橋梁混凝土梁板工業(yè)化智能制造技術(shù)應(yīng)用分析

宋國慶 （安徽建工路港建設(shè)集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031）

1 前言

近期，住建部、交通部等部委發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》，突出和強(qiáng)調(diào)了“建筑工業(yè)化”與“智能建造”協(xié)同發(fā)展的思路和要求。針對交通領(lǐng)域的行業(yè)痛點(diǎn)，急需研發(fā)新型的建造方式來改變現(xiàn)狀，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級，積極推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，主要是通過工業(yè)化思維方式，利用現(xiàn)代化信息技術(shù)，推廣智能和裝配式建筑。通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、自動(dòng)和智能化工廠生產(chǎn)、裝配化現(xiàn)場安裝、信息化管理、數(shù)字化和智能化應(yīng)用等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)土木工程建造裝配化、智能化。

2 現(xiàn)狀及方向

目前智能建造與工業(yè)化在房屋建筑中得到快速發(fā)展，但在橋梁的應(yīng)用亟待提升，尤其是安徽省在混凝土結(jié)構(gòu)橋梁裝配式技術(shù)方面開展了大量的探索，成為行業(yè)工業(yè)化發(fā)展的主要推動(dòng)省份之一。然而，目前裝配式技術(shù)創(chuàng)新主要集中在設(shè)計(jì)端，對生產(chǎn)端的創(chuàng)新仍有不足。橋涵等混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制生產(chǎn)仍沿用固定臺(tái)座的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，一般以臨時(shí)布設(shè)、零散等情況出現(xiàn)，存在生產(chǎn)過程中場地占用率高、土地資源影響大、周轉(zhuǎn)效率低、設(shè)備集約不銜接、人工投入大、質(zhì)量安全管控難度大等問題，亟需開展橋梁混凝土構(gòu)件工業(yè)化智能制造技術(shù)研究及示范應(yīng)用，通過示范應(yīng)用促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，服務(wù)國家交通強(qiáng)國戰(zhàn)略。

3 技術(shù)的重難點(diǎn)

廠房空間由混凝土拌合區(qū)、鋼筋綁扎區(qū)、模板安拆區(qū)、混凝土運(yùn)輸線、混凝土澆筑區(qū)、構(gòu)件蒸養(yǎng)區(qū)、構(gòu)件張拉區(qū)、構(gòu)件壓漿區(qū)等功能區(qū)組成，廠房高度范圍內(nèi)分布桁車、魚雷罐運(yùn)輸軌道、布料器、液壓模板及臺(tái)車等多層設(shè)備空間運(yùn)行線路，空間設(shè)計(jì)要求極高。工藝繁雜、工序交叉，多條生產(chǎn)線循環(huán)布置難度大。因此，立體化設(shè)計(jì)和流水化布局是本項(xiàng)目研究的首要難點(diǎn)。

混凝土裝配式構(gòu)件體積大、質(zhì)量重，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、工序繁多，涉及鋼筋加工、液壓模板安拆、混凝土拌合、運(yùn)輸、布料、振搗、構(gòu)件養(yǎng)護(hù)、張拉壓漿等50 多臺(tái)單機(jī)設(shè)備，設(shè)備間聯(lián)動(dòng)性、工序配合、整體協(xié)作等要求極高。因此，需研究智能制造的系統(tǒng)性裝備，同時(shí)開發(fā)相應(yīng)智能化控制系統(tǒng)。

預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程包括原材料進(jìn)場、鋼筋加工、混凝土拌合、運(yùn)輸、澆筑與振搗、構(gòu)件養(yǎng)護(hù)、構(gòu)件張拉壓漿等。然而傳統(tǒng)監(jiān)測手段無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、及時(shí)傳輸、快速存儲(chǔ)和精確診斷；成品梁體結(jié)構(gòu)檢測分散、誤差大、時(shí)效低，難以實(shí)現(xiàn)全斷面檢測；構(gòu)件從原材料、生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝，以至后期運(yùn)維的全壽命周期長，多源數(shù)據(jù)海量，追溯難以精準(zhǔn)定位。

