市政工程智慧更新建造智能裝備研究

李巖松 羅利 楊康 胡鉑

文章以城市更新改造過程中施工對(duì)城市功能的影響為背景。對(duì)市政工程快速更新建造智能裝備進(jìn)行研究。研制的市政工程智慧更新建造智能設(shè)備，減小了施工對(duì)城市居民生活的影響，提升了項(xiàng)目信息化管理程度，實(shí)現(xiàn)了公園城市更新建造的智能化。為中國乃至世界城市范圍內(nèi)的智能建造提供了參考。

智能裝備; 快速建造; 市政工程; 受限空間

TP273+.5?? A

[定稿日期]2021-06-10

[作者簡介]李巖松（1989～），男，博士，工程師，主要從事智慧建造、隧道及巖石力學(xué)方面的研究工作。

1 市政工程智慧更新建造

隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平大幅度改善、城鎮(zhèn)化水平穩(wěn)步提高、城市發(fā)展質(zhì)量、速度顯著提升，很多已有的建造技術(shù)、手段、設(shè)備雖然還能繼續(xù)使用，但是建造速度、效率已不能滿足城市發(fā)展的要求，有時(shí)甚至?xí)?yán)重影響城市發(fā)展的進(jìn)度。因此，大力發(fā)展新技術(shù)、新設(shè)備是加快城市發(fā)展的必由之路。

日本東京在改造六本木新城時(shí)，大量修建了地下綜合管廊項(xiàng)目，將城市供水、排水、污水處理、燃?xì)?、集中供熱等管線綜合放入地下管廊中。不同于以往他國城市更新，日本在大直徑地下綜合管廊建設(shè)中運(yùn)用了盾構(gòu)技術(shù)，縮短了施工工期，并較大程度上降低了施工成本。

進(jìn)入新世紀(jì)，我國進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期，智能建造概念也逐漸出現(xiàn)在相關(guān)研究中。李俊紅[1]等學(xué)者對(duì)CRTS雙塊式無砟軌道智能化建造設(shè)備進(jìn)行研究，徹底顛覆了傳統(tǒng)施工工法，從根本上提高施工功效和施工質(zhì)量精度，降低了施工成本。萬仁威[2]等學(xué)者對(duì)異形結(jié)構(gòu)的智慧建造進(jìn)行研究，利用無人機(jī)、Hololens全息眼鏡、智能放樣機(jī)器人以及三維激光掃描儀等智能建造設(shè)備，整合出了一套質(zhì)量控制全過程全過程質(zhì)量控制的解決方案。國內(nèi)學(xué)者在智能建造的研究目前還處在一個(gè)起步階段，還未形成全流程的智慧建造應(yīng)用;如何采用智慧建造手段減少施工對(duì)城市的影響也較少考慮。目前，城市建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)新的階段，城市基礎(chǔ)設(shè)施的能源輸送能力、交通通行能力以及環(huán)境承受能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前城市需求，急需對(duì)城市市政設(shè)施進(jìn)行更新改造。但是城市內(nèi)人口、房屋、管線密集，人員、建筑、管線互相影響嚴(yán)重，給城市的更新改造帶來了難以想象的困難。在現(xiàn)有的復(fù)雜受限城市環(huán)境下，如何快速、安全的進(jìn)行施工建造，如何解決施工帶來的交通擁堵，如何保證各工程之間互不干擾，是城市內(nèi)快速建造需要解決的問題，故急需對(duì)受限市政工程快速更新建造智能裝備開展研究。

2 鋼筋集成化智能加工設(shè)備

2.1 二維碼數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用

通過BIM系統(tǒng)分類生成二維碼生產(chǎn)訂單，即給鋼筋加工生產(chǎn)線綁定了含有二維碼圖像的任務(wù)單料牌，然后智能化鋼筋加工設(shè)備通過自身掃碼槍完成生產(chǎn)訂單的數(shù)據(jù)錄入，并啟動(dòng)自動(dòng)化生產(chǎn)，此二維碼在生產(chǎn)后的鋼筋入庫、配送等環(huán)節(jié)中同樣可被識(shí)別，從而提高了生產(chǎn)效率，降低鋼筋生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的出錯(cuò)率。

