面向橋梁工業化的智慧梁場云平臺及應用

摘要：隨著橋梁工業化水平不斷提升，梁場管理過程中逐漸呈現出預制梁“制存運架”協同困難、制梁計劃與排產復雜、存梁找梁困難、架梁安全風險高等管理難題。因此，以新一代信息技術為基礎，圍繞預制梁“制存運架”全過程，打造具有生產智能化、管理數字化、決策智慧化特征的智慧梁場云平臺，實現基于BIM的梁場虛擬建造施工模擬、梁場“制存運架”全流程數字化管理及面向梁場生產對象的數字孿生應用，進而重塑預制梁生產建造模式，實現梁場生產過程的提質增效。

關鍵詞：橋梁工業化；智慧梁場云平臺；虛擬建造；智能生產；數字孿生

0引言

推進橋梁工業化、數字化、綠色化建設是建筑產業高質量發展的內在要求[1]。橋梁工程作為重要的交通基礎設施工程，其建造方式在數字技術賦能背景下正經歷重大轉型，由傳統工程項目向生產工業產品的理念轉變，進而推動構建現代橋梁產業體系[2]。然而，橋梁工業化建造轉型過程中，仍面臨工業化建造技術尚未普及、數字化建造水平發展尚淺、智能化建造模式仍在探索等多重阻礙[3]，尤其橋梁建造階段尚未系統地建立適應工業化特征的橋梁部件生產組織方式，缺乏完整的橋梁產品化體系。因此，亟待開展橋梁工業化智能建造技術研發與實踐，以進一步提高我國橋梁建設水平。

預制梁作為橋梁工業化的重要方向之一，其具備施工質量高、建設速度快、建材損耗少、精確易控制、交通干擾小的特點，已被廣泛應用于各類公路、鐵路橋梁建設中[4]。預制梁場作為預制梁建設的關鍵保障性工程，在橋梁預制過程中發揮著巨大的作用[5]。然而，隨著預制梁場的建設規模不斷擴大、生產周期不斷加快，預制梁管理存在制梁計劃與排產復雜、存梁找梁困難、架梁安全風險高等施工管理痛點[6]。針對當前預制梁施工面臨的問題，國內外不少學者利用新一代信息技術進行了相應研究。張迎松等[7]將BIM信息化技術運用到預制梁場中，實現梁場生產過程可視化、施工流程標準化、業務管理數字化。馬世俊[8]通過物聯網傳感技術匯聚梁場生產管理數據，構建數字梁場信息化管理平臺，為梁場管理和決策提供依據。付旭等[9]基于數字孿生技術連接真實梁場和數字梁場，以三維場景可視化的方式實時映射實際生產情況，輔助管理人員了解現場施工情況。但是，目前各個信息化系統存在實際生產工序判別難、“制存運架”全過程未貫通等問題，造成項目管理人員在使用過程中面臨線上線下“兩層皮”困境。如何實現對預制梁場建造過程的全方位管理，真正賦能智慧梁場建設，成為關鍵所在。

因此，以預制梁場業務邏輯為基礎，研發基于BIM的梁場虛擬建造施工模擬、梁場“制存運架”全流程數字化管理、面向梁場生產對象的數字孿生應用等關鍵技術，建立面向橋梁工業化的智慧梁場云平臺，并通過某智慧梁場應用案例進行驗證，實現預制梁場生產智能化、管理數字化和決策智慧化。

1智慧梁場概念內涵

智慧梁場指通過運用BIM、數字孿生、大數據、物聯網等新一代信息技術，圍繞預制梁“制存運架”全過程，打造智慧梁場云平臺，并圍繞梁場虛擬建造、智能生產、數字孿生建立三維數字工廠，實現數據驅動下智慧梁場規劃設計、施工動態管理的一體化協同，進而促進工程價值鏈提升和產業變革。

1.1梁場虛擬建造

梁場虛擬建造主要面向梁場規劃設計階段，圍繞梁場布局優化、BIM模型快速編碼、計劃智能生成，進行事前模擬。

通過對梁場布局進行優化，指導梁場規劃設計做出適應性調整和優化；通過對BIM模型進行在線快速編碼，保障預制梁不同層級下的構件編碼唯一性；根據架梁順序、存梁能力、砼齡期生成施工前的總計劃及周期計劃，并結合企業資源庫，輸出相應的物資需求計劃。