4 工業(yè)化制造技術(shù)原理

基于工業(yè)化生產(chǎn)方式，打造橋梁混凝土構(gòu)件工業(yè)化智能制造生產(chǎn)基地，針對橋梁混凝土構(gòu)件智能化生產(chǎn)的特點(diǎn)及方式，對工藝組織結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)管理技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)“流水式布局、立體化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)性裝備、流水線生產(chǎn)、智能化控制、全過程監(jiān)測”的橋梁混凝土構(gòu)件工業(yè)化智能制造生產(chǎn)。

①打造混凝土構(gòu)件智能制造生產(chǎn)工廠。遵循工廠化預(yù)制、標(biāo)準(zhǔn)化管理、自動(dòng)化生產(chǎn)、信息化管控的原則，實(shí)現(xiàn)有序、高效、安全、優(yōu)質(zhì)的構(gòu)件生產(chǎn)目標(biāo)。從便于開展自動(dòng)化工序的角度出發(fā)，通過生產(chǎn)模擬形成流水式生產(chǎn)線選型，開展智能工廠空間立體設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)二維平面上展開的流水路徑拓展為三維空間。結(jié)合預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝，通過模擬仿真分析，優(yōu)化桁車、魚雷罐運(yùn)輸軌道、布料器、液壓模板及移動(dòng)底座（又稱臺(tái)車）的立體空間分布?；诜抡婺M和流水線布置原理，合理布置生產(chǎn)功能區(qū)，實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件工廠化流水式生產(chǎn)。

②構(gòu)件預(yù)制自動(dòng)化模臺(tái)移動(dòng)式生產(chǎn)技術(shù)，又稱機(jī)組流水法生產(chǎn)線，將自動(dòng)化生產(chǎn)功能區(qū)劃分為生產(chǎn)區(qū)設(shè)置鋼筋安裝區(qū)（橫移區(qū)）、混凝土澆筑區(qū)、蒸養(yǎng)區(qū)、張拉區(qū)、提梁區(qū)（橫移區(qū)）、存梁區(qū)，采用移動(dòng)臺(tái)座+固定液壓模板的形式，模板采用底模移動(dòng)、側(cè)模固定方式，每條生產(chǎn)線配置一套側(cè)模、四套底模。移動(dòng)臺(tái)座由底模模板和底模小車組成，通過移動(dòng)臺(tái)座變頻行走控制系統(tǒng)控制移動(dòng)，根據(jù)工藝流程流動(dòng)于各個(gè)功能區(qū)，鋼筋胎膜上加工完成后吊裝至底座，行走至混凝土澆筑區(qū)，模板自動(dòng)閉合后安裝頂板鋼筋，混凝土筒式（魚雷罐）車運(yùn)輸混凝土至布料機(jī)，澆筑過程附著式振搗器振搗，混凝土達(dá)到強(qiáng)度模板開啟，底座行走至后續(xù)功能區(qū)依次進(jìn)行蒸養(yǎng)、張拉、提梁、循回路返回。

③構(gòu)件工業(yè)化智能制造數(shù)字化平臺(tái)。以混凝土預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)流程為基礎(chǔ)，提出了對工廠生產(chǎn)全過程以及產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行全方位管控的目標(biāo)，對原材料、鋼筋加工、混凝土拌合與運(yùn)輸、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)、張拉壓漿、檢測等工序進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。研究基于訂單制的信息管理技術(shù)框架，明確訂單制的管理模式，建立梁板唯一編碼，實(shí)現(xiàn)全壽命周期的信息收集與歸檔，實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件數(shù)據(jù)信息的全過程精準(zhǔn)追溯，構(gòu)建工業(yè)化智能建造管理系統(tǒng)平臺(tái)。

圖1 工業(yè)化生產(chǎn)線平面圖

5 工業(yè)化生產(chǎn)流程及技術(shù)要點(diǎn)

5.1 生產(chǎn)流程

廠區(qū)建設(shè)（訂單接收）→施工圖紙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與讀取→鋼筋加工、綁扎及吊裝→液壓鋼側(cè)模合攏與頂面鋼筋安裝→混凝土拌合制作、運(yùn)輸→混凝土澆筑、振搗→預(yù)制構(gòu)件高溫蒸養(yǎng)→預(yù)應(yīng)力張拉壓漿→移梁存放、噴淋養(yǎng)護(hù)。

