面向橋梁工業(yè)化的智慧梁場云平臺及應用

摘要：隨著橋梁工業(yè)化水平不斷提升，梁場管理過程中逐漸呈現出預制梁“制存運架”協(xié)同困難、制梁計劃與排產復雜、存梁找梁困難、架梁安全風險高等管理難題。因此，以新一代信息技術為基礎，圍繞預制梁“制存運架”全過程，打造具有生產智能化、管理數字化、決策智慧化特征的智慧梁場云平臺，實現基于BIM的梁場虛擬建造施工模擬、梁場“制存運架”全流程數字化管理及面向梁場生產對象的數字孿生應用，進而重塑預制梁生產建造模式，實現梁場生產過程的提質增效。

關鍵詞：橋梁工業(yè)化；智慧梁場云平臺；虛擬建造；智能生產；數字孿生

0引言

推進橋梁工業(yè)化、數字化、綠色化建設是建筑產業(yè)高質量發(fā)展的內在要求[1]。橋梁工程作為重要的交通基礎設施工程，其建造方式在數字技術賦能背景下正經歷重大轉型，由傳統(tǒng)工程項目向生產工業(yè)產品的理念轉變，進而推動構建現代橋梁產業(yè)體系[2]。然而，橋梁工業(yè)化建造轉型過程中，仍面臨工業(yè)化建造技術尚未普及、數字化建造水平發(fā)展尚淺、智能化建造模式仍在探索等多重阻礙[3]，尤其橋梁建造階段尚未系統(tǒng)地建立適應工業(yè)化特征的橋梁部件生產組織方式，缺乏完整的橋梁產品化體系。因此，亟待開展橋梁工業(yè)化智能建造技術研發(fā)與實踐，以進一步提高我國橋梁建設水平。

預制梁作為橋梁工業(yè)化的重要方向之一，其具備施工質量高、建設速度快、建材損耗少、精確易控制、交通干擾小的特點，已被廣泛應用于各類公路、鐵路橋梁建設中[4]。預制梁場作為預制梁建設的關鍵保障性工程，在橋梁預制過程中發(fā)揮著巨大的作用[5]。然而，隨著預制梁場的建設規(guī)模不斷擴大、生產周期不斷加快，預制梁管理存在制梁計劃與排產復雜、存梁找梁困難、架梁安全風險高等施工管理痛點[6]。針對當前預制梁施工面臨的問題，國內外不少學者利用新一代信息技術進行了相應研究。張迎松等[7]將BIM信息化技術運用到預制梁場中，實現梁場生產過程可視化、施工流程標準化、業(yè)務管理數字化。馬世俊[8]通過物聯(lián)網傳感技術匯聚梁場生產管理數據，構建數字梁場信息化管理平臺，為梁場管理和決策提供依據。付旭等[9]基于數字孿生技術連接真實梁場和數字梁場，以三維場景可視化的方式實時映射實際生產情況，輔助管理人員了解現場施工情況。但是，目前各個信息化系統(tǒng)存在實際生產工序判別難、“制存運架”全過程未貫通等問題，造成項目管理人員在使用過程中面臨線上線下“兩層皮”困境。如何實現對預制梁場建造過程的全方位管理，真正賦能智慧梁場建設，成為關鍵所在。

因此，以預制梁場業(yè)務邏輯為基礎，研發(fā)基于BIM的梁場虛擬建造施工模擬、梁場“制存運架”全流程數字化管理、面向梁場生產對象的數字孿生應用等關鍵技術，建立面向橋梁工業(yè)化的智慧梁場云平臺，并通過某智慧梁場應用案例進行驗證，實現預制梁場生產智能化、管理數字化和決策智慧化。