1.2梁場智能生產

梁場智能生產主要面向預制梁“制存運架”施工過程，圍繞項目智慧物聯、制梁智能排產、存取梁智能推薦、運梁智能調度、架梁智能預警、廠場聯動，進行生產管理過程動態優化，輔助項目生產管理人員進行數字化管理。

通過現場布設的智能設備及工藝裝備，實現各類生產數據的實時感知；通過制梁智能排產，自動推薦最優生產節奏，確保梁段預制高效、如期進行；通過存取梁智能推薦，自動推薦最優存梁位置，并結合可視化方式輔助管理人員現場快速找梁；通過運梁智能調度，根據項目現場的架設需求制訂發運計劃，并進行智能調度，提高運輸工具的使用效率；通過架梁智能預警，實現架設安全監控監測及進度數據自動獲取；通過預制廠與施工現場實際進度數據，推算前后場進度差值，優化制梁計劃或現場生產計劃，實現前后場進度的動態更新、匹配、優化，保障現場架設按計劃節點進行。

1.3梁場數字孿生

梁場數字孿生主要面向梁場生產過程，通過Web圖形引擎、BIM、GIS等技術，實現真實梁場與虛擬梁場的孿生映射，以可視化方式展示制梁、存梁、運梁及架梁的實施情況，輔助項目管理人員進行決策。

2智慧梁場云平臺體系架構

2.1系統架構

智慧梁場云平臺以新一代信息技術為手段，以業務數據為基礎，以梁場設計、“制存運架”業務為導向，開展虛擬建造、智能生產、數字孿生等服務。該平臺架構主要由技術層、數據層、業務層、服務層、展示層和用戶層構成，圍繞預制梁場“設計-制梁-存梁-運梁-架梁”業務環節，自下而上層層遞進，打通梁場施工數據、服務、用戶各個層級，智慧梁場云平臺系統架構如圖1所示。

（1）技術層。技術層為智慧梁場云平臺系統的能力支撐，通過運用云計算、大數據、移動互聯網、物聯網、啟發式算法、三維引擎新一代信息技術，為智慧梁場云平臺提供數據采集、數據傳輸、數據存儲、數據分析的基礎共性能力，保障系統能穩定安全運行。

（2）數據層。數據層為智慧梁場云平臺系統的數據支撐，主要包括預制梁場全生產過程所涉及的進度、安全、質量、人員、機械、物料、工藝工法、環境數據，為智慧梁場平臺的運行提供數據支撐服務。其中，數據采集方式有基礎數據錄入配置、傳感器數據對接、設備升級改造等。

（3）業務層。業務層為智慧梁場云平臺系統的業務支撐，圍繞預制梁場的設計、制梁、存梁、運梁、架梁關鍵業務階段，貫通智慧梁場全流程階段，打通整個平臺的數據流和信息流，為智慧梁場平臺提供業務邏輯。

（4）服務層。服務層面向智慧梁場云平臺系統提供應用服務，主要包括虛擬建造子系統、智能生產子系統、數字孿生子系統，其中，虛擬建造子系統主要是針對梁場設計階段的事前模擬，智能生產子系統主要是圍繞“制存運架”生產過程的動態管控，數字孿生子系統主要是將現實梁場生產情況實時映射在虛擬梁場中，進而輔助施工建造過程智能決策及管控。

（5）展示層。展示層為智慧梁場云平臺系統提供展示窗口，充分考慮各類用戶的操作需求，可支持PC端、移動端、本地端、消息推送應用方式，提高系統的便捷性與可操作性。

（6）用戶層。用戶層為智慧梁場云平臺系統的使用對象，主要包括項目級和企業級用戶，其中，項目級用戶主要面向梁場管理人員和生產人員，實現對項目生產數據的綜合管理；企業級用戶主要面向企業管理人員，實現對企業多個梁場項目的統籌管理。