5.2 技術(shù)要點(diǎn)

工業(yè)化制造廠區(qū)布設(shè)。工業(yè)化生產(chǎn)投產(chǎn)實(shí)施前，整體平面分區(qū)設(shè)置混凝土拌合站、鋼筋加工中心、混凝土構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn)區(qū)及存儲(chǔ)區(qū)。魚雷罐運(yùn)輸軌道端頭位于拌合站出料口下方；鋼筋半成品存放區(qū)與構(gòu)件預(yù)制區(qū)連接；混凝土澆筑振搗區(qū)、養(yǎng)護(hù)區(qū)及張拉區(qū)流水線一次施工布局，根據(jù)生產(chǎn)訂單需求設(shè)生產(chǎn)線數(shù)量，設(shè)置循環(huán)閉合回路，1 條生產(chǎn)線一般配置4 個(gè)移動(dòng)梁底臺(tái)座，臺(tái)座長度根據(jù)預(yù)制構(gòu)件梁板長度設(shè)定。過程中根據(jù)橋梁構(gòu)件工廠訂單生產(chǎn)需求中構(gòu)件尺寸完善軌道上各臺(tái)座、模板，合理優(yōu)化各功能區(qū)的縱向間距。

施工圖紙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與讀取。依據(jù)生產(chǎn)訂單中混凝土梁板構(gòu)件信息，采用Tekla軟件建立BIM 數(shù)據(jù)模型，模型精度高達(dá)LOD300，模型單元等同于傳統(tǒng)施工圖紙和深化施工圖層次，在建模過程中對模型中的所有零構(gòu)件及節(jié)段賦予編碼，實(shí)現(xiàn)“一物一碼”。

鋼筋加工、綁扎及吊裝。根據(jù)構(gòu)件配筋信息，采用意大利鋼筋自動(dòng)剪切設(shè)備及數(shù)控鋼筋彎箍機(jī)，實(shí)現(xiàn)集鋼筋喂送、長度測量、剪切、分類優(yōu)化收集。待鋼筋加工完成后，利用貨架運(yùn)送至鋼筋存儲(chǔ)及綁扎區(qū)域，鋼筋采用在專用胎膜上綁扎成型，采用桁吊將鋼筋整體吊裝安放在移動(dòng)底座上。

液壓鋼側(cè)模合攏與頂面鋼筋安裝。液壓模板由模板系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成，單側(cè)模板配置液壓油缸，通過液壓模板控制系統(tǒng)完成合模后，將綁扎好的頂板鋼筋吊裝至頂部，然后等待混凝土澆筑。每條生產(chǎn)線各配置液壓式鋼模板1 套，“鋼模-液壓系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)了模板安、拆自動(dòng)化。

混凝土拌合制作、運(yùn)輸?；炷猎谡{(diào)整確定的混凝土施工配合比上完成拌和后，利用布設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化軌道，從拌合站出料口直接出料至筒式送料車（魚雷罐），然后混凝土運(yùn)輸至每條生產(chǎn)線布料器上方澆筑點(diǎn)。魚雷罐由地面無線操控，沿著空中固定軌道電機(jī)驅(qū)動(dòng)魚雷罐車輪行走、爬坡和轉(zhuǎn)彎，根據(jù)混凝土初凝時(shí)間，魚雷罐運(yùn)送料軌的路程設(shè)置時(shí)間t約為1.5min，運(yùn)行速度v 可達(dá)到100m/min，通過旋轉(zhuǎn)罐體180°后將內(nèi)料卸出，具有運(yùn)行平穩(wěn)、節(jié)能高效，不占用地面空間，可實(shí)現(xiàn)多工位裝料和卸料的優(yōu)點(diǎn)。

混凝土澆筑、振搗。采用混凝土自動(dòng)布料機(jī)澆筑，澆筑過程中使用附著式震動(dòng)器振搗密實(shí)，混凝土的澆筑及間歇的全部時(shí)間不宜超出規(guī)范要求。布料機(jī)在鋼軌上沿模臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向水平行走，均勻布料，滿足橫跨多個(gè)產(chǎn)線和多個(gè)工位間移動(dòng)要求。智能控制系統(tǒng)設(shè)定，混凝土一般按30cm 厚度分層澆筑和實(shí)時(shí)振搗，從跨中向兩端澆筑底板，從兩端向跨中澆筑腹板，最后澆筑頂板，整體采用分層連續(xù)推移的方式進(jìn)行。振搗器腹板及馬蹄處上下錯(cuò)位布置兩層，混凝土澆筑完成后、收漿前，及時(shí)收光或拉毛。

