察設(shè)計到運營維護(hù)的全壽命周期，融合建筑、土木、材料、機械及信息等多專業(yè)。

目前，智能建造技術(shù)體系的理解和思路并不統(tǒng)一。經(jīng)過不斷探索、總結(jié)和吸收，根據(jù)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)特點，發(fā)展建立了三層結(jié)構(gòu)體系，基礎(chǔ)層為以信息技術(shù)、人工智能為代表的基礎(chǔ)科學(xué)，應(yīng)用基礎(chǔ)層為多學(xué)科交叉融合的工程行業(yè)共性技術(shù)，應(yīng)用層為工程全產(chǎn)業(yè)鏈智能化技術(shù)應(yīng)用與實施。

交通基礎(chǔ)設(shè)施智能建造技術(shù)體系應(yīng)用框架

基礎(chǔ)層八大共性技術(shù)為空間信息、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、無線通訊、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和新材料。

在應(yīng)用基礎(chǔ)層中，與交通基礎(chǔ)設(shè)施息息相關(guān)的是建筑信息模型（BIM）、工程增材制造（3D打?。?、模塊化標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系、工程大數(shù)據(jù)、工程物聯(lián)網(wǎng)、工程新材料、工程智能檢測與監(jiān)測和智能機器人及自動化裝備八個方面。

在交通基礎(chǔ)設(shè)施全壽命周期的5個階段，需要融合采用應(yīng)用基礎(chǔ)層的不同技術(shù)，在橋梁、隧道、路基及路面等不同結(jié)構(gòu)、不同環(huán)境和不同材料，最終實現(xiàn)真正的智能建造。

智能建造目前基本格局是，國外發(fā)達(dá)國家引領(lǐng)智能建造技術(shù)整體方向，我國智能建造技術(shù)發(fā)展迅猛，矛盾和問題并存。具體表現(xiàn)是基礎(chǔ)層行業(yè)結(jié)合程度不高；應(yīng)用基礎(chǔ)層未形成技術(shù)融合，各自獨立發(fā)展；應(yīng)用層缺乏成熟技術(shù)裝備，工程應(yīng)用相對偏少。

目前，交通基礎(chǔ)設(shè)施智能建造技術(shù)，經(jīng)過國家推動和政策引導(dǎo)，以及行業(yè)層面的主動探索，發(fā)展十分迅猛，也取得了一定成就。智能建造技術(shù)是一個系統(tǒng)工程，其中BIM、3D打印及工業(yè)化建造等方面的探索已取得初步進(jìn)展。

BIM是智能建造化的基礎(chǔ)，只有通過BIM實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計，才能實現(xiàn)數(shù)字驅(qū)動的智能建造。BIM技術(shù)近10年來在我國交通行業(yè)的發(fā)展尤為顯著，國家高度重視，出臺了一系列的技術(shù)政策，包括“交通強國”“新基建”等發(fā)展戰(zhàn)略，行業(yè)也積極響應(yīng)，推進(jìn)BIM技術(shù)在交通領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

BIM技術(shù)趨勢是積極探索BIM技術(shù)與全產(chǎn)業(yè)鏈多項前沿關(guān)鍵技術(shù)的深度融合，和工程項目全壽命周期的應(yīng)用貫穿。發(fā)展目標(biāo)是“技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)計決策數(shù)字化、交通出行智慧化”，最終實現(xiàn)“單階段向全生命周期轉(zhuǎn)變、局部應(yīng)用向全面應(yīng)用轉(zhuǎn)變、單機應(yīng)用向平臺應(yīng)用轉(zhuǎn)變”。

工程3D打印技術(shù)以其自動化、高效率和材料豐富的特點為交通基礎(chǔ)設(shè)施帶來了更加豐富的結(jié)構(gòu)形式，也提供了一種全新的建造技術(shù)。目前工程結(jié)構(gòu)3D打印的材料主要為混凝土和工程塑料兩種，打印平臺主要為3軸桁架和6軸工業(yè)機器人。

目前，采用了BIM技術(shù)的部分示范工程及構(gòu)件，體現(xiàn)出了3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，但在材料、工藝、設(shè)計方法、施工、質(zhì)量驗收等還沒有建立起相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系。工程3D打印技術(shù)趨勢就是個性化、定制化研發(fā)與生產(chǎn)，目標(biāo)是構(gòu)件大型化、作業(yè)原位化和過程智能化，在未來實現(xiàn)混凝土、納米等各種材料打印的工程應(yīng)用。

