大直徑盾構(gòu)隧道管片智能化生產(chǎn)應(yīng)用研究

徐昕，田雨，張曉行

（1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211189；2.中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司，北京 102400；3.上海魯班工程顧問有限公司，上海 200433）

1 引言

近年來，智能建造技術(shù)越來越多地應(yīng)用到城市建設(shè)中，信息化和智能化是未來工程建設(shè)發(fā)展的必然方向。而對于大直徑盾構(gòu)隧道項目管片生產(chǎn)而言，智能化的發(fā)展長期以來屬于較為初級的狀態(tài)，存在業(yè)務(wù)系統(tǒng)分散、產(chǎn)品力較弱、信息真實度低、過程不可追溯等問題[1]。BIM技術(shù)、智能裝備等生產(chǎn)方式可為盾構(gòu)管片生產(chǎn)管理帶來極大的改善，形成一套可視化、信息化、智能化的生產(chǎn)管理體系。

BIM技術(shù)在隧道工程領(lǐng)域應(yīng)用已有10余年，最早可追溯到2008年，同濟(jì)大學(xué)的鄭路[2]對盾構(gòu)隧道進(jìn)行數(shù)字化建模并進(jìn)行數(shù)據(jù)組織及管理的理論研究。如今，參數(shù)化建模、基于BIM的協(xié)同管理平臺、隧道智能化監(jiān)測等技術(shù)已被較為廣泛地應(yīng)用。而智能裝備、智能生產(chǎn)的應(yīng)用亦逐步開展。本文依托某大型盾構(gòu)隧道項目，聚焦于管片自動化、智能化生產(chǎn)及管理進(jìn)行論述及分析，旨在研究智能建造在盾構(gòu)隧道項目中的應(yīng)用。

2 生產(chǎn)區(qū)集約化

管片廠規(guī)模根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)高峰期月平均強(qiáng)度確定，拌和站、廠房、生產(chǎn)線、操作室、起重設(shè)備、養(yǎng)護(hù)窯等區(qū)域均采用BIM建模一體化設(shè)計，重點(diǎn)關(guān)注3個方面的要求：（1）空間優(yōu)化，安全、節(jié)地、環(huán)保。每個小區(qū)域在設(shè)計時，采用參數(shù)化的方式限定最小尺寸比例，在整個廠區(qū)規(guī)劃時，先以最小尺寸比例排布方案，然后根據(jù)空間余量適當(dāng)調(diào)整。（2）設(shè)備、人員、物料都有獨(dú)立的通道，以利于生產(chǎn)節(jié)奏的掌控。利用BIM進(jìn)行設(shè)計時，可模擬分析通道使用的可行性，如通道尺寸是否足以通過廠區(qū)較大的設(shè)備，物料通道的路徑是否最優(yōu)，各工序之間的通道長度是否合理等，保證建成后的使用效率最優(yōu)化。（3）設(shè)備設(shè)施的尺寸、位置精確排列，不浪費(fèi)任何空間和土地。利用BIM模型的精確性，可實現(xiàn)1∶1的模擬，精確定位設(shè)備。

3 生產(chǎn)線自動化

3.1 鋼筋智能加工

采用鋼筋智能化生產(chǎn)技術(shù)，可以使鋼筋加工、運(yùn)輸、吊裝、綁扎、焊接過程中做到少人化、無人化。鋼筋進(jìn)場后采用手持設(shè)備錄入信息并生成對應(yīng)的二維碼，在入庫、出庫時作為身份信息進(jìn)行管理，并建立鋼筋材料電子化臺賬進(jìn)行統(tǒng)一管理。鋼筋檢驗合格后，通過智能調(diào)直機(jī)、智能切斷機(jī)進(jìn)行調(diào)直、切斷，隨后經(jīng)鋼筋彎曲機(jī)、彎箍機(jī)加工制成半成品。

3.2 模具3D智能測量技術(shù)

模具3D智能測量采用一種三維結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)，即利用結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù)。測量時，通過光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測物體上，成一定夾角的兩個攝像頭同步采得相應(yīng)圖像，然后對圖像進(jìn)行解碼和相位計算，并利用匹配技術(shù)、三角形測量原理解算出兩個照相機(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)。采用3D成像技術(shù)完成生產(chǎn)線模具的精度測量，測量精度可達(dá)0.05 mm。

