技術革新推進產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化

文｜陳斐

近年來，我國核電項目進展順利，僅2018年就捷報連連：EPR 全球首堆廣東臺山核電1號機組首次并網(wǎng)發(fā)電成功，AP1000 全球首堆浙江三門核電1 號機組首次并網(wǎng)成功，華龍一號穹頂?shù)跹b成功，中俄簽署迄今最大核能合作項目。2019年10月16日漳州核電1 號機組開工，意味著國產(chǎn)自主三代核電技術華龍一號正式進入了批量化建設時代。

隨著我國核電技術方面重大突破和核電標準化體系的完善，將不斷推動我國自主核電品牌建設和國際合作。在核電施工中要使用大量的鋼筋，某些堆型單機組鋼筋使用量高達6 萬噸，由此可見，鋼筋深化設計和加工是核電建設的重要環(huán)節(jié)之一，直接影響核電工程的質量和安全。對此，中國核工業(yè)二四建設有限公司在核電工程中配備了美國KRB 機械公司制造的先進鋼筋加工設備，包括鋼筋聯(lián)動剪切線、數(shù)控彎箍機和數(shù)控彎曲機，加工精度和生產(chǎn)效率較高。

目前各大施工企業(yè)利用BIM 技術進行鋼筋深化設計的成果有很多，但將BIM 技術應用于鋼筋自動化加工的成果較少，主要是由于BIM軟件與鋼筋加工設備間存在數(shù)據(jù)孤島問題。尤其在核電工程中，雖然鋼筋加工設備較為先進，但仍需要人工手動錄入鋼筋信息到設備中才能完成鋼筋加工。這種方式人工成本較高、效率低，并存在一定的人為失誤因素，因此，利用BIM 技術開展鋼筋自動化加工研究迫在眉睫。

圖1 技術路線圖

數(shù)據(jù)交互 自動讀取

施工企業(yè)在核電工程中利用BIM 技術進行鋼筋深化設計后，通過二次開發(fā)，將模型通過專用格式與核電多項目管理系統(tǒng)ENPower集成，在系統(tǒng)中將鋼筋數(shù)據(jù)自動處理轉換成PDF417 二維條碼，并自動生成鋼筋加工計劃和配料單，然后利用與鋼筋加工設備配套的掃碼器掃描配料單上的二維條碼，由此將鋼筋加工數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O備中，從而完成鋼筋自動加工。

BIM 與鋼筋加工設備的數(shù)據(jù)交互。利用BIM 技術進行鋼筋深化設計得到的是含有詳細數(shù)據(jù)信息的幾何形狀，如何讓鋼筋加工設備讀取鋼筋的BIM 幾何形狀信息并正確加工是主要研究點。通過查閱國外鋼筋加工設備技術手冊，最終選定BVBS 碼作為鋼筋幾何形狀信息的數(shù)據(jù)載體，鋼筋加工設備只需讀取鋼筋對應的BVBS 碼便可以解析二維鋼筋形狀和三維鋼筋形狀數(shù)據(jù)。

一個完整的BVBS 碼用來表示一根或多根同類型的待加工鋼筋，可分為形狀類型、頭部數(shù)據(jù)塊（標識符H）、幾何數(shù)據(jù)塊（標識符G）、校驗數(shù)據(jù)塊（標識符C）、換行符（標識符CRLF）四部分。其中頭部數(shù)據(jù)塊和幾何數(shù)據(jù)塊的鋼筋信息可以從BIM 模型中讀取。

PDF417 二維條碼是一種堆疊式二維條碼，1991年由美國SYMBOL 公司發(fā)明，PDF（Portable Data File）意思是“便攜數(shù)據(jù)文件”。組成條碼的每一個條碼字符由4 個條和4 個空共17 個模塊構成，故稱為PDF417 條碼，PDF417 條碼結構圖如圖2 所示。PDF417 條碼最大的優(yōu)勢在于其龐大的數(shù)據(jù)容量和極強的糾錯能力，即使條形碼污損50%也能被正確讀出。PDF417 二維條碼是實現(xiàn)證件及卡片等大容量、高可靠性信息自動存儲、攜帶并可用機器自動識讀的理想手段。