隨著經(jīng)濟(jì)、材料、連接技術(shù)、施工設(shè)備和質(zhì)量控制水平的同步提高完善，裝配構(gòu)件形式多樣，預(yù)制構(gòu)件連接技術(shù)逐漸成熟，但預(yù)制構(gòu)件材料僅有混凝土或鋼，相對單一。

模塊化標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系的目標(biāo)是“構(gòu)件輕質(zhì)高強化、結(jié)構(gòu)全預(yù)制裝配化、預(yù)制構(gòu)件智能化”，其趨勢是工業(yè)化和智能化協(xié)同發(fā)展。輕質(zhì)高強材料的發(fā)展成熟和使用，將解決目前交通基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)制構(gòu)件“傻、大、笨粗”的固有形象。并且，隨著智能材料和智能傳感器的應(yīng)用，預(yù)制構(gòu)件即將成為一種具有自修復(fù)自感知能力的智能產(chǎn)品，在安裝時也具有自我定位的毫米級精度。

工程大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)方面，國內(nèi)外給予了高度關(guān)注。西方發(fā)達(dá)國家在2012年左右就開始從國家層面進(jìn)行政策引導(dǎo)，這些技術(shù)是實現(xiàn)智能建造技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)。我國在工程大數(shù)據(jù)方面雖然相對滯后兩三年，但是發(fā)展較快，隨著各種信息模型和平臺的建立，以及傳感器布設(shè)和監(jiān)控檢測數(shù)據(jù)的收集，數(shù)據(jù)量越來越大。另外，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面，我國戰(zhàn)略規(guī)劃相對滯后兩年左右。

未來，工程大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)必須深入挖掘行業(yè)應(yīng)用價值，促進(jìn)與工程技術(shù)的統(tǒng)合，參與全過程實時管理控制。

工程3D打印技術(shù)實踐

目前，我國交通系統(tǒng)擁有了第一家3D打印智能建造實驗室（以下簡稱“實驗室”），擁有獨立材料實驗室、工具端研發(fā)室和獨立打印區(qū)。實驗室在交通系統(tǒng)最先開展工業(yè)機器人混凝土打印探索，自主開發(fā)了兩套基于庫卡機械臂的3D打印系統(tǒng)，實驗條件在國內(nèi)處于一流水平。

經(jīng)過反復(fù)測試驗證，實驗室確定了3D打印水泥基材料原材料選取范圍和配合比設(shè)計流程，制備了兩種適用于機械臂驅(qū)動的3D打印水泥基材料。實際工程驗證，該材料具備更高的溫度適應(yīng)性，在5攝氏度至40攝氏度之間，成本僅為每噸500元至700元，并結(jié)合自主研制的設(shè)備、系統(tǒng)等，擁有較高的打印質(zhì)量與穩(wěn)定性。

機器人工具坐標(biāo)系與空間姿態(tài)

三維斜向空間平面切片打印

空間路徑擬合橋梁主拱圈打印

實驗室研發(fā)的五代工具端，在打印流量、精度、效率、質(zhì)量上不斷改善提升，基本實現(xiàn)了3D打印的工程應(yīng)用。研發(fā)定型了十余種不同類型的打印擠出端，并確定了相應(yīng)匹配的材料擠出速度、泵壓和機械臂移動速度，可實現(xiàn)不同截面形狀的打印需求。

實驗室智能集成了機器人打印系統(tǒng)所有的軟件和硬件，從拌和系統(tǒng)到泵送系統(tǒng)到機器人系統(tǒng)到工具端系統(tǒng)，實現(xiàn)了3D打印核心技術(shù)工廠化多設(shè)備系統(tǒng)精準(zhǔn)協(xié)同的功能，明顯降低了核心技術(shù)人員數(shù)量依賴，大幅提高了打印效率，實現(xiàn)了系統(tǒng)應(yīng)用及核心技術(shù)應(yīng)用的可復(fù)制性，是目前在混凝土3D打印領(lǐng)域第一套相對完備高效的混凝土3D打印控制系統(tǒng)。

機器人打印系統(tǒng)因運動控制系統(tǒng)為六軸工業(yè)機器人，所以工作平面在工作空間范圍內(nèi)有無限的自由度。這是工業(yè)機器人運動控制獨有的優(yōu)勢，也是傳統(tǒng)3軸傳動系統(tǒng)的3D打印機的局限性。三維斜向空間打印是在傳統(tǒng)水平方向切面基礎(chǔ)上的嘗試，通過逐層變化打印路徑工作平面的角度，控制打印形體成型的方式。這種打印方式可彌補傳統(tǒng)水平打印的諸多不足，例如懸挑結(jié)構(gòu)打印和斜向支撐打印，以及附屬部分的打印問題，具有極高的實際應(yīng)用價值和探索價值。

