橋梁混凝土梁板工業化智能制造技術應用分析

宋國慶 （安徽建工路港建設集團有限公司，安徽 合肥 230031）

1 前言

近期，住建部、交通部等部委發布《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》，突出和強調了“建筑工業化”與“智能建造”協同發展的思路和要求。針對交通領域的行業痛點，急需研發新型的建造方式來改變現狀，帶動產業升級，積極推進基礎設施建筑產業現代化，主要是通過工業化思維方式，利用現代化信息技術，推廣智能和裝配式建筑。通過標準化設計、自動和智能化工廠生產、裝配化現場安裝、信息化管理、數字化和智能化應用等技術手段，實現土木工程建造裝配化、智能化。

2 現狀及方向

目前智能建造與工業化在房屋建筑中得到快速發展，但在橋梁的應用亟待提升，尤其是安徽省在混凝土結構橋梁裝配式技術方面開展了大量的探索，成為行業工業化發展的主要推動省份之一。然而，目前裝配式技術創新主要集中在設計端，對生產端的創新仍有不足。橋涵等混凝土結構預制生產仍沿用固定臺座的傳統生產模式，一般以臨時布設、零散等情況出現，存在生產過程中場地占用率高、土地資源影響大、周轉效率低、設備集約不銜接、人工投入大、質量安全管控難度大等問題，亟需開展橋梁混凝土構件工業化智能制造技術研究及示范應用，通過示范應用促進產業發展，服務國家交通強國戰略。

3 技術的重難點

廠房空間由混凝土拌合區、鋼筋綁扎區、模板安拆區、混凝土運輸線、混凝土澆筑區、構件蒸養區、構件張拉區、構件壓漿區等功能區組成，廠房高度范圍內分布桁車、魚雷罐運輸軌道、布料器、液壓模板及臺車等多層設備空間運行線路，空間設計要求極高。工藝繁雜、工序交叉，多條生產線循環布置難度大。因此，立體化設計和流水化布局是本項目研究的首要難點。

混凝土裝配式構件體積大、質量重，生產工藝復雜、工序繁多，涉及鋼筋加工、液壓模板安拆、混凝土拌合、運輸、布料、振搗、構件養護、張拉壓漿等50 多臺單機設備，設備間聯動性、工序配合、整體協作等要求極高。因此，需研究智能制造的系統性裝備，同時開發相應智能化控制系統。

預制構件生產過程包括原材料進場、鋼筋加工、混凝土拌合、運輸、澆筑與振搗、構件養護、構件張拉壓漿等。然而傳統監測手段無法實現實時采集、及時傳輸、快速存儲和精確診斷；成品梁體結構檢測分散、誤差大、時效低，難以實現全斷面檢測；構件從原材料、生產、運輸、安裝，以至后期運維的全壽命周期長，多源數據海量，追溯難以精準定位。

4 工業化制造技術原理

基于工業化生產方式，打造橋梁混凝土構件工業化智能制造生產基地，針對橋梁混凝土構件智能化生產的特點及方式，對工藝組織結構及生產管理技術進行研究，實現“流水式布局、立體化設計、系統性裝備、流水線生產、智能化控制、全過程監測”的橋梁混凝土構件工業化智能制造生產。

①打造混凝土構件智能制造生產工廠。遵循工廠化預制、標準化管理、自動化生產、信息化管控的原則，實現有序、高效、安全、優質的構件生產目標。從便于開展自動化工序的角度出發，通過生產模擬形成流水式生產線選型，開展智能工廠空間立體設計，將傳統二維平面上展開的流水路徑拓展為三維空間。結合預制構件生產工藝，通過模擬仿真分析，優化桁車、魚雷罐運輸軌道、布料器、液壓模板及移動底座（又稱臺車）的立體空間分布。基于仿真模擬和流水線布置原理，合理布置生產功能區，實現預制構件工廠化流水式生產。

②構件預制自動化模臺移動式生產技術，又稱機組流水法生產線，將自動化生產功能區劃分為生產區設置鋼筋安裝區（橫移區）、混凝土澆筑區、蒸養區、張拉區、提梁區（橫移區）、存梁區，采用移動臺座+固定液壓模板的形式，模板采用底模移動、側模固定方式，每條生產線配置一套側模、四套底模。移動臺座由底模模板和底模小車組成，通過移動臺座變頻行走控制系統控制移動，根據工藝流程流動于各個功能區，鋼筋胎膜上加工完成后吊裝至底座，行走至混凝土澆筑區，模板自動閉合后安裝頂板鋼筋，混凝土筒式（魚雷罐）車運輸混凝土至布料機，澆筑過程附著式振搗器振搗，混凝土達到強度模板開啟，底座行走至后續功能區依次進行蒸養、張拉、提梁、循回路返回。