圖2 PDF417 條碼結構圖

圖3 示例鋼筋的PDF417 碼

因此，PDF417 碼完全滿足作為鋼筋幾何信息載體的條件，將BVBS 碼轉化為PDF417碼便可將數(shù)據(jù)掃描讀取到鋼筋加工設備。上文中示例鋼筋的PDF417 碼如圖3 所示，用專用掃碼器便可掃描得到BVBS 碼。

數(shù)據(jù)集成 自動加工

核電工程鋼筋深化設計采用Bentley 公司的ProStructures 軟件。核電多項目管理信息系統(tǒng)ENPower 是在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡系統(tǒng)支持下建立的系統(tǒng)的、高集成度的信息系統(tǒng)，能夠管理核電建造過程各階段業(yè)務的全部信息，包括鋼筋加工料單信息。要將BIM 技術應用到鋼筋自動加工中就必須實現(xiàn)BIM 與ENPower 的集成。

i-model 技術是為支持項目團隊聯(lián)合工作的信息交互的通用方法，適用于項目的幾何圖形信息和數(shù)據(jù)信息。i-model 包含豐富的元數(shù)據(jù)和組件的業(yè)務屬性、幾何圖形及關系，不需要專門的應用程序邏輯來解析，不需要引用外部的架構定義，所有需要的架構定義都內置在i-model 中。i-model 包含信息的來源、日期、狀態(tài)等，且是只讀的。i-model 可直接由Bentley 軟件輸出或轉換程序生成。鑒于此，i-model 技術是實現(xiàn)BIM 與ENPower 系統(tǒng)集成的最優(yōu)方式。

圖4 BIM 與ENPower 系統(tǒng)的集成

圖5 轉換BVBS 碼和PDF417 碼功能模塊

圖6 鋼筋配料單

圖7 KRB 鋼筋聯(lián)動剪切線設備

圖8 掃碼操作

圖9 移動端掃碼操作

圖10 彎曲機自動加工

利用i-model技術，經(jīng)過二次開發(fā)，ENPower 系統(tǒng)中可以直接查看鋼筋三維模型并讀取鋼筋的幾何形狀信息（圖4），實現(xiàn)二者的數(shù)據(jù)集成。

接下來在ENPower 系統(tǒng)中添加兩個功能模塊，一是將鋼筋的幾何形狀信息轉換為BVBS碼的功能模塊，二是將BVBS 碼轉為PDF417碼的功能模塊（圖5）。

這樣一來，ENPower 系統(tǒng)導出鋼筋配料單（圖6），鋼筋加工廠工人利用掃碼槍掃描料單上的PDF417 碼，加工數(shù)據(jù)便傳輸?shù)戒摻罴庸ぴO備，設備讀取完一個批次的數(shù)據(jù)后就能開始自動加工（圖7～10）。

目前，各類堆型的核電工程中約有近200種二維和三維鋼筋形狀，采用BVBS 碼格式能夠準確表達其中約100 種常用鋼筋形狀。但對于非標準、異形鋼筋，數(shù)控加工難以解決技術問題，仍需要借助常規(guī)加工設備。數(shù)控設備與常規(guī)設備搭配使用，可以解決不同的加工需求，數(shù)控設備的高效性可以解決批量化半成品加工，常規(guī)設備的靈活性可以解決非標構件、零星變更補料等需求。

將BIM 技術應用在核電工程鋼筋自動加工中，操作簡單，不僅可以大大減少人為干預過程，避免因人為失誤造成的損失，還可以提高鋼筋的加工質量和效率，在實際應用中鋼筋加工效率提升約29.23%。此外也降低了鋼筋加工廢料余料率，每噸鋼筋成本可以節(jié)省約175 元，具有較好的經(jīng)濟和社會效益，是今后核電工程和其他大型工程鋼筋加工的趨勢，而且能夠提高企業(yè)在市場上的科技實力和綜合競爭力。

下一步研究方向是通過ENPower 系統(tǒng)連接鋼筋加工設備、采集鋼筋加工信息，可支持鋼筋加工廠的加工過程監(jiān)控、材料管理；通過掃碼監(jiān)控鋼筋成品的倉儲、物流和交付等過程，可提高項目管理水平、減少倉儲積壓。進一步助力我國數(shù)字化核電建設。