橋梁預(yù)制梁場智慧建造數(shù)字孿生技術(shù)研究
——以京雄高速公路網(wǎng)SG5標段為例

孫永方 丁 杰

(中交三公局第一工程有限公司 北京 100012)

0 引言

近年來，計算機技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，如何合理運用這些技術(shù)提高生產(chǎn)率是技術(shù)創(chuàng)新人員一直思考的問題。在這種背景下，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運而生。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用，通常是對物理實體模型建立一個對應(yīng)的包含其完整信息的數(shù)字孿生體，通過傳感元件或監(jiān)測設(shè)備反饋的數(shù)據(jù)更新，可以在虛擬數(shù)字孿生體中完成對物理模型全方位實時仿真。簡而言之，數(shù)字孿生就是一個動態(tài)可操作的數(shù)字模型。數(shù)字孿生技術(shù)具有物理量多、尺度全面以及功能多樣化的特點，因而被應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計、制造、服務(wù)等領(lǐng)域[1]。在數(shù)字孿生體中反映的實際數(shù)據(jù)，設(shè)計人員不但可以實時觀察物理模型的動態(tài)運行情況，監(jiān)控各種運行數(shù)據(jù)，還可以通過計算機技術(shù)對其進行仿真分析，優(yōu)化生產(chǎn)方式，最終反饋給物理模型，以實現(xiàn)最大化的生產(chǎn)線產(chǎn)能和人員設(shè)備利用率，從而提高生產(chǎn)效率，加快生產(chǎn)進程。

數(shù)字孿生技術(shù)在智能建造領(lǐng)域的應(yīng)用具有非常良好的前景，近年來，許多學(xué)者對數(shù)字孿生驅(qū)動車間生產(chǎn)的技術(shù)進行了思考和研究。陶飛等[1-2]提出了未來數(shù)字孿生驅(qū)動車間生產(chǎn)的技術(shù)難題，并從不同維度對信息物理融合的要點進行了研究分析。胡秀琨等[3]提出了實作裝配體模型的概念，通過數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動，可以提升裝配要求高、生產(chǎn)周期短的車間的生產(chǎn)效能，為數(shù)字孿生技術(shù)改進產(chǎn)品裝配模式提供了可行性技術(shù)方案。郝博等[4]研究了基于數(shù)字孿生的智能裝配車間管控模式，通過算法進行資源調(diào)配，提高復(fù)雜產(chǎn)品裝配效率和質(zhì)量。魏一雄等[5]提出了基于實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字孿生車間模型框架和技術(shù)路線，闡述了異構(gòu)多源數(shù)據(jù)采集與管理、真實物理行為的虛擬仿真環(huán)境、面向事件響應(yīng)的數(shù)據(jù)實時驅(qū)動方法等關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計了原型系統(tǒng)，并通過車載防撞雷達組裝生產(chǎn)線成功驗證其可行性，為數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供了關(guān)鍵支撐。

目前國內(nèi)外針對數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動車間生產(chǎn)的理論研究越來越多，但是在應(yīng)用層面的技術(shù)應(yīng)用還較為缺失。本文以京雄高速SG5標段的“智慧”預(yù)制梁場為背景，闡述了數(shù)字孿生技術(shù)在預(yù)制梁場中的應(yīng)用。

1 工程背景

本文依托的實際工程項目，該項目全稱為北京至雄安新區(qū)高速公路河北段主體工程5標，跨越保定市白溝新城、高碑店市東馬營鎮(zhèn)，全長6.833 km，京雄高速線路圖如圖1所示。由于本地區(qū)屬于平原地區(qū)，地勢相對較為平坦、開闊，地形起伏較小，人口較為密集。所以項目橋梁占比高達99.5%，為了圓滿完成橋梁架設(shè)工作，需要完成2750片預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T梁的預(yù)制工作。

圖1 京雄高速線路

為按期圓滿完成該預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T梁預(yù)制任務(wù)，使后續(xù)橋梁架設(shè)和橋面施工任務(wù)如期跟進，項目組利用數(shù)字孿生技術(shù)，就地組建智能預(yù)制梁場，梁場全景，如圖2所示。該預(yù)制梁場的數(shù)字孿生體能夠監(jiān)測梁場整體生產(chǎn)運行情況，通過現(xiàn)場反饋的數(shù)據(jù)分析，可以優(yōu)化施工過程，使工作更加科學(xué)智能、材料使用更加合理節(jié)約。與此同時，智能化的預(yù)應(yīng)力張拉、預(yù)留孔壓漿和混凝土養(yǎng)護系統(tǒng)，也極大地提高了預(yù)制T梁的生產(chǎn)效率和施工質(zhì)量。在數(shù)字孿生平臺合理部署下，預(yù)制T梁質(zhì)量和效率不斷提高，最終如期完成了T梁預(yù)制任務(wù)。