3.3 機(jī)械臂抹面技術(shù)

管片外弧面自動抹平設(shè)備主要由桁架、雙軸機(jī)械臂、智能控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)等組成。該設(shè)備可在5 min之內(nèi)完成單塊5.4 m×2 m管片外弧面的抹面工作，至少替代4個操作工。（1）平整度方面：依靠機(jī)器人行走軌跡程序，在仿真環(huán)境中通過虛擬示教操作運(yùn)動。通過導(dǎo)入CAD文件自動生成空間平面內(nèi)軌跡；導(dǎo)入G代碼自動生成空間刀路軌跡；根據(jù)軌跡點(diǎn)位置姿態(tài)數(shù)據(jù)自動計算機(jī)器人運(yùn)動程序數(shù)據(jù)，進(jìn)行后置處理。（2）光滑度方面：主要為鋼抹刀、鋼抹叉、鋼抹盤、特氟龍抹盤等抹盤材料的研發(fā)。（3）效率方面：由控制程序運(yùn)行速度、抹盤轉(zhuǎn)速和機(jī)械臂運(yùn)行速率決定。

3.4 全自動溫控系統(tǒng)

管片蒸汽養(yǎng)護(hù)方式有連續(xù)窯和獨(dú)立窯的方式，均可以實現(xiàn)養(yǎng)護(hù)自動控制。在管片養(yǎng)護(hù)區(qū)內(nèi)埋設(shè)溫度和濕度傳感器，建立統(tǒng)一管理系統(tǒng)。蒸汽閥門分區(qū)控量獨(dú)立設(shè)計，開關(guān)選用溫控電磁閥開關(guān)，控制器上設(shè)定溫度上下限，電磁閥開關(guān)將自動調(diào)節(jié)蒸汽的進(jìn)氣量。另外，管片在進(jìn)入降溫區(qū)時，由于自身水化熱開始增高，一般降溫難度大，可以采用幾組恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)控制箱進(jìn)行降溫，達(dá)到降溫目的。

4 管理模式信息化

4.1 BI M技術(shù)應(yīng)用

4.1.1 管片精細(xì)化建模

通用楔形環(huán)的管片，精度要求0.4 mm，采用二維設(shè)計軟件誤差較大。相對于傳統(tǒng)二維設(shè)計方法，3D建模最大的優(yōu)點(diǎn)在于其可視化的效果，能夠直觀地展示設(shè)計者的設(shè)計意圖，如圖1所示。通過虛擬裝配，還可以提前發(fā)現(xiàn)錯誤，避免了設(shè)計上的失誤。

圖1 管片模具模型

4.1.2 鋼筋碰撞分析

管片安裝的高精度特點(diǎn)，需求對管片的模具、管片結(jié)構(gòu)、鋼筋進(jìn)行精細(xì)的分析，主要體現(xiàn)在校核設(shè)計、碰撞模擬等方面。通過BIM三維建模，建立管片結(jié)構(gòu)模型和鋼筋模型，進(jìn)行空間對比，提出圖紙會審合理化建議、并相應(yīng)調(diào)整施工方法，從而快速地找出鋼筋施工尺寸，嚴(yán)格照圖施工。

4.1.3 工藝模擬

基于管片結(jié)構(gòu)模型、鋼筋模型，結(jié)合管片預(yù)制加工方案、施工工藝要求，對鋼筋焊接、預(yù)埋件安裝、模板擰緊順序及要求等進(jìn)行工藝模擬，制作施工方案動畫，以可視化的形式進(jìn)行技術(shù)交底，固化工作流程，指導(dǎo)工人生產(chǎn)。

4.2 智慧管理平臺

4.2.1 平臺概述

管片生產(chǎn)智慧管理平臺的主要功能目標(biāo)是實現(xiàn)工序自動化、庫存動態(tài)化、信息可視化。該平臺主要采用了4項新技術(shù)：（1）采用自動采集及數(shù)據(jù)管控技術(shù)，打通工廠信息孤島，實現(xiàn)人-機(jī)-物信息互聯(lián)互通；（2）基于后臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一集中管理，實現(xiàn)了整體生產(chǎn)流程自動化管控，使生產(chǎn)管理集約化，同時提高了生產(chǎn)管理效率；（3）與物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)結(jié)合，打通了生產(chǎn)、運(yùn)輸、拼裝等環(huán)節(jié)信息壁壘，實現(xiàn)了動態(tài)庫存管理和管片拼裝定位追蹤；（4）研制了性能先進(jìn)、操作簡單的手持PDA移動作業(yè)設(shè)備，實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的可視化動態(tài)管理。