實驗室的3D打印技術(shù)從材料和硬件設(shè)備到控制系統(tǒng)，以及應(yīng)用場景都具有完全的知識產(chǎn)權(quán)。通過總結(jié)提升研發(fā)成果，在工程3D打印方面獲批了一些專利，其中矩形擠出頭的高精度打印控制技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

從小尺寸的城市景觀作品，到大規(guī)格的人行景觀橋，工程3D打印技術(shù)正在逐步成熟。

城市景觀作品

實驗室打印的城市景觀作品——混凝土的華爾茲“中交小蠻腰”，榮獲第一屆全國混凝土3D打印創(chuàng)新大賽二等獎。該作品高1.5米，截面尺寸為1米乘0.5米，是實現(xiàn)懸挑與扭轉(zhuǎn)同時進(jìn)行的測試構(gòu)件，耗時40余分鐘一次性完成。驗證了材料的可靠性能與工藝的精細(xì)控制，獲得2019年第一屆全國混凝土3D打印創(chuàng)新大賽二等獎。

酒吧3D 打印墻

該墻體整體尺寸為2.8米乘6米，由26塊1.2米乘0.5米的不同曲面3D打印模塊裝配組成。在七彩霓虹光影下，3D打印的特殊質(zhì)感給人微醺的空間感受。該墻體在2周時間內(nèi)完成制作，體現(xiàn)了3D打印高效率和大尺度的高自由度設(shè)計思路。

巨型Logo 打印

2019年西安國際絲綢之路國際創(chuàng)新設(shè)計周Logo，長6.5米，高1.65米，厚10厘米，耗時兩周時間完成，分為上下兩個部分，驗證了加肋和不加肋兩種算法和路徑規(guī)劃及力學(xué)性能。

城市景觀作品“中交小蠻腰”

組圖：酒吧3D打印墻實現(xiàn)過程及成品效果

組圖：巨型Logo打印

當(dāng)雄隧道

羊八井隧道

西藏參數(shù)化隧道洞口設(shè)計與建造

羊八井隧道和當(dāng)雄隧道分別以白色哈達(dá)和五彩哈達(dá)為原型，其中曲線以寶傘畫樣曲線原型為邊界，通過算法生成褶皺的質(zhì)感。兩種表面肌理融合在一起象征文化民族文化交融多樣。自然舒展的曲線形態(tài)給進(jìn)藏人帶來神圣舒心的感受，更體現(xiàn)了3D打印技術(shù)未來廣闊的應(yīng)用前景。

人行景觀橋

該橋全長9米，除去拱座構(gòu)件以外，全部為混凝土3D打印完成。2019年建成時為國內(nèi)第三座足尺混凝土3D人行景觀橋。該橋由54塊拱箱構(gòu)件和44塊不同造型的護(hù)欄組成。其中護(hù)欄驗證了自主研發(fā)的開口截面路徑規(guī)劃技術(shù)，拱箱采用了前述的空間路徑規(guī)劃技術(shù)，一次成型，不需要二次處理。該橋是基于智能參數(shù)化算法，以基礎(chǔ)幾何形體，沿中軸線旋轉(zhuǎn)形成螺旋肌理，生成式設(shè)計而成的一座人形景觀橋。目前，正在實驗室進(jìn)行異形模塊分塊大小、路徑規(guī)劃、預(yù)埋構(gòu)件設(shè)置、力學(xué)性能測試。

杭州灣跨海大橋杭甬高速連接線公路工程

模塊化標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)應(yīng)用實踐

在全裝配式橋梁方面，按照一定的縮尺比，論證了采用預(yù)應(yīng)力連接技術(shù)的節(jié)段拼裝橋墩抗震性能、破壞特性和工藝，提出了一新型預(yù)制拼裝橋墩連接形式——組合型外包鋼板連接，安全可靠性高，試驗證明可適用于地震烈度較高地區(qū)。同時，按照1比5的縮尺比，分別設(shè)計了抗彎試驗和抗剪試驗?zāi)Ｐ?，為長大蓋梁的模塊化標(biāo)準(zhǔn)化快速建造提供了技術(shù)支撐。并且，充分利用波紋鋼板的性能優(yōu)勢，提出中小跨徑最大裝配化波紋鋼腹板工字梁橋結(jié)構(gòu)型式，簡化主梁構(gòu)造，實施了波形選擇及連接構(gòu)造等試驗驗證，為工程示范應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此外，還首次提出了全固結(jié)體系預(yù)制拼裝橋墩錐套連接構(gòu)造，實現(xiàn)了橋梁下部結(jié)構(gòu)節(jié)點施工的可檢測性和可更換性，為橋梁下部結(jié)構(gòu)工業(yè)化建造提供一種新方法。

