高速城際鐵路預(yù)制箱梁場智能建造關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

陳曉鵬

摘要：隨著國家經(jīng)濟(jì)快速增長，實(shí)施科技強(qiáng)國、質(zhì)量強(qiáng)國、交通強(qiáng)國、制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略，打造中國制造2025高鐵新標(biāo)準(zhǔn)，智能化、信息化技術(shù)的迅速發(fā)展及應(yīng)用，對高速鐵路箱梁場建造的質(zhì)量、安全、綠色環(huán)保以及信息化等方面提出更高的要求。本文通過對智能鋼筋加工、智能噴淋養(yǎng)護(hù)、智能預(yù)應(yīng)力張拉、智能孔道壓漿以及信息化的研究與應(yīng)用，大幅度提高簡支梁的智能建造水平，能夠?yàn)楦咚勹F路橋梁建造技術(shù)的提升，提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：預(yù)制梁場;BIM技術(shù);智能化;信息化;綠色化

一、序言

本文重點(diǎn)研究高速城際鐵路簡支箱梁預(yù)制過程中，應(yīng)用BIM技術(shù)+智能鋼筋加工生產(chǎn)線+智能運(yùn)輸、智能噴淋養(yǎng)護(hù)、智能預(yù)應(yīng)力張拉、智能預(yù)應(yīng)力孔道壓漿、數(shù)據(jù)信息化管理等技術(shù)對生產(chǎn)過程智能化水平進(jìn)行全面升級，最大限度的提高預(yù)制箱梁產(chǎn)品制造精度、耐久性能以及生產(chǎn)效率等。通過采用智能化、信息化相結(jié)合的智能建造技術(shù)，改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，提高預(yù)制簡支箱梁施工質(zhì)量，降低勞動(dòng)力資源的投入，為預(yù)制梁場智能化生產(chǎn)提供了大量技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

二、智能化技術(shù)原理研究

1.鋼筋智能化加工工藝原理

基于BIM技術(shù)的鋼筋智能制造集中管控技術(shù)主要就是對新型的無圖化加工技術(shù)的管控。對不同種類及型號鋼筋模型進(jìn)行碰撞檢測并優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中的鋼筋構(gòu)件規(guī)格、彎折角度、長度等信息建立鋼筋參數(shù)化模型，將鋼筋的信息模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成BVBS數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)街悄茕摻罴庸ぴO(shè)備MES管理系統(tǒng)中，一次建模，批量加工。通過BIM建模、信息化與智能鋼筋加工機(jī)器人相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鋼筋自動(dòng)加工斷料、彎制，形成一套鋼筋智能加工閉環(huán)體系，促使鋼筋翻樣精度和效率得到大幅度提升。

2.智能噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)工藝原理

智能噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)由調(diào)試變頻器、噴嘴系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系 統(tǒng)和溫濕感應(yīng)系統(tǒng)組成，根據(jù)環(huán)境溫度、濕度情況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)噴淋養(yǎng)護(hù)參數(shù)，按照存梁區(qū)為單位的養(yǎng)護(hù)時(shí)間管理功能，故障自動(dòng)報(bào)警，系統(tǒng)算法簡單，響應(yīng)快速，可實(shí)現(xiàn)梁體濕潤達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，主控制系統(tǒng)采用工控平板操作端和電子控制模塊組成，運(yùn)行狀態(tài)可以通過鐵路工程管理平臺或手機(jī)APP進(jìn)行查看，實(shí)現(xiàn)箱梁噴淋養(yǎng)護(hù)的數(shù)字化操作、可視化管控。

3.智能張拉系統(tǒng)工藝原理

智能張拉系統(tǒng)主要由4臺千斤頂，4臺電動(dòng)液壓站、8個(gè)高精度壓力傳感器、4個(gè)高精度應(yīng)變式直接測力傳感器、4個(gè)拉線式高精度位移傳感器、4個(gè)高精度溫度傳感器、1套完整的工業(yè)可編程控制器（1主3輔）、主機(jī)（一體化工作站）等組成?？赏瑫r(shí)控制4臺千斤頂同步工作，構(gòu)成平衡的雙向張拉。