2.2 無線云端通訊技術(shù)應(yīng)用

智能化鋼筋加工設(shè)備自帶無線中繼模塊，無線中繼模塊可與設(shè)備控制器連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成鋼筋加工所需的長度、角度、數(shù)量等值的轉(zhuǎn)換，通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程BIM服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，獲得鋼筋加工所需的各種參數(shù)數(shù)據(jù)，并提供前一批次鋼筋加工的完成情況與設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，用戶通過訪問服務(wù)器可獲得鋼筋加工的進(jìn)度與設(shè)備運(yùn)行情況。

2.3 智能加工設(shè)備的數(shù)據(jù)處理

智能加工設(shè)備通過掃描二維碼或者無線通訊訪問BIM服務(wù)的方式獲取加工參數(shù)，繪制出所需鋼筋的加工圖形，并將參數(shù)存儲(chǔ)在PLC控制器中，然后執(zhí)行定量加工生產(chǎn)（圖1、圖2）。

3 預(yù)制裝配式構(gòu)件模具、構(gòu)件生產(chǎn)設(shè)備

3.1 裝配式構(gòu)件模具設(shè)計(jì)與制造

針對(duì)預(yù)制裝配式構(gòu)件變化多樣，構(gòu)件數(shù)量巨大，質(zhì)量要求高，參照設(shè)計(jì)構(gòu)件圖紙與CAD智能精確排版圖紙，結(jié)合技術(shù)要求對(duì)構(gòu)件模具進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，包括底架、邊模、配件、埋件等，最終將圖紙細(xì)分，生成材料清單;最后將每個(gè)零件所有用料全部單件拆分，生成激光下料圖。

將加工完成的模具及鋼筋轉(zhuǎn)運(yùn)至預(yù)制構(gòu)件制作車間，繼續(xù)完成預(yù)制構(gòu)件澆筑養(yǎng)護(hù)等工作，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)嚴(yán)格控制生產(chǎn)流程：預(yù)制混凝土強(qiáng)度、構(gòu)件外觀質(zhì)量要求高，工業(yè)化生產(chǎn)需嚴(yán)格按照流程逐步推進(jìn)，任意環(huán)節(jié)的失誤均可能帶來構(gòu)件的偏差，從而影響工程實(shí)施，構(gòu)件流水線生產(chǎn)工藝如圖3所示，工廠預(yù)制現(xiàn)場如圖4、圖5所示。

3.2 預(yù)制構(gòu)件信息化管理

3.2.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)整理

工廠預(yù)制現(xiàn)場組裝是城市快速更新建造一個(gè)有效手段，但是預(yù)制構(gòu)件多、模具多，現(xiàn)場存放、管理混亂。技術(shù)人員將預(yù)制構(gòu)件尺寸、定位（樁號(hào)，地理位置）、尺寸等參數(shù)整理后上傳至云平臺(tái)（圖6），錄入云平臺(tái)生產(chǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、管理。通過云平臺(tái)將數(shù)據(jù)發(fā)送給生產(chǎn)系統(tǒng)，生產(chǎn)系統(tǒng)接單后統(tǒng)一安排，確定生產(chǎn)時(shí)間及周期，并再次反饋至云平臺(tái)，技術(shù)人員可在系統(tǒng)查看接單情況及及準(zhǔn)確生產(chǎn)周期，以便進(jìn)行運(yùn)輸、安裝統(tǒng)籌規(guī)劃（圖7～圖9）。

3.2.2 專屬二維碼粘貼

技術(shù)系統(tǒng)對(duì)工程全部預(yù)制構(gòu)件逐一編碼，并將其標(biāo)注于排版圖中，系統(tǒng)中設(shè)置已安裝構(gòu)件為綠色區(qū)域，設(shè)置正生產(chǎn)構(gòu)件為黃色區(qū)域，設(shè)置未提交生產(chǎn)構(gòu)件為紅色區(qū)域，混凝土生產(chǎn)后生產(chǎn)系統(tǒng)在云平臺(tái)系統(tǒng)中提取構(gòu)件參數(shù)生成專屬二維碼，由專業(yè)人員現(xiàn)場對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行核實(shí)并粘貼二維碼（圖10）。