模塊化標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系已在我國多項公路工程中得以應(yīng)用，并取得了較理想的效果。

杭州灣跨海大橋杭甬高速連接線公路工程

國內(nèi)首次在30米至40米的中小跨徑陸地公路橋梁中應(yīng)用整孔預(yù)制拼裝連續(xù)箱梁，首次針對整孔預(yù)制箱梁采用單車跨雙幅梁上運梁施工方案。在路線走廊受限的項目條件下，首次采用懸臂不對稱的大箱梁方案，技術(shù)成果達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

鄞州至玉環(huán)公路椒江洪家至溫嶺城東段公路工程

該項目全長21公里，其中鋼結(jié)構(gòu)橋梁17.5公里，是目前國內(nèi)最長的公路鋼結(jié)構(gòu)高架橋，鋼板梁總重達(dá)13萬噸，相當(dāng)于3個鳥巢、19座埃菲爾鐵塔的用鋼量，2017年5月列入國家交通運輸部首批公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁示范工程名單的首位，也是浙江省首條被列為全國公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁典范的工程。

深圳梅觀高速公路清湖南段市政道路工程

該項目連接方法所用材料均為傳統(tǒng)材料，施工工藝簡單方便，可直接使用既有的質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)。與既有的連接形式相比較，現(xiàn)場施工工序少，大大提升了施工效率，并使施工質(zhì)量得到了最有效的保障，3個小時左右可以施工完成兩個墩柱，體現(xiàn)了快速化施工，緩堵保暢效果極其明顯。

鄞州至玉環(huán)公路椒江洪家至溫嶺城東段公路工程

深圳梅觀高速公路清湖南段市政道路工程

浙江溫州飛云江大橋項目

飛云江大橋是是我國首座應(yīng)用裝配化波紋鋼腹板工字組合梁的橋梁，在相同荷載標(biāo)準(zhǔn)下，梁高、材料指標(biāo)及吊裝重量皆優(yōu)于既有裝配式T梁和鋼結(jié)構(gòu)橋梁，為波紋鋼腹板在中小跨徑應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，填補了國內(nèi)此類橋梁的空白。

深圳機荷高速改擴建工程

該項目總長42.35公里，首創(chuàng)立體改造雙向十六車道，具有大交通量、高度城市化和超大規(guī)模的工程特點。創(chuàng)新點在于是國內(nèi)最大規(guī)模的全裝配化建造項目；是全國第一套基于云計算的節(jié)段拼裝箱梁橋設(shè)計系統(tǒng)，設(shè)計效率成倍提高，極大減少了橋梁設(shè)計繪圖人員，從400名降為150名；是首座錐套連接技術(shù)預(yù)制拼裝橋墩，滿足全固結(jié)連續(xù)剛構(gòu)體系橋墩底部反復(fù)拉壓的安全性能和耐久性能。

杭甬高速復(fù)線-UHPC-NC 組合蓋梁輕量化建造成套關(guān)鍵技術(shù)

蓋梁是全預(yù)制裝配式橋梁模塊化建造需要克服的堡壘，在預(yù)制分塊、連接方法、重量方面都不完善，超高性能混凝土的使用提供了一種方法。采用140兆帕的UHPC-NC組合結(jié)構(gòu)，六車道33.5米的蓋梁從原先采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆的572噸減輕到200噸，使工廠化預(yù)制和現(xiàn)場運輸安裝變成了可能。材料的制備工藝、長大薄壁構(gòu)件的制作工藝及運輸安裝的穩(wěn)定施工工藝已經(jīng)論證，目前正在進(jìn)行模型試驗。

浙江溫州飛云江大橋項目

深圳機荷高速改擴建工程

杭甬高速復(fù)線-UHPC-NC組合蓋梁輕量化建造成套關(guān)鍵技術(shù)