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城市功能的影響為背景。對市政工程快速更新建造智能裝備進行研究。研制的市政工程智慧更新建造智能設備，減小了施工對城市居民生活的影響，提升了項目信息化管理程度，實現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

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[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、隧道及巖石力學方面的研究工作。

1 市政工程智慧更新建造

隨著人類社會經濟的快速發展，人民生活水平大幅度改善、城鎮化水平穩步提高、城市發展質量、速度顯著提升，很多已有的建造技術、手段、設備雖然還能繼續使用，但是建造速度、效率已不能滿足城市發展的要求，有時甚至會嚴重影響城市發展的進度。因此，大力發展新技術、新設備是加快城市發展的必由之路。

日本東京在改造六本木新城時，大量修建了地下綜合管廊項目，將城市供水、排水、污水處理、燃氣、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中運用了盾構技術，縮短了施工工期，并較大程度上降低了施工成本。

進入新世紀，我國進入了高速發展時期，智能建造概念也逐漸出現在相關研究中。李俊紅[1]等學者對CRTS雙塊式無砟軌道智能化建造設備進行研究，徹底顛覆了傳統施工工法，從根本上提高施工功效和施工質量精度，降低了施工成本。萬仁威[2]等學者對異形結構的智慧建造進行研究，利用無人機、Hololens全息眼鏡、智能放樣機器人以及三維激光掃描儀等智能建造設備，整合出了一套質量控制全過程全過程質量控制的解決方案。國內學者在智能建造的研究目前還處在一個起步階段，還未形成全流程的智慧建造應用;如何采用智慧建造手段減少施工對城市的影響也較少考慮。目前，城市建設進入了一個新的階段，城市基礎設施的能源輸送能力、交通通行能力以及環境承受能力已遠遠不能滿足當前城市需求，急需對城市市政設施進行更新改造。但是城市內人口、房屋、管線密集，人員、建筑、管線互相影響嚴重，給城市的更新改造帶來了難以想象的困難。在現有的復雜受限城市環境下，如何快速、安全的進行施工建造，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，是城市內快速建造需要解決的問題，故急需對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備

2.1 二維碼數據傳輸應用

通過BIM系統分類生成二維碼生產訂單，即給鋼筋加工生產線綁定了含有二維碼圖像的任務單料牌，然后智能化鋼筋加工設備通過自身掃碼槍完成生產訂單的數據錄入，并啟動自動化生產，此二維碼在生產后的鋼筋入庫、配送等環節中同樣可被識別，從而提高了生產效率，降低鋼筋生產各個環節的出錯率。

2.2 無線云端通訊技術應用

智能化鋼筋加工設備自帶無線中繼模塊，無線中繼模塊可與設備控制器連接并進行數據傳輸，完成鋼筋加工所需的長度、角度、數量等值的轉換，通過網絡與遠程BIM服務器進行數據交換，獲得鋼筋加工所需的各種參數數據，并提供前一批次鋼筋加工的完成情況與設備當前的運行狀態，用戶通過訪問服務器可獲得鋼筋加工的進度與設備運行情況。

2.3 智能加工設備的數據處理

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

3 預制裝配式構件模具、構件生產設備

3.1 裝配式構件模具設計與制造

針對預制裝配式構件變化多樣，構件數量巨大，質量要求高，參照設計構件圖紙與CAD智能精確排版圖紙，結合技術要求對構件模具進行專門的設計，包括底架、邊模、配件、埋件等，最終將圖紙細分，生成材料清單;最后將每個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運至預制構件制作車間，繼續完成預制構件澆筑養護等工作，預制構件生產嚴格控制生產流程：預制混凝土強度、構件外觀質量要求高，工業化生產需嚴格按照流程逐步推進，任意環節的失誤均可能帶來構件的偏差，從而影響工程實施，構件流水線生產工藝如圖3所示，工廠預制現場如圖4、圖5所示。

3.2 預制構件信息化管理

3.2.1 生產數據整理

工廠預制現場組裝是城市快速更新建造一個有效手段，但是預制構件多、模具多，現場存放、管理混亂。技術人員將預制構件尺寸、定位（樁號，地理位置）、尺寸等參數整理后上傳至云平臺（圖6），錄入云平臺生產進行數據分析、管理。通過云平臺將數據發送給生產系統，生產系統接單后統一安排，確定生產時間及周期，并再次反饋至云平臺，技術人員可在系統查看接單情況及及準確生產周期，以便進行運輸、安裝統籌規劃（圖7～圖9）。

3.2.2 專屬二維碼粘貼

技術系統對工程全部預制構件逐一編碼，并將其標注于排版圖中，系統中設置已安裝構件為綠色區域，設置正生產構件為黃色區域，設置未提交生產構件為紅色區域，混凝土生產后生產系統在云平臺系統中提取構件參數生成專屬二維碼，由專業人員現場對預制構件進行核實并粘貼二維碼（圖10）。