3.2.3 云平臺(tái)數(shù)據(jù)分析

采用云計(jì)算和預(yù)制構(gòu)件管理技術(shù)，對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在綜合考慮構(gòu)件尺寸、運(yùn)距、構(gòu)件數(shù)量、安裝成本等各項(xiàng)因素后，確定構(gòu)件詳細(xì)尺寸、數(shù)量、運(yùn)輸終點(diǎn)等環(huán)節(jié)，架構(gòu)一個(gè)集排版-生產(chǎn)-安裝等多專業(yè)、多環(huán)節(jié)融為一體的信息管理平臺(tái)（圖11）。通過云端大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、云計(jì)算的處理，實(shí)現(xiàn)了預(yù)制構(gòu)件智能加工養(yǎng)護(hù)、統(tǒng)籌運(yùn)輸安裝、信息集中管理。

4 施工區(qū)域交通智能分流導(dǎo)控系統(tǒng)

快速化改造因?yàn)闀?huì)對(duì)周圍道路進(jìn)行占用，從而造成在改造路段、道路的交叉口及上游路段通行能力下降，當(dāng)這個(gè)范圍內(nèi)車輛過多時(shí)，車輛將進(jìn)行排隊(duì)，從而產(chǎn)生延誤，進(jìn)而引發(fā)道路擁堵。為了保障路網(wǎng)順暢運(yùn)行，需要將此部分交通流通過其他路網(wǎng)分流出去，為此，通過研究，聯(lián)合城市交管部門，在城市交通管理信息系統(tǒng)中植入智能交通導(dǎo)行系統(tǒng)，用以對(duì)施工區(qū)域過往的車輛進(jìn)行預(yù)警與誘導(dǎo)。將施工區(qū)域及周邊多個(gè)節(jié)點(diǎn)車流信息并網(wǎng)，分析并處理，得出實(shí)時(shí)城市道路車流量信息，并在施工區(qū)域及路口處設(shè)置前方路況動(dòng)態(tài)信息提示牌，提前告知前方交通信息。利用各通信運(yùn)營商以短信方式將區(qū)域車流信息推送至附近司機(jī)，通過城市交通實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)將施工區(qū)域車流信息推送至市內(nèi)行駛中的車輛車載導(dǎo)航系統(tǒng)或手機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中，及時(shí)提醒車輛繞行，從而使施工區(qū)域周邊車輛提前分流到其他路網(wǎng)。確保了施工作業(yè)人員及施工區(qū)域車流安全，提高了施工區(qū)域及周邊車輛通勤效率，同時(shí)也提高了市區(qū)工程更新建造速度。

4.1 施工區(qū)域超高超限預(yù)警系統(tǒng)

施工區(qū)域超高超限預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測對(duì)象主要針對(duì)進(jìn)入施工區(qū)域一定范圍的車輛、設(shè)備及人員。其系統(tǒng)主要由激光車輛超高檢測系統(tǒng)及紅外感應(yīng)語音提示系統(tǒng)組成。

激光車輛超高檢測系統(tǒng)通常由激光發(fā)射機(jī)，激光接收機(jī)等部分構(gòu)成，激光發(fā)射機(jī)發(fā)出激光束并被激光接收機(jī)接收，當(dāng)有超過限制高度的車輛通過時(shí)激光束被阻斷，接收機(jī)立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)還可以啟動(dòng)其他報(bào)警或控制設(shè)備，在橋梁、隧道口等施工限高區(qū)域或其他有高度限定的地方前一定距離處安裝激光車輛超高檢測器，當(dāng)超高車輛進(jìn)入時(shí)，檢測器報(bào)警，輸出報(bào)警信號(hào)，超高控制報(bào)警主機(jī)，由超高報(bào)警主機(jī)觸發(fā)報(bào)警警號(hào)，對(duì)超高車輛報(bào)警，警告其停止前進(jìn)（圖12）。