1智慧梁場概念內涵

智慧梁場指通過運用BIM、數字孿生、大數據、物聯(lián)網等新一代信息技術，圍繞預制梁“制存運架”全過程，打造智慧梁場云平臺，并圍繞梁場虛擬建造、智能生產、數字孿生建立三維數字工廠，實現數據驅動下智慧梁場規(guī)劃設計、施工動態(tài)管理的一體化協(xié)同，進而促進工程價值鏈提升和產業(yè)變革。

1.1梁場虛擬建造

梁場虛擬建造主要面向梁場規(guī)劃設計階段，圍繞梁場布局優(yōu)化、BIM模型快速編碼、計劃智能生成，進行事前模擬。

通過對梁場布局進行優(yōu)化，指導梁場規(guī)劃設計做出適應性調整和優(yōu)化；通過對BIM模型進行在線快速編碼，保障預制梁不同層級下的構件編碼唯一性；根據架梁順序、存梁能力、砼齡期生成施工前的總計劃及周期計劃，并結合企業(yè)資源庫，輸出相應的物資需求計劃。

1.2梁場智能生產

梁場智能生產主要面向預制梁“制存運架”施工過程，圍繞項目智慧物聯(lián)、制梁智能排產、存取梁智能推薦、運梁智能調度、架梁智能預警、廠場聯(lián)動，進行生產管理過程動態(tài)優(yōu)化，輔助項目生產管理人員進行數字化管理。

通過現場布設的智能設備及工藝裝備，實現各類生產數據的實時感知；通過制梁智能排產，自動推薦最優(yōu)生產節(jié)奏，確保梁段預制高效、如期進行；通過存取梁智能推薦，自動推薦最優(yōu)存梁位置，并結合可視化方式輔助管理人員現場快速找梁；通過運梁智能調度，根據項目現場的架設需求制訂發(fā)運計劃，并進行智能調度，提高運輸工具的使用效率；通過架梁智能預警，實現架設安全監(jiān)控監(jiān)測及進度數據自動獲取；通過預制廠與施工現場實際進度數據，推算前后場進度差值，優(yōu)化制梁計劃或現場生產計劃，實現前后場進度的動態(tài)更新、匹配、優(yōu)化，保障現場架設按計劃節(jié)點進行。

1.3梁場數字孿生

梁場數字孿生主要面向梁場生產過程，通過Web圖形引擎、BIM、GIS等技術，實現真實梁場與虛擬梁場的孿生映射，以可視化方式展示制梁、存梁、運梁及架梁的實施情況，輔助項目管理人員進行決策。

2智慧梁場云平臺體系架構

2.1系統(tǒng)架構

智慧梁場云平臺以新一代信息技術為手段，以業(yè)務數據為基礎，以梁場設計、“制存運架”業(yè)務為導向，開展虛擬建造、智能生產、數字孿生等服務。該平臺架構主要由技術層、數據層、業(yè)務層、服務層、展示層和用戶層構成，圍繞預制梁場“設計-制梁-存梁-運梁-架梁”業(yè)務環(huán)節(jié)，自下而上層層遞進，打通梁場施工數據、服務、用戶各個層級，智慧梁場云平臺系統(tǒng)架構如圖1所示。

（1）技術層。技術層為智慧梁場云平臺系統(tǒng)的能力支撐，通過運用云計算、大數據、移動互聯(lián)網、物聯(lián)網、啟發(fā)式算法、三維引擎新一代信息技術，為智慧梁場云平臺提供數據采集、數據傳輸、數據存儲、數據分析的基礎共性能力，保障系統(tǒng)能穩(wěn)定安全運行。

（2）數據層。數據層為智慧梁場云平臺系統(tǒng)的數據支撐，主要包括預制梁場全生產過程所涉及的進度、安全、質量、人員、機械、物料、工藝工法、環(huán)境數據，為智慧梁場平臺的運行提供數據支撐服務。其中，數據采集方式有基礎數據錄入配置、傳感器數據對接、設備升級改造等。