圖2 預(yù)制梁場全景

2 數(shù)字孿生的建立

數(shù)字孿生預(yù)制梁場的建立，關(guān)鍵之處在于數(shù)據(jù)的實時性和準確性，通過孿生數(shù)據(jù)對預(yù)制梁場的實時反應(yīng)，根據(jù)實際生產(chǎn)情況進行生產(chǎn)優(yōu)化，以提高質(zhì)量和生產(chǎn)率。利用數(shù)字孿生指導(dǎo)預(yù)制梁場的運行流程如圖3所示。

圖3 “智慧”梁場的運行

2.1 預(yù)制梁場的布置

預(yù)制梁場的合理布局是實現(xiàn)智能化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，建設(shè)方案需因地制宜，不僅要實現(xiàn)T梁的快速預(yù)制，同時要保質(zhì)保量，并且應(yīng)立足安全適用、經(jīng)濟合理、綠色環(huán)保的原則。本預(yù)制梁場按照“工廠化、專業(yè)化”標準進行規(guī)劃建設(shè)，統(tǒng)籌考慮各功能需求，如整體使用面積、梁板占地空間、工期規(guī)劃、交通道路、水電設(shè)施布置等。預(yù)制梁場主要由兩區(qū)域組成，包括生產(chǎn)區(qū)(制梁區(qū)、存梁區(qū)、生產(chǎn)保障區(qū))和輔助生產(chǎn)區(qū)(倉庫、材料堆放區(qū))，平面布置如圖4所示。

圖4 預(yù)制梁場平面布置

2.2 預(yù)制梁場的建設(shè)

預(yù)制梁場的工作空間主要由鋼筋綁扎區(qū)、制梁區(qū)、存梁區(qū)和堆料區(qū)四部分組成。制梁區(qū)配備智能液壓模板、支撐臺座、起重設(shè)備、智能養(yǎng)護設(shè)備、智能張拉設(shè)備和智能壓漿設(shè)備等基本設(shè)施。所有設(shè)備的數(shù)據(jù)于線上協(xié)同管理平臺建立聯(lián)系，通過線上協(xié)同管理平臺這個“大腦”進行統(tǒng)一指揮和生產(chǎn)。預(yù)制梁場生產(chǎn)實景圖如圖5所示。

圖5 預(yù)制梁場工作實景

2.3 數(shù)字孿生平臺

預(yù)制梁場的數(shù)字孿生體，是整個“智慧”梁場最重要的部分。本文依托中交三局自主開發(fā)的智慧管理平臺來調(diào)配預(yù)制梁生產(chǎn)，如圖6所示。它可以實時掌控整個梁場生產(chǎn)情況，該預(yù)制梁場數(shù)字孿生體能夠監(jiān)測梁場整體生產(chǎn)運行情況，通過現(xiàn)場傳感器和檢測系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，包括車間的空間使用率、已完成進度、工人飽和情況和預(yù)制梁的合格率等數(shù)據(jù)，可對施工過程進行合理調(diào)配和優(yōu)化，使工作更加科學(xué)智能、材料使用更加合理節(jié)約。通過協(xié)同管理平臺的合理調(diào)配，梁場用工可以最多達到430個，近30臺龍門吊同時工作，生產(chǎn)質(zhì)量和效率大大提高，為施工工期的順利完成提供了強有力保障。同時，數(shù)字孿生平臺監(jiān)控下的智能化預(yù)應(yīng)力張拉、預(yù)留孔壓漿和混凝土養(yǎng)護系統(tǒng)，也極大提高了預(yù)制T梁的生產(chǎn)效率和施工質(zhì)量，最終如期完成了T梁預(yù)制任務(wù)。

圖6 數(shù)字孿生平臺

3 數(shù)字孿生的應(yīng)用

橋梁預(yù)制場制梁流程如圖7所示，包括清理底膜、施工放樣、綁扎肋板鋼筋、預(yù)留張拉管道、安裝模板、綁扎頂板鋼筋、澆筑梁體混凝土、梁體養(yǎng)護、張拉壓漿等工藝。其中安裝側(cè)模、澆筑梁體混凝土、梁體養(yǎng)護、張拉壓漿都由機械實現(xiàn)自動化操作，由如圖6所示的線上協(xié)同管理平臺統(tǒng)一指揮?，F(xiàn)將數(shù)字孿生技術(shù)管理的流程一一介紹如下。

圖7 T梁預(yù)制流程

3.1 智能模板安裝

T梁模板由專業(yè)廠家加工成型，采用智能液壓系統(tǒng)進行裝模、封模。T梁模板用液壓油缸和滑移軌道移動、安裝。在澆筑前同樣需要進行試拼，檢查模板性能及尺寸。試拼無誤后對其面板，用鋼絲刷進行打磨、涂油，清理干凈，防止銹蝕。側(cè)模需進行編號，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入，便于記錄和調(diào)整生產(chǎn)。智能液壓平臺對全套側(cè)模拼裝完畢并檢查合格后，開始錨固裝置，液壓模板安裝系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 液壓模板示意圖

