智能化技術在鐵路梁預制生產(chǎn)中的應用

摘要 為探索鐵路預制梁的智能化技術應用，文章以滬通Ⅱ期站前5標預制箱梁與T梁工程為依托，對鐵路預制梁的智能化技術進行了研究。首先，分析了鐵路預制梁生產(chǎn)過程中的信息化技術、自動化生產(chǎn)裝備與智能化管控系統(tǒng)；然后，結(jié)合高橋梁場的布局和生產(chǎn)要求研究總結(jié)了鐵路梁預制生產(chǎn)過程中應用的信息化管理技術，以及自動化設備的投入及使用效果。結(jié)果表明，通過智能控制噴淋、智能張拉、智能靜載控制系統(tǒng)的應用，提高了質(zhì)量控制的效果，升級了預制梁體的品質(zhì)。

關鍵詞 鐵路預制梁；預制生產(chǎn)；智能化；技術應用

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0094-03

0 引言

工業(yè)化、智能化建造已經(jīng)成為橋梁工程發(fā)展的主要方向。近年來，諸多學者對預制梁的工業(yè)化、智能化技術開展了一定的研究與實踐，主要研究集中在智慧化梁場的建造技術，包括智能化預制梁場的功能區(qū)布置與優(yōu)化、智慧箱梁的設備選型與布置等。柳兵[1]對智能化梁場的箱梁預制施工工藝有相關研究，分析了智能化梁場的主要設備與關鍵工藝，并對比了智能化梁場的生產(chǎn)優(yōu)勢，表明智能化梁場預制在效率和質(zhì)量上具有顯著優(yōu)勢。

肖春名[2]針對信息化管理在預制生產(chǎn)中的應用進行了研究，將移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術應用在混凝土梁的工業(yè)化生產(chǎn)管理中，通過數(shù)字化梁場建設與信息化技術的應用，基本實現(xiàn)了預制施工過程中工、機、料及質(zhì)量檢測等關鍵管理信息的收集與管理。

現(xiàn)有研究中對預制梁場智能化施工技術的研究，主要集中在公路預制小箱梁、預制T梁橋等，而針對尺寸較大的鐵路箱梁智能化預制生產(chǎn)技術的研究較少。為了進一步探索鐵路預制梁在工業(yè)化生產(chǎn)過程中的智能化施工與管理技術，以上海至南通鐵路太倉至四團段站前5標的混凝土梁預制為依托開展相關研究。

1 工程概述

1.1 工程總體概況

依托工程新建上海至南通鐵路太倉至四團段站前5標，對應的工程范圍為DK155+608.15～DK163+682.95，以及高橋嘴、洲海路、人民塘等三條外港區(qū)支線，路線里程共計為24.01 km，地理位置處于上海市浦東新區(qū)高橋鎮(zhèn)、高東鎮(zhèn)境內(nèi)。為了提高預制混凝土梁的施工效率和施工質(zhì)量，項目采用集中預制生產(chǎn)，標段內(nèi)覆蓋的預制混凝土梁形式包括31.5 m雙線預應力混凝土箱梁113榀、23.5 m雙線預應力混凝土箱梁9榀、31.5 m單線預應力混凝土箱梁105榀、23.5 m單線預應力混凝土箱梁12榀，32 m預制混凝土T梁408榀、24 m預制混凝土T梁136榀，共計預制梁783榀，對應的混凝土工程量為801.78萬立方米。

1.2 梁場總體布置

為了高效地完成預應力混凝土箱梁和T梁的預制，在梁場建設過程按照智能化多梁型梁場的原則進行建設，因地制宜地選擇在高橋站貨場用地內(nèi)。按照地形特點，將規(guī)則區(qū)域用于預制梁生產(chǎn)，非規(guī)則區(qū)域作為場內(nèi)辦公與管理區(qū)域。建成后的梁場總體布置圖如圖1所示，分為預制生產(chǎn)區(qū)、鋼筋加工區(qū)、存梁區(qū)、辦公試驗區(qū)等主要功能區(qū)域。

高橋制梁場圍繞信息化、自動化、智能化等方面進行制梁場的建設，在滿足建設方信息化管理要求的同時，對項目實施過程中的生產(chǎn)要素進行管控，以降低成本、提高工效、提升生產(chǎn)質(zhì)量。