（3）業(yè)務層。業(yè)務層為智慧梁場云平臺系統(tǒng)的業(yè)務支撐，圍繞預制梁場的設計、制梁、存梁、運梁、架梁關鍵業(yè)務階段，貫通智慧梁場全流程階段，打通整個平臺的數據流和信息流，為智慧梁場平臺提供業(yè)務邏輯。

（4）服務層。服務層面向智慧梁場云平臺系統(tǒng)提供應用服務，主要包括虛擬建造子系統(tǒng)、智能生產子系統(tǒng)、數字孿生子系統(tǒng)，其中，虛擬建造子系統(tǒng)主要是針對梁場設計階段的事前模擬，智能生產子系統(tǒng)主要是圍繞“制存運架”生產過程的動態(tài)管控，數字孿生子系統(tǒng)主要是將現實梁場生產情況實時映射在虛擬梁場中，進而輔助施工建造過程智能決策及管控。

（5）展示層。展示層為智慧梁場云平臺系統(tǒng)提供展示窗口，充分考慮各類用戶的操作需求，可支持PC端、移動端、本地端、消息推送應用方式，提高系統(tǒng)的便捷性與可操作性。

（6）用戶層。用戶層為智慧梁場云平臺系統(tǒng)的使用對象，主要包括項目級和企業(yè)級用戶，其中，項目級用戶主要面向梁場管理人員和生產人員，實現對項目生產數據的綜合管理；企業(yè)級用戶主要面向企業(yè)管理人員，實現對企業(yè)多個梁場項目的統(tǒng)籌管理。

2.2功能設計

智慧梁場云平臺圍繞梁場設計、制梁、存梁、運梁、架梁全階段，主要包括虛擬建造、智能生產、數字孿生三大子系統(tǒng)。其中，虛擬建造子系統(tǒng)具備梁場布局優(yōu)化、梁場信息模型快速賦碼、生產計劃編排三大功能模塊；智能生產子系統(tǒng)具備智慧物聯(lián)、制梁智能排產、存梁智能推薦、運梁智能調度、架梁智能預警、廠場聯(lián)動六大功能模塊；數字孿生子系統(tǒng)包括可視化實時管控、遠程集中控制、生產進度預測、生產資源優(yōu)化四大功能模塊，智慧梁場云平臺功能設計如圖2所示。

2.2.1虛擬建造子系統(tǒng)

（1）梁場布局優(yōu)化模塊。該模塊首先根據實際設備尺寸及場地范圍布局梁場各作業(yè)單元的邊界條件；其次建立物料轉運成本最小、場地利用率最大的兩大目標函數；最后基于上述目標函數及邊界條件編寫遺傳算法、模擬退火等優(yōu)化算法，求解最優(yōu)布局，調整梁場產線布設及轉運路線，實現產線生產效能提升。

（2）模型快速編碼模塊。該模塊將梁段構件按橋、聯(lián)、跨、梁維度細分，建立一套編碼規(guī)則，并將BIM模型上傳至智能生產子系統(tǒng)，利用在線快速編碼，實現面向多業(yè)務場景結構分解需求的預制梁生產信息模型，保證梁段構件在全生命周期的編碼唯一性。

（3）生產計劃編排模塊。通過虛擬建造進行生產模擬，以預制梁為管理對象，以橋梁及架設工作面為控制節(jié)點，結合架設順序倒排每跨節(jié)點，根據架梁順序、存梁能力、砼齡期生成總計劃及自定義周期（年、月、周）計劃，并結合企業(yè)資源庫，輸出生產計劃對應的物資需求計劃。

2.2.2智能生產子系統(tǒng)

（1）智慧物聯(lián)模塊。智慧梁場生產涉及的工藝裝備包括龍門吊、流水臺座、混凝土澆筑設備、蒸養(yǎng)設備、張拉壓漿、橫移小車等；智能設備包括龍門吊、運梁工具、架橋機監(jiān)測、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、AI視頻識別等，采用物聯(lián)網、移動互聯(lián)網、大數據等現代信息技術，串聯(lián)預制梁場智能設備與工藝裝備，實現梁場生產過程的全域感知、數據互通。