預(yù)制構(gòu)件高溫蒸養(yǎng)。構(gòu)件強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa 后，開啟液壓模板脫模，將移動(dòng)梁底臺(tái)座移至蒸養(yǎng)功能區(qū)位后密封，蒸汽養(yǎng)生設(shè)備設(shè)定恒溫恒濕條件，對梁體進(jìn)行養(yǎng)護(hù)至混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%；蒸養(yǎng)棚內(nèi)設(shè)置氣體進(jìn)出管道和溫度計(jì)，以10℃/h 速率逐步加溫，最高溫度不超過80℃，經(jīng)過2～6h 恒溫養(yǎng)生后逐步降溫，降溫速率保持在5℃/h，數(shù)據(jù)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄蒸汽養(yǎng)護(hù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，過程實(shí)時(shí)監(jiān)控。養(yǎng)護(hù)期間要定期對主送氣管道進(jìn)行檢查，防止主送氣管道出現(xiàn)破裂漏氣現(xiàn)象，導(dǎo)致蒸汽不能有效利用，增加養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

預(yù)應(yīng)力張拉壓漿。預(yù)制構(gòu)件蒸養(yǎng)完成后移至張拉壓漿功能區(qū)位。張拉采用智能數(shù)控張拉系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，張拉前先對千斤頂和壓力表配套校驗(yàn)，確定張拉力與壓力表之間的關(guān)系曲線預(yù)應(yīng)力筋張拉后，孔道應(yīng)及早壓漿，一般應(yīng)在48 小時(shí)內(nèi)灌漿完畢，禁止邊加原料、邊攪拌、邊壓漿。

噴淋養(yǎng)護(hù)、存梁。梁構(gòu)件張拉壓漿完成后，啟動(dòng)臺(tái)車移至橫向移梁功能區(qū)位，龍門吊吊裝至臨時(shí)存放區(qū)進(jìn)行噴淋養(yǎng)生。在構(gòu)件存放區(qū)布設(shè)旋轉(zhuǎn)式噴淋管道和噴頭，做到無死角養(yǎng)生?？盏着_(tái)座通過橫移小車移至循環(huán)回路到初始位置。

3D 激光掃描成品檢測。采用BIM技術(shù)建立梁板立體三維結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用三維激光掃描儀進(jìn)行三維測量，將實(shí)物結(jié)構(gòu)的線、面、體、空間等各種三維數(shù)據(jù)重構(gòu)成數(shù)字模型，最后將三維掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成點(diǎn)云模型。將BIM 設(shè)計(jì)模型和掃描出的實(shí)體數(shù)據(jù)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)比對，保證梁板外觀尺寸的誤差在允許范圍內(nèi)。

圖2 工業(yè)化生產(chǎn)線生產(chǎn)線圖

6 應(yīng)用成效及前景

通過產(chǎn)學(xué)研用深度融合，在智能建造與建筑工業(yè)化領(lǐng)域的核心技術(shù)、關(guān)鍵工藝和重大裝備等方面取得了系列化成果。大型橋梁預(yù)制構(gòu)件工業(yè)化智能制造技術(shù)的應(yīng)用將施工效率提高30%，作業(yè)人員減少60%，建筑垃圾減少20%～35%，縮短橋梁工程工期20%，節(jié)約項(xiàng)目投資達(dá)10%，有利于橋梁工程的高質(zhì)量建設(shè)和綠色發(fā)展。

裝配式公路橋梁工程的優(yōu)質(zhì)高效施工，對實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國戰(zhàn)略有極大的推動(dòng)作用，能夠帶動(dòng)基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，有利于建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，推進(jìn)建筑工業(yè)化、數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化升級，實(shí)現(xiàn)綠色施工和可持續(xù)發(fā)展，符合國家新基建和智能建造戰(zhàn)略的實(shí)施。