1.3 梁場產(chǎn)能概況

根據(jù)生產(chǎn)需要，在該項目的預制梁場內(nèi)布置2個雙線箱梁預制臺座、2個單線箱梁預制臺座、4個T梁預制臺座。存梁區(qū)內(nèi)設置14個雙線箱梁存梁臺座、40個單線箱梁存梁臺座，箱梁均采用雙層存梁方案，其中單線箱梁存梁臺座兼做T梁存梁區(qū)，另設80個單層T梁存梁臺座。預制生產(chǎn)計劃如表1所示：

2 信息化技術在梁場管理中的應用

信息化管理是智能化梁場管理的關鍵手段，可以實現(xiàn)信息的快速、完整收集與傳遞，能夠確保信息的準確和及時管理，同時也能實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的挖掘，為生產(chǎn)要素管理提供服務。高橋梁場預制生產(chǎn)過程中，在拌和站、試驗室、梁體生產(chǎn)管控過程、場內(nèi)監(jiān)測等方面均采用了信息化管理技術。

2.1 拌和站與試驗室一體化信息管理

混凝土的生產(chǎn)是工程建造質(zhì)量控制的源頭，一旦控制不佳易引發(fā)各種開裂、孔洞、夾渣、疏松，嚴重影響混凝土的耐久性能及美觀性。為了提高混凝土拌和質(zhì)量，對混凝土拌和站與試驗室進行一體化信息管理。該系統(tǒng)具備生產(chǎn)狀態(tài)顯示、生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析預警等功能。

每盤混凝土的生產(chǎn)數(shù)據(jù)均包括運用部位、標號、出料時間、方量、配合比及拌制過程中的報警與處理情況等。生產(chǎn)數(shù)據(jù)的控制系統(tǒng)還可對誤差的情況進行統(tǒng)計分析，對每個階段的生產(chǎn)穩(wěn)定性進行評價，所有信息均可溯。將拌和站的數(shù)據(jù)與實驗室數(shù)據(jù)進行聯(lián)動，融合混凝土平直控制系統(tǒng)而建立的分析預警機制，可通過系統(tǒng)內(nèi)置的分析模塊，對混凝土質(zhì)量情況進行識別，并及時預警以便調(diào)整。

2.2 梁體生產(chǎn)ID管理

利用二維碼作為梁體的身份ID，在兩條脫模后，在每個梁體上噴涂二維識別碼。通過識別碼標識后建立終身ID，可在系統(tǒng)中自動關聯(lián)前期混凝土工程、鋼筋工程的原材料及施工信息，并對后期的混凝土養(yǎng)生信息、檢測信息等進行及時更新，實現(xiàn)對每榀預制梁體所有生產(chǎn)信息的管理，包含編號、位置、尺寸、材料、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)了全面的信息化管理。

2.3 全景視頻監(jiān)測

充分利用信息化手段，對橋梁場景施工全過程進行全過程檢測，在廠區(qū)內(nèi)的主要生產(chǎn)區(qū)域，如預制區(qū)、鋼筋加工區(qū)、料倉、拌和站等區(qū)域進行全景視頻檢測，并在檢測軟件中植入智能識別與判別功能，在視頻檢測位置配備揚聲器，可在識別到安全風險時自動進行播報提醒，提高了廠區(qū)生產(chǎn)的安全管控能力。

3 自動化生產(chǎn)設備的投入與應用

自動化生產(chǎn)設備是智慧梁場的重要組成部分，高橋梁場內(nèi)投入的自動化生產(chǎn)設備主要包括自動化鋼筋加工設備、自動化液壓模板系統(tǒng)及自動化預應力穿束設備等。通過自動化設備的應用，提高了梁體的預制施工效率。

3.1 自動化鋼筋加工設備使用

該項目梁場內(nèi)的鋼筋加工基本由自動化設備完成，主要設備包括數(shù)控剪切機、數(shù)控彎箍機、數(shù)控鋼筋調(diào)直切斷彎曲一體機、數(shù)控調(diào)直切斷機，以及大型數(shù)控彎曲中心等。

數(shù)控自動加工設備的應用具有以下優(yōu)點：（1）配置多機頭、多功能彎曲機，可進行組合使用，一次性彎曲多根、多種型式鋼筋，速度和效率是普通鋼筋彎曲中心的3倍。（2）數(shù)控化電腦操控界面，具備圖形數(shù)據(jù)庫，使其操作管理更加人性化。（3）加工過程一次成形，彎曲精度高，自動上料，自動擺放整齊，鋼筋加工實現(xiàn)流水線自動作業(yè)。