（2）制梁應用模塊。以預制工序為對象，通過架設計劃推算預制計劃，進而按照時間、生產線、資源維度進行生產智能排產，并以可視化圖表的形式直觀展示預制生產總體數據。

（3）存梁應用模塊。主要包括存梁最優(yōu)推薦、智能調梁推薦、智能取梁推薦功能，可結合預制梁架設時間，以存梁臺座、出梁順序為判斷條件，自動尋找最優(yōu)存梁位置；并通過模型可視化方式，快速定位梁板存儲位置，輔助管理人員現場快速找梁。

（4）運梁應用模塊。主要包括運輸路線配置、運輸計劃管理、運輸智能調度、運梁看板等功能，實現依據項目現場的架設需求制定發(fā)運計劃，同時對運輸過程中的車輛實時監(jiān)控。

（5）架梁應用模塊。主要包括架設工序配置、架橋機監(jiān)測（行程傳感器、視頻監(jiān)控、風速儀、紅外限位等）、架設智能預警、架設看板功能，實現架設安全監(jiān)控監(jiān)測及進度數據自動獲取，并通過三維可視化方式實時展示架設作業(yè)情況。

（6）廠場聯(lián)動模塊。主要包括架設節(jié)點分解、部位關聯(lián)、施工進度預測、節(jié)點延期預警功能，根據預制廠與施工現場實際進度數據，推算前后場進度差值，優(yōu)化制梁計劃或現場生產計劃，實現前后場進度的動態(tài)更新、匹配、優(yōu)化，保障現場架設按計劃節(jié)點進行。

2.2.3數字孿生子系統(tǒng)

數字孿生子系統(tǒng)（圖3）以梁場物理實體、梁場虛擬模型為基礎，利用智能生產子系統(tǒng)匯聚梁場實際運行數據、虛擬模型仿真數據，并進行相應分析，進而實現梁場可視化實時管控、遠程集中控制、生產進度預測、生產資源優(yōu)化等應用模塊。

（1）可視化實時管控模塊。即以虛映實。數字孿生子系統(tǒng)將真實梁場與虛擬梁場進行孿生映射，準確展示制梁、存梁、運梁及架梁的實施情況，實現梁場可視化實時管控。

（2）遠程集中控制模塊。即以虛控實。數字孿生子系統(tǒng)針對智慧梁場關鍵設備進行控制改造，實現工序判別與監(jiān)測，以工序驅動為核心實時更新任務池，對于設備執(zhí)行類任務則通過物聯(lián)網平臺下發(fā)執(zhí)行指令，從而實現設備參數判別工序、工序驅動設備任務的智能集群協(xié)同控制技術，并在此技術應用的同時，加入硬件層及算法層避障手段、緊急停止安全機制，形成多維度的安全保障方案。

（3）生產進度預測模塊。即以虛預實。即以預制梁各工序為管理對象，按照時間、生產線、資源維度確定各工序關聯(lián)關系，進而預測每一榀梁的每一道工序施工進度，實現梁場整體生產進度可控。

（4）生產資源優(yōu)化模塊。即以虛優(yōu)實。運用智能排程、存取梁智能分配、多目標資源優(yōu)化調度等智能優(yōu)化算法，針對梁場生產過程中的關鍵資源、對象、活動提供智能輔助決策，實現資源、進度及質量安全的協(xié)同化管理。

2.3關鍵技術

2.3.1基于BIM的梁場虛擬建造施工模擬技術

面向梁場設計階段，圍繞梁場布局優(yōu)化、BIM模型快速編碼、計劃智能生成進行虛擬建造施工模擬。研發(fā)基于元啟發(fā)算法的梁場布局多目標優(yōu)化技術，實現梁場的場地布局最優(yōu)；研發(fā)基于梁場BIM的在線快速編碼技術，實現模型構件編碼的唯一性；研發(fā)基于架設工作面的生產計劃智能推算，實現梁場生產計劃與物資計劃自動生成。