2.2功能設計

智慧梁場云平臺圍繞梁場設計、制梁、存梁、運梁、架梁全階段，主要包括虛擬建造、智能生產、數字孿生三大子系統。其中，虛擬建造子系統具備梁場布局優化、梁場信息模型快速賦碼、生產計劃編排三大功能模塊；智能生產子系統具備智慧物聯、制梁智能排產、存梁智能推薦、運梁智能調度、架梁智能預警、廠場聯動六大功能模塊；數字孿生子系統包括可視化實時管控、遠程集中控制、生產進度預測、生產資源優化四大功能模塊，智慧梁場云平臺功能設計如圖2所示。

2.2.1虛擬建造子系統

（1）梁場布局優化模塊。該模塊首先根據實際設備尺寸及場地范圍布局梁場各作業單元的邊界條件；其次建立物料轉運成本最小、場地利用率最大的兩大目標函數；最后基于上述目標函數及邊界條件編寫遺傳算法、模擬退火等優化算法，求解最優布局，調整梁場產線布設及轉運路線，實現產線生產效能提升。

（2）模型快速編碼模塊。該模塊將梁段構件按橋、聯、跨、梁維度細分，建立一套編碼規則，并將BIM模型上傳至智能生產子系統，利用在線快速編碼，實現面向多業務場景結構分解需求的預制梁生產信息模型，保證梁段構件在全生命周期的編碼唯一性。

（3）生產計劃編排模塊。通過虛擬建造進行生產模擬，以預制梁為管理對象，以橋梁及架設工作面為控制節點，結合架設順序倒排每跨節點，根據架梁順序、存梁能力、砼齡期生成總計劃及自定義周期（年、月、周）計劃，并結合企業資源庫，輸出生產計劃對應的物資需求計劃。

2.2.2智能生產子系統

（1）智慧物聯模塊。智慧梁場生產涉及的工藝裝備包括龍門吊、流水臺座、混凝土澆筑設備、蒸養設備、張拉壓漿、橫移小車等；智能設備包括龍門吊、運梁工具、架橋機監測、視頻監控、環境監控、AI視頻識別等，采用物聯網、移動互聯網、大數據等現代信息技術，串聯預制梁場智能設備與工藝裝備，實現梁場生產過程的全域感知、數據互通。

（2）制梁應用模塊。以預制工序為對象，通過架設計劃推算預制計劃，進而按照時間、生產線、資源維度進行生產智能排產，并以可視化圖表的形式直觀展示預制生產總體數據。

（3）存梁應用模塊。主要包括存梁最優推薦、智能調梁推薦、智能取梁推薦功能，可結合預制梁架設時間，以存梁臺座、出梁順序為判斷條件，自動尋找最優存梁位置；并通過模型可視化方式，快速定位梁板存儲位置，輔助管理人員現場快速找梁。

（4）運梁應用模塊。主要包括運輸路線配置、運輸計劃管理、運輸智能調度、運梁看板等功能，實現依據項目現場的架設需求制定發運計劃，同時對運輸過程中的車輛實時監控。

（5）架梁應用模塊。主要包括架設工序配置、架橋機監測（行程傳感器、視頻監控、風速儀、紅外限位等）、架設智能預警、架設看板功能，實現架設安全監控監測及進度數據自動獲取，并通過三維可視化方式實時展示架設作業情況。

（6）廠場聯動模塊。主要包括架設節點分解、部位關聯、施工進度預測、節點延期預警功能，根據預制廠與施工現場實際進度數據，推算前后場進度差值，優化制梁計劃或現場生產計劃，實現前后場進度的動態更新、匹配、優化，保障現場架設按計劃節點進行。

2.2.3數字孿生子系統

數字孿生子系統（圖3）以梁場物理實體、梁場虛擬模型為基礎，利用智能生產子系統匯聚梁場實際運行數據、虛擬模型仿真數據，并進行相應分析，進而實現梁場可視化實時管控、遠程集中控制、生產進度預測、生產資源優化等應用模塊。