調(diào)直切割機器主要應用在牽引機的送進過程中，通過內(nèi)、外調(diào)直機將盤條鋼筋進行矯直，然后由彎曲機根據(jù)設定的程序進行角度彎折，經(jīng)過單點折彎后形成所需要的形狀后切斷，避免材料浪費，具有彎曲鋼筋速度快、耗能低、加工精度高等特點。

3.2 自動化液壓模板系統(tǒng)使用

由于鐵路梁體自重相對較大，因此在預制過程中采用固定臺座預制系統(tǒng)進行梁體預制，為了提高模板系統(tǒng)的操作效率和安裝精度配備了自動化液壓模板系統(tǒng)。梁體側(cè)模、內(nèi)模、端模板等的使用也通過系統(tǒng)進行控制，側(cè)模通過液壓系統(tǒng)實現(xiàn)側(cè)移、精調(diào)，利用控制系統(tǒng)內(nèi)輸入的預調(diào)程序進行一鍵控制；內(nèi)模系統(tǒng)采用自動行走體系進行控制，內(nèi)模自動收縮后采用行走系統(tǒng)直接將模板移除梁體，與傳統(tǒng)內(nèi)模拆除系統(tǒng)相比，避免了卷揚、起重等機械設備的投入，極大地減少了操作人員的同時，避免了對梁體的磕碰損傷。

梁體的端模板采用液壓控制自拆卸系統(tǒng)，在端模板上增加反力板，并在反力板和端模板之間設置液壓千斤頂。通過液壓系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)的配合，實現(xiàn)端模板的自動調(diào)整。單個端模設置4臺成套液壓裝置，利用同一個控制系統(tǒng)進行控制。根據(jù)試驗結(jié)果確定4臺千斤頂?shù)囊莆豁樞蚝退俾?，并設置在控制器內(nèi)，實現(xiàn)自動操作，這種操作方式能在提升效率的同時，使模板與混凝土面緩慢均勻脫離，避免模板變形過大及脫模過程對梁體的損傷。

3.3 自動化預應力穿束設備

鋼絞線穿束安裝是預應力混凝土梁體施工的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)預應力鋼絞線施工采用人工操作的方式逐根穿入鋼絞線，施工效率不高，且鋼絞線已出現(xiàn)打攪線形，施工難度較大。該梁場配備了自動穿束臺車進行梁體預應力的穿束施工。在混凝土澆筑過程中，在預應力管道內(nèi)設置橡膠棒進行支撐，避免管道出現(xiàn)過大變形。在梁體養(yǎng)生完成后，利用臺車快速完成整束襯棒的抽拔，且襯棒的直徑可較人工施工的選擇性更大，能進一步提高效率。

襯棒抽拔后，將整束鋼絞線的前端利用錐形穿束帽進行臨時固定，再利用機器推送鋼絞線完成穿束。這種穿束工藝能夠避免鋼絞線在穿束過程中出現(xiàn)打攪，有效地保證了鋼絞線在穿束過程中同步、平順地完成鋼束的安裝?，F(xiàn)場實施效果表明，這種自動化穿束設備較傳統(tǒng)穿束工藝提高效率約70%。

4 智能化管控技術的開發(fā)與應用

在高橋梁場預制生產(chǎn)中，采用了智能控制噴淋養(yǎng)生系統(tǒng)、智能張拉控制系統(tǒng)和智能靜載試驗控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了預制生產(chǎn)關鍵環(huán)節(jié)的智能控制。

4.1智能控制噴淋養(yǎng)生系統(tǒng)

養(yǎng)生是混凝土梁預制的關鍵環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)噴淋養(yǎng)生多采用人工操作的噴淋方式進行，易出現(xiàn)養(yǎng)生效果不佳及水資源浪費的情況。為了提高養(yǎng)生效率、節(jié)約養(yǎng)生資源，梁場配備了智能控制噴淋養(yǎng)生系統(tǒng)，通過智能控制系統(tǒng)控制噴淋系統(tǒng)的供水與壓力調(diào)整，實現(xiàn)對梁體噴淋的自動控制。

智能噴淋養(yǎng)生系統(tǒng)配置在梁體的養(yǎng)生區(qū)，系統(tǒng)配備供水系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)及濕度監(jiān)測系統(tǒng)。通過在梁體表面布置的濕度傳感器，實時感知梁體周邊環(huán)境的空氣濕度。濕度傳感器數(shù)據(jù)接入控制系統(tǒng)后，根據(jù)監(jiān)測到的濕度情況，自動調(diào)整噴淋的供水和壓力調(diào)整，確保梁體周邊的空氣濕度適中、處于可控范圍。