3.2 智能養(yǎng)護系統(tǒng)

蒸汽養(yǎng)護棚可實現(xiàn)預(yù)制梁的智能化養(yǎng)護，密閉的蒸汽養(yǎng)護棚可令梁體周圍的溫度和濕度相對穩(wěn)定，養(yǎng)護棚如圖9所示。該養(yǎng)護棚主要由溫度監(jiān)測系統(tǒng)，自動噴淋系統(tǒng)和排水系統(tǒng)等組成。棚底設(shè)置導(dǎo)軌，以實現(xiàn)預(yù)制梁精準入場。制梁區(qū)設(shè)置自動噴淋養(yǎng)護系統(tǒng)，自動噴淋養(yǎng)護系統(tǒng)包括儲水池、送水泵、入水管、出水管及噴灑頭等。預(yù)制梁兩側(cè)布置噴淋管，噴淋管上布置兩列噴頭，一排噴頂板一排噴側(cè)面。預(yù)制梁蒸汽養(yǎng)生采用框架式移動養(yǎng)生棚，配備蒸汽鍋爐、鋪設(shè)蒸汽管道(保溫)、燃料、檢測器材等設(shè)備。該系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)噴淋流量和使用間隔。養(yǎng)護棚內(nèi)的溫度、濕度等所有的現(xiàn)場數(shù)據(jù)均上傳至線上數(shù)字孿生平臺進行實時監(jiān)測跟蹤。

圖9 智能養(yǎng)護棚

3.3 智能張拉系統(tǒng)

該系統(tǒng)由數(shù)字控制的電動油泵、帶有傳感器的千斤頂和具備人機交互功能的中央處理平臺共同構(gòu)成，如圖10所示。該智能張拉系統(tǒng)可以實現(xiàn)張拉步驟自動化，無需手動參與，通過張拉設(shè)備自動操作，完成預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉施工。這種自動張拉工藝，可以自動實現(xiàn)既定的張拉程序。拉力穩(wěn)定，精度高，誤差率低，工藝先進，可以提高施工質(zhì)量，在一定程度上增加橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。張拉步驟如下:

(1)預(yù)應(yīng)力筋制作：鋼絞線按編束編號，綁好后掛牌堆放，將編號記錄到數(shù)字孿生平臺進行自動統(tǒng)計和管理。在穿束之前先要用清孔器進行自動孔道清理，穿束采用穿索機自動穿筋。

(2)安裝千斤頂、油泵：在安裝千斤頂、連接油泵之前進行校準，以提高張拉精度；千斤頂?shù)膰嵨缓凸ぷ餍阅芏家阱^具相匹配，否則應(yīng)更換相應(yīng)的千斤頂或錨具。

(3)正式張拉：按照如下既定程序進行自動張拉，首先進行10%的初張拉，再分別進行20%和100%的張拉，每步張拉完持荷5 min，張拉完及時錨固。

圖10 智能張拉系統(tǒng)

3.4 智能壓漿系統(tǒng)

智能壓漿系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動壓漿和自動保壓工作。當預(yù)應(yīng)力張拉完48 h內(nèi)進行管道壓漿，梁端封錨采用細石混凝土。智能壓漿系統(tǒng)如圖11所示，由高速制漿機、低速儲漿桶、自動加水裝置、高壓清洗裝置、螺桿泵和電氣智能控制系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)智能連續(xù)壓漿，壓漿前設(shè)備檢查過后，啟動循環(huán)智能壓漿設(shè)備，即可進行自動上料、自動上水、自動攪拌等一系列工作。

圖11 智能壓漿系統(tǒng)

該系統(tǒng)可實現(xiàn)自動化操作，降低人工成本，且高速制漿機可使粉料和水得到充分攪合的同時大幅減少壓漿粉塵污染，并實時檢測壓漿劑質(zhì)量，最大限度保障梁體預(yù)制孔道內(nèi)漿體的飽和與密實。電氣控制系統(tǒng)可自動完成壓漿量、供水量、上料的計算，也可以維持壓力穩(wěn)定，攪拌數(shù)據(jù)可溯源。

4 結(jié)論

京雄高速是連接雄安新區(qū)和首都北京的重要交通渠道，其中的SG5標段橋梁占比高達99.5%，需要大量預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T型梁。為完成工期，建立了“智慧”梁場和數(shù)字孿生的線上協(xié)同管理平臺。借助平臺的有效協(xié)調(diào)，梁場用工最多達到430人在場作業(yè)，29臺龍門吊同時工作，實現(xiàn)了產(chǎn)能翻番，保持月均生產(chǎn)T梁超600片的記錄。本文依托實際工程背景，闡述了數(shù)字孿生技術(shù)在預(yù)制梁場中的應(yīng)用，以期為數(shù)字孿生技術(shù)在制造領(lǐng)域更加精細化的應(yīng)用提供參考。