（1）可視化實時管控模塊。即以虛映實。數字孿生子系統將真實梁場與虛擬梁場進行孿生映射，準確展示制梁、存梁、運梁及架梁的實施情況，實現梁場可視化實時管控。

（2）遠程集中控制模塊。即以虛控實。數字孿生子系統針對智慧梁場關鍵設備進行控制改造，實現工序判別與監測，以工序驅動為核心實時更新任務池，對于設備執行類任務則通過物聯網平臺下發執行指令，從而實現設備參數判別工序、工序驅動設備任務的智能集群協同控制技術，并在此技術應用的同時，加入硬件層及算法層避障手段、緊急停止安全機制，形成多維度的安全保障方案。

（3）生產進度預測模塊。即以虛預實。即以預制梁各工序為管理對象，按照時間、生產線、資源維度確定各工序關聯關系，進而預測每一榀梁的每一道工序施工進度，實現梁場整體生產進度可控。

（4）生產資源優化模塊。即以虛優實。運用智能排程、存取梁智能分配、多目標資源優化調度等智能優化算法，針對梁場生產過程中的關鍵資源、對象、活動提供智能輔助決策，實現資源、進度及質量安全的協同化管理。

2.3關鍵技術

2.3.1基于BIM的梁場虛擬建造施工模擬技術

面向梁場設計階段，圍繞梁場布局優化、BIM模型快速編碼、計劃智能生成進行虛擬建造施工模擬。研發基于元啟發算法的梁場布局多目標優化技術，實現梁場的場地布局最優；研發基于梁場BIM的在線快速編碼技術，實現模型構件編碼的唯一性；研發基于架設工作面的生產計劃智能推算，實現梁場生產計劃與物資計劃自動生成。

2.3.2梁場“制存運架”全流程數字化管理技術

面向預制梁“制存運架”施工過程，圍繞制梁智能排產、存取梁智能推薦、運梁智能調度、架梁智能預警進行生產管理過程動態優化。研發基于實時工序采集的生產智能排產算法，自動推薦最優生產節奏，確保梁段預制高效進行；研發基于空間布局搜索的存取梁智能推薦，輔助管理人員現場快速存梁、找梁；研發基于架設需求的多運輸工具優化調度算法，提高運輸工具的使用效率；研發基于架橋機實時監測數據的智能預警算法，保障架設安全及進度數據自動獲取。

2.3.3面向梁場生產對象的數字孿生應用

面向梁場全生產對象，以梁場物理實體和虛擬模型為基礎，以梁場實際運行數據和虛擬模型仿真數據為驅動，以智能生產子系統為載體，研究集梁場可視化實時管控、遠程集中控制、生產進度預測、生產資源優化功能為一體的數字孿生子系統，實現梁場以虛映實、以虛控實、以虛預實、以虛優實。

3智慧梁場應用案例

3.1項目概況

以某智慧梁場項目為例，該梁場需預制1008榀40mT梁，梁場占地約4.4萬m2，其中40mT梁生產有8個功能區，分別為：鋼筋加工區、鋼筋綁扎區、橫移擺渡區、混凝土澆筑區、蒸養區、張拉壓漿區、轉運區、存梁區，配備4條智能化流水生產線，包含16個移動臺座、4套智能液壓模板、2套智能布料系統、4套智能振搗系統、1套智能高溫蒸養系統和1套智能張拉壓漿等智慧化設備，設計產能為4榀/d。某智慧梁場平面布置圖如圖4所示。

3.2功能實現

3.2.1模型快速賦碼

通過將梁場、橋梁BIM模型上傳至智能生產子系統并輕量化，依次選擇結構編碼與對應構件模型，進而實現平臺在線編碼；同時，平臺可按流水自動選擇結構編碼，實現快速點擊構件模型直接賦碼，提高模型編碼效率。模型快速編碼如圖5所示。

3.2.2計劃智能推算

以預制梁為管理對象，對橋梁及架設工作面控制節點，結合架設順序倒排每跨節點，支持自動生成計劃與用戶自定義周期計劃，并根據實際生產工效、可用存梁數量等參數進行合理化校驗。計劃智能推算如圖6所示。