微電腦預(yù)設(shè)張拉工藝參數(shù)后，一鍵啟動(dòng)操作、實(shí)現(xiàn)張拉過程的自動(dòng)化控制，伸長值顯示，張拉數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線采集及校核報(bào)警，張拉結(jié)果記錄存儲、數(shù)據(jù)直接傳輸以及網(wǎng)絡(luò)傳輸，信息化管理。

4.智能壓漿工藝原理

在預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁施工過程中，孔道壓漿是一道關(guān)鍵工序，其質(zhì)量的好壞直接影響整個(gè)預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁安全性和可靠性，

為減輕錨具負(fù)荷，使預(yù)應(yīng)力鋼絲束與混凝土緊密結(jié)合，保證兩者之間預(yù)應(yīng)力的有效傳遞，排除孔道內(nèi)的氣體及水分，提高鋼絞線與混凝土之間的粘結(jié)力，減輕梁端錨具負(fù)荷，采用智能壓漿設(shè)備進(jìn)行全過程控制，由自動(dòng)配料系統(tǒng)，微電腦自動(dòng)控制系統(tǒng)，高、低速攪拌系統(tǒng)，自動(dòng)進(jìn)漿系統(tǒng)組成，可自動(dòng)完成壓漿施工過程中的配料制漿、抽真空、壓漿以及安全輔助等功能的控制和執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了對出漿量的準(zhǔn)確掌握，進(jìn)而判斷壓漿密實(shí)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料、精準(zhǔn)稱量、自動(dòng)連續(xù)壓漿、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)保壓、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲、分析統(tǒng)計(jì)、顯示和傳輸功能。

三、智能化在梁場預(yù)制施工中的應(yīng)用

1.鋼筋智能加工及運(yùn)輸

利用建模Planbar軟件創(chuàng)建所需鋼筋信息模型，并通過碰撞檢測模塊 進(jìn)行干涉檢查、優(yōu)化，完成鋼筋清單的審核，建立精確的鋼筋模型數(shù)據(jù)庫。通過Planbar軟件系統(tǒng)將導(dǎo)出的BVBS數(shù)據(jù)文件發(fā)送至智能鋼筋加工設(shè)備MES管理系統(tǒng)中，接口程序自動(dòng)解析文件中包含的鋼筋加工的長度、彎折角度等參數(shù)信息，并完成格式轉(zhuǎn)換及繪圖工作，生成每孔箱梁所需鋼筋規(guī)格型號、數(shù)量、編號、自動(dòng)計(jì)算鋼筋長度、重量、大樣圖等數(shù)據(jù)，形成不同梁型所需的下料清單，精確指導(dǎo)鋼筋加工場生產(chǎn)備料。

通過解析數(shù)據(jù)傳送至智能鋼筋剪切、智能鋼筋彎箍等智能機(jī)器人加工裝備中，加工前工人只需調(diào)出相應(yīng)型號箱梁的配料單并核實(shí)信息，一鍵啟動(dòng)，批量生產(chǎn)。彎曲角度誤差在1以內(nèi)，斷料誤差±1mm，合格率達(dá)到100%，提高鋼筋綁扎精度，人均加工鋼筋量提高至40t/d，生產(chǎn)效率提高30%，加工后的鋼筋數(shù)據(jù)，管控系統(tǒng)直接采集，實(shí)現(xiàn)對鋼筋加工場后臺直接管控。

將加工彎制好的鋼筋，采用AGV智能運(yùn)輸車運(yùn)至鋼筋骨架綁扎區(qū)，通過運(yùn)輸車上精準(zhǔn)對位系統(tǒng)，自動(dòng)定位停車、自動(dòng)空載返回，減少人力60%以上，提高鋼筋運(yùn)輸作業(yè)效率。