激光超高車輛檢測示警系統(tǒng)分為四個(gè)部分：①激光檢測——通過激光對(duì)射檢測方式對(duì)超高車輛進(jìn)行準(zhǔn)確檢測;②誘導(dǎo)警示——運(yùn)用LED顯示屏對(duì)超高車輛進(jìn)行安全行車路線誘導(dǎo);③視頻抓拍——對(duì)駛?cè)胂薷邊^(qū)域的超高車輛檢測并進(jìn)行抓拍圖片或錄像;④信息管理——對(duì)上傳的圖片及車輛超高事件信息進(jìn)行統(tǒng)一合理化管理。

其原理主要是當(dāng)有車輛高度超過預(yù)先設(shè)定好的高度時(shí)，激光檢測設(shè)備向控制設(shè)備發(fā)出車輛超高的信號(hào)，控制設(shè)備立即發(fā)出指令讓前方100 m處的LED誘導(dǎo)信息板提示司機(jī)車輛超高信息，并提供出行車路線誘導(dǎo)車輛繞行，同時(shí)控制器通過無線傳送至監(jiān)控中心提醒有關(guān)人員車輛超高意外事件的發(fā)生。檢測系統(tǒng)采用光學(xué)的方法，在道路上方的標(biāo)準(zhǔn)高度處設(shè)置橫向光路，普通車輛對(duì)光路無影響，而超高車經(jīng)過時(shí)必然切割光路發(fā)出阻擋脈沖信號(hào)，可以將該信號(hào)作為判別車輛是否超高的依據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后便于管理和控制（圖13）。

4.2 施工區(qū)域通行人員紅外感應(yīng)語音提示系統(tǒng)

主要是在施工危險(xiǎn)區(qū)域及工程設(shè)備工作范圍內(nèi)一定距離設(shè)置M6紅外探測語音提示器。M6紅外探測語音提示器采用九芯電子智能PM3音樂播放芯片為處理核心，TF卡存儲(chǔ)器開發(fā)的語音播放器材。當(dāng)探測器探測到有人進(jìn)入施工危險(xiǎn)區(qū)域或工程設(shè)備一定距離內(nèi)時(shí)，會(huì)自動(dòng)感應(yīng)播報(bào)定制的語音信息。從而提醒工地施工、安全管理人員注意，同時(shí)也提醒設(shè)備操作人員注意過往人員的安全。

M6紅外探測語音提示器具有感應(yīng)范圍大、探頭靈敏度高、音質(zhì)好、音量大、掉電可長期存儲(chǔ)等特點(diǎn)，因此可廣泛應(yīng)用于施工區(qū)域及施工設(shè)備上，對(duì)市政工程快速建造起到了很好的支撐作用（圖14）。

5 結(jié)論

市政工程智慧更新建造智能裝備研究對(duì)于密集、狹窄、復(fù)雜城區(qū)的市政更新改造及公園城市建造具有重大指導(dǎo)意義。

（1） 集成化智能加工廠，采用二維碼、無線云端通訊及智能加工設(shè)備數(shù)據(jù)同步處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼筋工程和預(yù)制構(gòu)件的精準(zhǔn)算量、精細(xì)翻樣、精確制作、信息管理、快速成型和快速安裝。

（2）對(duì)預(yù)制構(gòu)件模具進(jìn)行專門研究，確定最優(yōu)模具及模具種類、數(shù)量，在不影響預(yù)制構(gòu)件制作質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)約了資源加快了生產(chǎn)。

（3）研發(fā)的市政工程智慧更新智能建造設(shè)備，減小了施工對(duì)城市居民生活的影響，提升了項(xiàng)目信息化管理程度，實(shí)現(xiàn)了城市更新建造的智能化，為中國乃至世界城市范圍內(nèi)的智慧智能建造提供參考。

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