3.2.3制梁中心看板

通過對梁廠預制總體進度、產值進行統計分析，實時查看預制生產情況、生產進度信息、生產資源信息、臺座應用信息、質量管理信息，以網頁或客戶端形式匯總展示，提高信息獲取效率，提升科學管理水平。制梁中心看板如圖7所示。

3.2.4存梁智能推薦

針對預制梁存取梁情況，結合預制梁出運時間，以較少壓梁、倒梁，提升倉儲效率為目標，構建多因子組合優化算法，根據實時存梁信息，推薦最優存取梁方案，并結合模型進行可視化展示。存梁智能推薦如圖8所示。

3.2.5運梁智能調度

通過互聯網、物聯網和北斗等技術手段的綜合應用，結合梁段重量，按照發運計劃與運輸地點要求，進行運梁智能調度，減少各環節等待時間，提高運輸效率。同時，對預制構件從生產廠區出庫后的發運過程進行信息化管理，通過運梁中心看板實現運梁工具智能分配、定位跟蹤、軌跡實時顯示等。運梁智能調度如圖9所示。

3.2.6廠場聯動

根據總體工期節點倒排各聯跨梁段架設最晚日期，將此作為進度紅線，檢查、控制梁段“制存運架”各階段節點，確保不會因為梁段生產影響總體進度；同時，獲取施工現場實際進度情況，結合不同構件施工周期，包括現場實際架設進度，實時動態推算后續各聯跨最早可架設日期；系統利用預制廠與施工現場實際進度數據，按照設定策略進行動態匹配、優化，真正做到“廠場聯動”，實現資源合理利用，確保總體工期可控。廠場聯動如圖10所示。

3.2.7數字孿生

按照面向對象的設計思路，將梁場所有對象分為梁板、場景、工裝設備、配送中心，并結合各類型對象設置相應屬性，在此基礎上，按照項目總體介紹、智慧化決策、信息化管理、工業化生產4個維度，實現梁場可視化實時管控、遠程集中控制、生產進度預測、生產資源優化。數字孿生如圖11所示。

3.3應用效果

截至2023年12月，智慧梁場云平臺已經在某智慧梁場項目上線運行，系統累計采集預制梁192榀、架設梁104榀信息數據，其中，虛擬建造子系統為預制梁場規劃布局優化、BIM在線快速編碼、生產計劃智能推算與物資計劃自動生成提供了一定的參考；智能生產子系統通過智能排產、存梁推薦、運梁調度等應用，提高了梁場生產人員管理效率的10%，并研究了16個移動臺座工序自動采集設備與5臺龍門吊設備遠程集中控制系統，縮短了現場數據記錄時間，減少了設備操作人員1人；數字孿生子系統以三維場景可視化的方式實時動態反映梁場實際生產情況，便于項目管理人員掌握梁場實時生產情況，輔助梁場施工決策，提升項目管理水平。

4結語

通過深入研究面向橋梁工業化的智慧梁場云平臺體系架構及應用，進而提升預制梁場設計、“制存運架”生產一體化管理水平，主要研究內容如下：

（1）研究了基于BIM的梁場虛擬建造施工模擬技術，實現了梁場場地布局優化、BIM模型在線快速編碼、生產計劃智能推算與物資計劃自動生成。

（2）研發了一套梁場“制存運架”全流程管控智能生產系統，實現了關鍵設備智慧物聯、制梁智能排產、存梁智能推薦、運梁智能調度、架梁智能預警、預制廠和架設現場廠場聯動，提升了項目管理科學水平。

（3）總結了一系列智慧梁場數字孿生系統應用經驗，實現了梁場可視化實時管控、遠程集中控制、生產進度預測、生產資源優化，輔助項目管理人員進行決策。

在未來工作中，將進一步深化智慧梁場云平臺應用框架，建立智慧梁場建設標準，總結數字化管理理念與方法，提升智能優化算法自適應性。

參考文獻

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收稿日期：2024-01-08

作者簡介：

趙璐（1980—），女，正高級工程師，博士，研究方向：數字建造研究與實踐。

朱崢俊（1989—），男，工程師，研究方向：智慧梁場。

程利力（通信作者）（1997—），男，工程師，研究方向：智慧梁場。