2.智能噴淋養(yǎng)護(hù)施工

首次應(yīng)用前，將參數(shù)錄入多路噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)中，設(shè)置每個(gè)噴淋支路時(shí)間20s，設(shè)置間隔時(shí)間25min，將儲水池注滿水，池內(nèi)水位由低、高水位傳感器控制，電腦控制電磁閥開閉進(jìn)水量，控制系統(tǒng)通過壓力儲水罐上遠(yuǎn)傳壓力表傳遞信號來控制壓力使水霧狀化，支路之間設(shè)置錯(cuò)時(shí)噴淋作業(yè)。箱梁初張拉完成后，提至存梁養(yǎng)護(hù)臺座上，啟動(dòng)噴淋系統(tǒng)，當(dāng)儲水罐中的壓力達(dá)到0.3MPa時(shí)，壓力表向噴淋控制器發(fā)出遠(yuǎn)程信號，電磁閥自動(dòng)開啟，當(dāng)灌內(nèi)壓力達(dá)到0.5MPa時(shí)，停止向儲水罐中供水。噴頭在壓力作用下，形成180°或者360°旋轉(zhuǎn)，噴出霧狀水對梁體頂板、腹板、翼緣板、底板及箱內(nèi)全覆蓋噴淋，存梁臺座下設(shè)置防水區(qū)域，以便收集過濾已達(dá)到循環(huán)供水。也可通過溫濕傳感器信號，相對濕度在40%以下，微電腦自動(dòng)控制進(jìn)行噴淋，實(shí)現(xiàn)無人工干預(yù)養(yǎng)護(hù)，節(jié)約用水，提高養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

3.智能預(yù)應(yīng)力張拉施工

首先梁體混凝土強(qiáng)度、彈性模量、齡期三者均滿足預(yù)應(yīng)力張拉條件后，對智能張拉設(shè)備輸入預(yù)制箱梁型號、編號、制造日期、張拉力控制值、持荷時(shí)間、伸長量校核值等相關(guān)信息，確認(rèn)無誤后對梁體進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)。完成錨具、限位板、工作夾片安裝等工序后，一鍵啟動(dòng)，按照孔道張拉孔道順序，依次實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋的張拉、持荷、補(bǔ)壓、錨固等全過程操作。

張拉過程中，加載至20%控制應(yīng)力時(shí)，持荷30s，系統(tǒng)自動(dòng)采集工具夾片外露量和伸長量信息，當(dāng)張拉力達(dá)到100%的控制應(yīng)力時(shí)，千斤頂持荷300s，系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)壓到控制應(yīng)力，控制張拉力保持在控制應(yīng)力±1.0%之間，系統(tǒng)自動(dòng)采集伸長量和工具夾片外露量信息，隨后系統(tǒng)回頂錨固。張拉過程中系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并及時(shí)分析張拉力與時(shí)間、伸長量與時(shí)間、張拉力與伸長值三者之間的曲線關(guān)系，實(shí)現(xiàn)伸長值的動(dòng)態(tài)判斷，自動(dòng)調(diào)控張拉力和伸長值之間的匹配，使兩端張拉不同步率≤5.0%，其伸長值精度0.1mm，張拉力精度≤1.0%，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋兩端同步平衡張拉，張拉結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)上傳張拉報(bào)表至鐵路工程管理平臺。

正常情況下，當(dāng)實(shí)際伸長值與理論伸長值相差超出±6%范圍外時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)提示報(bào)警，并停止預(yù)應(yīng)力筋張拉作業(yè)，待查明原因，排除問題后，方可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉作業(yè)。

4.智能壓漿施工

智能壓漿設(shè)備采用全自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)，先錄入系統(tǒng)工程信息、梁型號、材料信息、工藝參數(shù)以及配合比等參數(shù)信息，系統(tǒng)按照設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行制漿，稱量誤差≤1.0%，稱重傳感器精度≤0.50%F.S，一鍵啟動(dòng)，自動(dòng)在攪拌機(jī)中加入80%的拌和用水量，并投入壓漿劑，攪拌2min后，投入剩下的20%拌和用水量，再繼續(xù)攪拌2min，漿液出機(jī)流動(dòng)度控制在18±4s范圍內(nèi)，水膠比0.33，滿足漿體的流動(dòng)性能。