4.2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)分為4個層級，如圖2所示。

圖2 管片生產(chǎn)智慧管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)

1）數(shù)據(jù)采集來源層：從拌和站、地磅、轉(zhuǎn)閘、流水線等設(shè)備獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，并從管理人員移動端獲取骨架、成品、質(zhì)檢、庫存、物流等生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)處理層：對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、規(guī)整工作，包括數(shù)據(jù)的去重排查、丟失校驗，初步清洗后進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化加工。

3）數(shù)據(jù)存儲層：雙重存儲，即云端的數(shù)據(jù)庫和本地的數(shù)據(jù)庫，定期留存歷史版本，以防服務(wù)器遭遇未知風(fēng)險而丟失數(shù)據(jù)。最后存入面向終端使用者的MES服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)應(yīng)用層：經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化加工的數(shù)據(jù)會帶有各類業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的標(biāo)簽，通過系統(tǒng)內(nèi)置的數(shù)據(jù)分析流程，將成果流轉(zhuǎn)到車間管理、生產(chǎn)中控中心、人員動態(tài)管理、流水線動態(tài)管理、溫濕度監(jiān)控管理等應(yīng)用場景。

4.2.3 應(yīng)用模式

信息化平臺實現(xiàn)了技術(shù)的數(shù)字化管理，將圖紙、工藝細(xì)則、制度、技術(shù)交底、計劃指令等進(jìn)行在線管理和可視化展示，使技術(shù)實時積累、更新，并使生產(chǎn)指令可實時發(fā)布。此外，還將各質(zhì)檢崗位的質(zhì)量信息、人員信息、時間信息等形成了完整數(shù)據(jù)鏈，通過RFID芯片、二維碼、NFC功能進(jìn)行信息調(diào)用、更新及存儲[3]。

智能化生產(chǎn)管理平臺的管理模式是數(shù)據(jù)通過自動分析和歸類，主要包含人員管理、技術(shù)管理、生產(chǎn)計劃管理、質(zhì)量管理、工程管理、安全管理、物料管理等，形成各類管理信息平臺看板信息，以便于管理人員隨時掌握現(xiàn)場的生產(chǎn)信息，并隨時發(fā)布生產(chǎn)指令。

在信息互通和展示方面，智能化生產(chǎn)管理平臺通過控制中心展示大屏，和工序關(guān)鍵位置展示屏，隨時更新生產(chǎn)工藝動態(tài)，為施工生產(chǎn)提供及時的生產(chǎn)信息，保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

在實現(xiàn)管片質(zhì)量追溯的功能時，可采用RFID芯片、二維碼等技術(shù)手段。管片生產(chǎn)從原材料進(jìn)場、鋼筋加工、灌注前檢驗、成品中實現(xiàn)了信息互通和流程控制，最終的生產(chǎn)信息反映到管片芯片上，可以由手機(jī)隨時查閱管片生產(chǎn)信息。

5 結(jié)語

管片生產(chǎn)創(chuàng)新的方法：（1）依靠智能化工業(yè)設(shè)備實現(xiàn)生產(chǎn)操作，減少人為因素；（2）是依靠智能控制系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)工業(yè)設(shè)備的控制和管理；（3）依靠智能信息控制程序?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)工藝流程的管理、信息反饋、質(zhì)量追溯。

未來的智能化生產(chǎn)階段會采用人工智能控制生產(chǎn)線，它是通過機(jī)器學(xué)習(xí)形成各工序的專用人工智能精確管理每一個工藝工序，并利用全局人工智能協(xié)調(diào)各個工序模塊、總體控制與管理。企業(yè)應(yīng)當(dāng)提前進(jìn)行智能化布局，開展人工智能、智能建造等相關(guān)業(yè)務(wù)的研發(fā)。