3.2.3 云平臺數據分析

采用云計算和預制構件管理技術，對上傳的數據進行分析，在綜合考慮構件尺寸、運距、構件數量、安裝成本等各項因素后，確定構件詳細尺寸、數量、運輸終點等環節，架構一個集排版-生產-安裝等多專業、多環節融為一體的信息管理平臺（圖11）。通過云端大數據的存儲、云計算的處理，實現了預制構件智能加工養護、統籌運輸安裝、信息集中管理。

4 施工區域交通智能分流導控系統

快速化改造因為會對周圍道路進行占用，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，當這個范圍內車輛過多時，車輛將進行排隊，從而產生延誤，進而引發道路擁堵。為了保障路網順暢運行，需要將此部分交通流通過其他路網分流出去，為此，通過研究，聯合城市交管部門，在城市交通管理信息系統中植入智能交通導行系統，用以對施工區域過往的車輛進行預警與誘導。將施工區域及周邊多個節點車流信息并網，分析并處理，得出實時城市道路車流量信息，并在施工區域及路口處設置前方路況動態信息提示牌，提前告知前方交通信息。利用各通信運營商以短信方式將區域車流信息推送至附近司機，通過城市交通實時監測系統將施工區域車流信息推送至市內行駛中的車輛車載導航系統或手機導航系統中，及時提醒車輛繞行，從而使施工區域周邊車輛提前分流到其他路網。確保了施工作業人員及施工區域車流安全，提高了施工區域及周邊車輛通勤效率，同時也提高了市區工程更新建造速度。

4.1 施工區域超高超限預警系統

施工區域超高超限預警系統監測對象主要針對進入施工區域一定范圍的車輛、設備及人員。其系統主要由激光車輛超高檢測系統及紅外感應語音提示系統組成。

激光車輛超高檢測系統通常由激光發射機，激光接收機等部分構成，激光發射機發出激光束并被激光接收機接收，當有超過限制高度的車輛通過時激光束被阻斷，接收機立即發出報警信號，同時還可以啟動其他報警或控制設備，在橋梁、隧道口等施工限高區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，當超高車輛進入時，檢測器報警，輸出報警信號，超高控制報警主機，由超高報警主機觸發報警警號，對超高車輛報警，警告其停止前進（圖12）。

激光超高車輛檢測示警系統分為四個部分：①激光檢測——通過激光對射檢測方式對超高車輛進行準確檢測;②誘導警示——運用LED顯示屏對超高車輛進行安全行車路線誘導;③視頻抓拍——對駛入限高區域的超高車輛檢測并進行抓拍圖片或錄像;④信息管理——對上傳的圖片及車輛超高事件信息進行統一合理化管理。

其原理主要是當有車輛高度超過預先設定好的高度時，激光檢測設備向控制設備發出車輛超高的信號，控制設備立即發出指令讓前方100 m處的LED誘導信息板提示司機車輛超高信息，并提供出行車路線誘導車輛繞行，同時控制器通過無線傳送至監控中心提醒有關人員車輛超高意外事件的發生。檢測系統采用光學的方法，在道路上方的標準高度處設置橫向光路，普通車輛對光路無影響，而超高車經過時必然切割光路發出阻擋脈沖信號，可以將該信號作為判別車輛是否超高的依據，將其轉換成電信號后便于管理和控制（圖13）。

4.2 施工區域通行人員紅外感應語音提示系統

主要是在施工危險區域及工程設備工作范圍內一定距離設置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卡存儲器開發的語音播放器材。當探測器探測到有人進入施工危險區域或工程設備一定距離內時，會自動感應播報定制的語音信息。從而提醒工地施工、安全管理人員注意，同時也提醒設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范圍大、探頭靈敏度高、音質好、音量大、掉電可長期存儲等特點，因此可廣泛應用于施工區域及施工設備上，對市政工程快速建造起到了很好的支撐作用（圖14）。

5 結論

市政工程智慧更新建造智能裝備研究對于密集、狹窄、復雜城區的市政更新改造及公園城市建造具有重大指導意義。

（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備數據同步處理等技術，實現了鋼筋工程和預制構件的精準算量、精細翻樣、精確制作、信息管理、快速成型和快速安裝。

（2）對預制構件模具進行專門研究，確定最優模具及模具種類、數量，在不影響預制構件制作質量的同時，節約了資源加快了生產。

（3）研發的市政工程智慧更新智能建造設備，減小了施工對城市居民生活的影響，提升了項目信息化管理程度，實現了城市更新建造的智能化，為中國乃至世界城市范圍內的智慧智能建造提供參考。

參考文獻

[1] 李俊紅，徐明星.CRTS雙塊式無砟軌道智能化建造設備研究[J].智能城市，2020，6（8）：170-171.

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