2.3.2梁場“制存運架”全流程數字化管理技術

面向預制梁“制存運架”施工過程，圍繞制梁智能排產、存取梁智能推薦、運梁智能調度、架梁智能預警進行生產管理過程動態(tài)優(yōu)化。研發(fā)基于實時工序采集的生產智能排產算法，自動推薦最優(yōu)生產節(jié)奏，確保梁段預制高效進行；研發(fā)基于空間布局搜索的存取梁智能推薦，輔助管理人員現場快速存梁、找梁；研發(fā)基于架設需求的多運輸工具優(yōu)化調度算法，提高運輸工具的使用效率；研發(fā)基于架橋機實時監(jiān)測數據的智能預警算法，保障架設安全及進度數據自動獲取。

2.3.3面向梁場生產對象的數字孿生應用

面向梁場全生產對象，以梁場物理實體和虛擬模型為基礎，以梁場實際運行數據和虛擬模型仿真數據為驅動，以智能生產子系統(tǒng)為載體，研究集梁場可視化實時管控、遠程集中控制、生產進度預測、生產資源優(yōu)化功能為一體的數字孿生子系統(tǒng)，實現梁場以虛映實、以虛控實、以虛預實、以虛優(yōu)實。

3智慧梁場應用案例

3.1項目概況

以某智慧梁場項目為例，該梁場需預制1008榀40mT梁，梁場占地約4.4萬m2，其中40mT梁生產有8個功能區(qū)，分別為：鋼筋加工區(qū)、鋼筋綁扎區(qū)、橫移擺渡區(qū)、混凝土澆筑區(qū)、蒸養(yǎng)區(qū)、張拉壓漿區(qū)、轉運區(qū)、存梁區(qū)，配備4條智能化流水生產線，包含16個移動臺座、4套智能液壓模板、2套智能布料系統(tǒng)、4套智能振搗系統(tǒng)、1套智能高溫蒸養(yǎng)系統(tǒng)和1套智能張拉壓漿等智慧化設備，設計產能為4榀/d。某智慧梁場平面布置圖如圖4所示。

3.2功能實現

3.2.1模型快速賦碼

通過將梁場、橋梁BIM模型上傳至智能生產子系統(tǒng)并輕量化，依次選擇結構編碼與對應構件模型，進而實現平臺在線編碼；同時，平臺可按流水自動選擇結構編碼，實現快速點擊構件模型直接賦碼，提高模型編碼效率。模型快速編碼如圖5所示。

3.2.2計劃智能推算

以預制梁為管理對象，對橋梁及架設工作面控制節(jié)點，結合架設順序倒排每跨節(jié)點，支持自動生成計劃與用戶自定義周期計劃，并根據實際生產工效、可用存梁數量等參數進行合理化校驗。計劃智能推算如圖6所示。

3.2.3制梁中心看板

通過對梁廠預制總體進度、產值進行統(tǒng)計分析，實時查看預制生產情況、生產進度信息、生產資源信息、臺座應用信息、質量管理信息，以網頁或客戶端形式匯總展示，提高信息獲取效率，提升科學管理水平。制梁中心看板如圖7所示。

3.2.4存梁智能推薦

針對預制梁存取梁情況，結合預制梁出運時間，以較少壓梁、倒梁，提升倉儲效率為目標，構建多因子組合優(yōu)化算法，根據實時存梁信息，推薦最優(yōu)存取梁方案，并結合模型進行可視化展示。存梁智能推薦如圖8所示。