漿體壓入孔道前，先排凈壓漿孔道內(nèi)的空氣、水和稀漿后進(jìn)行抽真空，真空度保持在-0.06～-0.08MPa之間時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出語音提示，關(guān)閉抽真空閥門，開啟管道壓漿端閥門，系統(tǒng)開啟壓漿泵進(jìn)行連續(xù)壓漿，注漿流量≤35L/min，當(dāng)孔道內(nèi)壓力連續(xù)20s，保持在0.5～0.6MPa之間時(shí)，系統(tǒng)會語音提示進(jìn)入壓漿排氣階段，排凈孔道內(nèi)的氣體，當(dāng)漿液流動(dòng)度相同且漿體均勻?yàn)橹?，孔道壓力保持?.5～0.6MPa之間10s，設(shè)備會語音提示進(jìn)入保壓階段，保壓時(shí)間180s，保壓期間孔道壓力低于0.5Mpa時(shí)，設(shè)備會自動(dòng)補(bǔ)壓。

在孔道進(jìn)漿與出漿口處分別安裝壓力傳感器裝置，實(shí)時(shí)采集壓力、流量等主要參數(shù)信息，系統(tǒng)主機(jī)分析判斷，測控系統(tǒng)接收主機(jī)指令進(jìn)行注漿的壓力和流量自動(dòng)調(diào)控，確保預(yù)應(yīng)力孔道漿液壓力、持壓時(shí)間以及濃度等重要數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的約束下完成壓漿過程。

四、信息化系統(tǒng)在預(yù)制梁場中的應(yīng)用

梁場生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，以信息化平臺為載體、BIM技術(shù)為核心，打通各工序“孤島效應(yīng)”，應(yīng)用協(xié)同平臺技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)、數(shù)據(jù)終端以及智能化裝備等新技術(shù)、新產(chǎn)品相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)梁場生產(chǎn)管理信息化，有效提升預(yù)制梁產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)工序、安全質(zhì)量、檢驗(yàn)記錄、施工資料、出入庫、產(chǎn)品信息等方面管理和生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)分析達(dá)到生產(chǎn)全過程管理的信息化。

信息化進(jìn)度管控體系以錄入電子施工日志為基礎(chǔ)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)進(jìn)度報(bào)表和箱梁生產(chǎn)形象進(jìn)度圖，并把施工組織和工程進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和推演預(yù)警。信息化質(zhì)量管理體系通過現(xiàn)場視頻監(jiān)控以及監(jiān)測系統(tǒng)，從原材料進(jìn)場過磅、驗(yàn)收、檢驗(yàn)、混凝土拌和、澆筑等全過程監(jiān)控，嚴(yán)把質(zhì)量控制源頭，確保原材料、構(gòu)配件等進(jìn)場材料有序可控。

在過程控制方面，通過梁場信息化管理應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對施工過程數(shù)據(jù)數(shù)字化管理監(jiān)控和采集，加強(qiáng)施工關(guān)鍵工序和隱蔽工程的質(zhì)量控制。在工程資料管理方面，通過影像資料采集，檢驗(yàn)批、試驗(yàn)報(bào)告，施工日志等資料的錄入，平臺 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電子歸檔，通過鐵路工程管理平臺方便資料查閱和追溯。

信息化安全管理體系是對箱梁施工中關(guān)鍵工序的監(jiān)控視頻、測量以及人員定位信息系統(tǒng)加以融合，為提升施工安全防范能力，以消除安全隱患，對安全風(fēng)險(xiǎn)較大區(qū)域重點(diǎn)實(shí)施監(jiān)控。三維數(shù)字監(jiān)管體系是應(yīng)用數(shù)據(jù)分類和編碼、數(shù)據(jù)存儲的方式，以BIM技術(shù)為中心的數(shù)字化監(jiān)管體系，使每榀箱梁預(yù)制動(dòng)態(tài)顯示。

五、結(jié)束語

目前，智能化技術(shù)正不斷的深入高速鐵路工程各個(gè)領(lǐng)域，以其高效率、高精度、高質(zhì)量、高安全、低能耗以及無人化作業(yè)等特點(diǎn)在高速鐵路建設(shè)中取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。高鐵城際鐵路預(yù)制簡支梁智能制造關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，提升了預(yù)制簡支箱梁的產(chǎn)品建造質(zhì)量。隨著科技發(fā)展，智能化技術(shù)還將不斷的創(chuàng)新迭代，以更加優(yōu)化的方案提升工程施工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

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