智能控制系統(tǒng)集成多梁位的智能控制，將每個養(yǎng)梁位的濕度監(jiān)測信號計入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)內(nèi)含控制器，以控制噴淋開關閥與溢流閥等工位處閥體。根據(jù)每個梁位的控制數(shù)據(jù)和系統(tǒng)分析結(jié)果進行自動控制。多梁位多通道的單獨控制，能夠有效地提高養(yǎng)生效率，減少資源浪費。

4.2 智能張拉控制系統(tǒng)

智能張拉控制系統(tǒng)是提高混凝土梁預應力施工的關鍵，廣泛應用在混凝土橋梁工程中。智能張拉利用智能控制系統(tǒng)感知預應力鋼絞線在張拉過程中的控制張拉力、鋼絞線的引申量、壓漿壓力、壓漿用量總量等數(shù)據(jù)，并自動調(diào)整張拉力、張拉速度及壓漿力等參數(shù)，實現(xiàn)預應力的智能施工。智能張拉控制系統(tǒng)在張拉精度及穩(wěn)定性上均能得到有效保障。

智能張拉控制系統(tǒng)的參數(shù)根據(jù)《鐵路橋涵施工技術規(guī)范》及設計文件的要求進行設置，實現(xiàn)“一鍵張拉”的智能控制。同時，系統(tǒng)將每根鋼絞線的張拉數(shù)據(jù)自動傳輸至數(shù)據(jù)庫，所有預應力施工數(shù)據(jù)均可追溯，并根據(jù)施工過程中的相關數(shù)據(jù)設置預警分析功能，在施工過程中出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時及時進行預警。

4.3 智能靜載試驗控制系統(tǒng)

為了檢驗梁體的預制質(zhì)量，梁場內(nèi)設置試驗臺座，對預制梁體進行靜載試驗。高橋梁場配備了智能靜載試驗控制系統(tǒng)，主要由主控系統(tǒng)、加載裝置、測力裝置、變形監(jiān)測裝置、應變測試裝置等組成。其中，主控裝置是控制中心，實現(xiàn)加載的全自動控制，以及試驗數(shù)據(jù)的檢測、保存和上傳，并進行試驗結(jié)果的預測和判斷。

加載執(zhí)行裝置由集中式液壓泵站、分控柜和千斤頂組成，根據(jù)控制指令實現(xiàn)自動加載。一臺工控機可同時控制5～15個千斤頂。測力裝置由測力傳感器和數(shù)字傳輸系統(tǒng)組成，直接監(jiān)測千斤頂?shù)暮奢d情況，工控機可在0.2s內(nèi)讀取所有測力傳感器的數(shù)據(jù)，并進行控制操作，同時將加載精度控制在±0.5%內(nèi)。位移監(jiān)測與應力監(jiān)測裝置采用阻式位移計和阻式應變計，以對梁體的應變變化和位移變化情況進行監(jiān)測。

開發(fā)的鐵路橋梁靜載試驗自動控制系統(tǒng)，能夠自動從數(shù)據(jù)庫中讀取橋梁靜載試驗荷載的計算數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)規(guī)范的要求自動計算試驗荷載，自動完成試驗加載的預測試，并自動輸出試驗報告。

5 結(jié)束語

依托上海至南通鐵路太倉至四團段站前5標的高橋梁場預制生產(chǎn)，對智能化技術在鐵路梁預制生產(chǎn)中的應用技術進行了研究與總結(jié)，得出以下主要結(jié)論：

（1）總結(jié)了高橋梁場的布局、生產(chǎn)產(chǎn)能及場地建設情況，分析了高橋梁場采用智能化技術的必要性。

（2）總結(jié)了在高橋梁場預制生產(chǎn)過程中應用的信息化管理技術，包括信息化拌和站、全景監(jiān)測與ID全過程管理等，實現(xiàn)了混凝土預制全過程覆蓋的信息化管理。

（3）通過鋼筋加工、自動調(diào)節(jié)液壓模板、自動化預應力施工設備等自動化設備的投入，有效提升了混凝土梁的生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)效率30%以上。

（4）智能控制噴淋、智能張拉、智能靜載試驗控制系統(tǒng)的應用，提高了關鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制效果，提升了預制梁體的品質(zhì)。

參考文獻

[1]柳兵.新型智能化梁場箱梁預制施工工藝研究[J].四川水利， 2022（6）：90-91+113.

[2]肖春名，劉孫文，吳振鑫，等.基于信息化平臺的預制梁智能化生產(chǎn)技術及應用[J].四川建材， 2024（2）：29-31.