3.2.5運梁智能調度

通過互聯(lián)網、物聯(lián)網和北斗等技術手段的綜合應用，結合梁段重量，按照發(fā)運計劃與運輸地點要求，進行運梁智能調度，減少各環(huán)節(jié)等待時間，提高運輸效率。同時，對預制構件從生產廠區(qū)出庫后的發(fā)運過程進行信息化管理，通過運梁中心看板實現運梁工具智能分配、定位跟蹤、軌跡實時顯示等。運梁智能調度如圖9所示。

3.2.6廠場聯(lián)動

根據總體工期節(jié)點倒排各聯(lián)跨梁段架設最晚日期，將此作為進度紅線，檢查、控制梁段“制存運架”各階段節(jié)點，確保不會因為梁段生產影響總體進度；同時，獲取施工現場實際進度情況，結合不同構件施工周期，包括現場實際架設進度，實時動態(tài)推算后續(xù)各聯(lián)跨最早可架設日期；系統(tǒng)利用預制廠與施工現場實際進度數據，按照設定策略進行動態(tài)匹配、優(yōu)化，真正做到“廠場聯(lián)動”，實現資源合理利用，確?？傮w工期可控。廠場聯(lián)動如圖10所示。

3.2.7數字孿生

按照面向對象的設計思路，將梁場所有對象分為梁板、場景、工裝設備、配送中心，并結合各類型對象設置相應屬性，在此基礎上，按照項目總體介紹、智慧化決策、信息化管理、工業(yè)化生產4個維度，實現梁場可視化實時管控、遠程集中控制、生產進度預測、生產資源優(yōu)化。數字孿生如圖11所示。

3.3應用效果

截至2023年12月，智慧梁場云平臺已經在某智慧梁場項目上線運行，系統(tǒng)累計采集預制梁192榀、架設梁104榀信息數據，其中，虛擬建造子系統(tǒng)為預制梁場規(guī)劃布局優(yōu)化、BIM在線快速編碼、生產計劃智能推算與物資計劃自動生成提供了一定的參考；智能生產子系統(tǒng)通過智能排產、存梁推薦、運梁調度等應用，提高了梁場生產人員管理效率的10%，并研究了16個移動臺座工序自動采集設備與5臺龍門吊設備遠程集中控制系統(tǒng)，縮短了現場數據記錄時間，減少了設備操作人員1人；數字孿生子系統(tǒng)以三維場景可視化的方式實時動態(tài)反映梁場實際生產情況，便于項目管理人員掌握梁場實時生產情況，輔助梁場施工決策，提升項目管理水平。

4結語

通過深入研究面向橋梁工業(yè)化的智慧梁場云平臺體系架構及應用，進而提升預制梁場設計、“制存運架”生產一體化管理水平，主要研究內容如下：

（1）研究了基于BIM的梁場虛擬建造施工模擬技術，實現了梁場場地布局優(yōu)化、BIM模型在線快速編碼、生產計劃智能推算與物資計劃自動生成。

（2）研發(fā)了一套梁場“制存運架”全流程管控智能生產系統(tǒng)，實現了關鍵設備智慧物聯(lián)、制梁智能排產、存梁智能推薦、運梁智能調度、架梁智能預警、預制廠和架設現場廠場聯(lián)動，提升了項目管理科學水平。

（3）總結了一系列智慧梁場數字孿生系統(tǒng)應用經驗，實現了梁場可視化實時管控、遠程集中控制、生產進度預測、生產資源優(yōu)化，輔助項目管理人員進行決策。

在未來工作中，將進一步深化智慧梁場云平臺應用框架，建立智慧梁場建設標準，總結數字化管理理念與方法，提升智能優(yōu)化算法自適應性。

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收稿日期：2024-01-08

作者簡介：

趙璐（1980—），女，正高級工程師，博士，研究方向：數字建造研究與實踐。

朱崢?。?989—），男，工程師，研究方向：智慧梁場。

程利力（通信作者）（1997—），男，工程師，研究方向：智慧梁場。