③構件工業化智能制造數字化平臺。以混凝土預制構件的生產流程為基礎，提出了對工廠生產全過程以及產品質量進行全方位管控的目標，對原材料、鋼筋加工、混凝土拌合與運輸、澆筑、振搗、養護、張拉壓漿、檢測等工序進行實時監測。研究基于訂單制的信息管理技術框架，明確訂單制的管理模式，建立梁板唯一編碼，實現全壽命周期的信息收集與歸檔，實現大型構件數據信息的全過程精準追溯，構建工業化智能建造管理系統平臺。

圖1 工業化生產線平面圖

5 工業化生產流程及技術要點

5.1 生產流程

廠區建設（訂單接收）→施工圖紙數據轉化與讀取→鋼筋加工、綁扎及吊裝→液壓鋼側模合攏與頂面鋼筋安裝→混凝土拌合制作、運輸→混凝土澆筑、振搗→預制構件高溫蒸養→預應力張拉壓漿→移梁存放、噴淋養護。

5.2 技術要點

工業化制造廠區布設。工業化生產投產實施前，整體平面分區設置混凝土拌合站、鋼筋加工中心、混凝土構件預制生產區及存儲區。魚雷罐運輸軌道端頭位于拌合站出料口下方；鋼筋半成品存放區與構件預制區連接；混凝土澆筑振搗區、養護區及張拉區流水線一次施工布局，根據生產訂單需求設生產線數量，設置循環閉合回路，1 條生產線一般配置4 個移動梁底臺座，臺座長度根據預制構件梁板長度設定。過程中根據橋梁構件工廠訂單生產需求中構件尺寸完善軌道上各臺座、模板，合理優化各功能區的縱向間距。

施工圖紙數據轉化與讀取。依據生產訂單中混凝土梁板構件信息，采用Tekla軟件建立BIM 數據模型，模型精度高達LOD300，模型單元等同于傳統施工圖紙和深化施工圖層次，在建模過程中對模型中的所有零構件及節段賦予編碼，實現“一物一碼”。

鋼筋加工、綁扎及吊裝。根據構件配筋信息，采用意大利鋼筋自動剪切設備及數控鋼筋彎箍機，實現集鋼筋喂送、長度測量、剪切、分類優化收集。待鋼筋加工完成后，利用貨架運送至鋼筋存儲及綁扎區域，鋼筋采用在專用胎膜上綁扎成型，采用桁吊將鋼筋整體吊裝安放在移動底座上。

液壓鋼側模合攏與頂面鋼筋安裝。液壓模板由模板系統和液壓系統組成，單側模板配置液壓油缸，通過液壓模板控制系統完成合模后，將綁扎好的頂板鋼筋吊裝至頂部，然后等待混凝土澆筑。每條生產線各配置液壓式鋼模板1 套，“鋼模-液壓系統”實現了模板安、拆自動化。

混凝土拌合制作、運輸。混凝土在調整確定的混凝土施工配合比上完成拌和后，利用布設的標準化軌道，從拌合站出料口直接出料至筒式送料車（魚雷罐），然后混凝土運輸至每條生產線布料器上方澆筑點。魚雷罐由地面無線操控，沿著空中固定軌道電機驅動魚雷罐車輪行走、爬坡和轉彎，根據混凝土初凝時間，魚雷罐運送料軌的路程設置時間t約為1.5min，運行速度v 可達到100m/min，通過旋轉罐體180°后將內料卸出，具有運行平穩、節能高效，不占用地面空間，可實現多工位裝料和卸料的優點。

混凝土澆筑、振搗。采用混凝土自動布料機澆筑，澆筑過程中使用附著式震動器振搗密實，混凝土的澆筑及間歇的全部時間不宜超出規范要求。布料機在鋼軌上沿模臺運動方向水平行走，均勻布料，滿足橫跨多個產線和多個工位間移動要求。智能控制系統設定，混凝土一般按30cm 厚度分層澆筑和實時振搗，從跨中向兩端澆筑底板，從兩端向跨中澆筑腹板，最后澆筑頂板，整體采用分層連續推移的方式進行。振搗器腹板及馬蹄處上下錯位布置兩層，混凝土澆筑完成后、收漿前，及時收光或拉毛。

預制構件高溫蒸養。構件強度達到2.5MPa 后，開啟液壓模板脫模，將移動梁底臺座移至蒸養功能區位后密封，蒸汽養生設備設定恒溫恒濕條件，對梁體進行養護至混凝土設計強度90%；蒸養棚內設置氣體進出管道和溫度計，以10℃/h 速率逐步加溫，最高溫度不超過80℃，經過2～6h 恒溫養生后逐步降溫，降溫速率保持在5℃/h，數據化系統實時記錄蒸汽養護監控數據，過程實時監控。養護期間要定期對主送氣管道進行檢查，防止主送氣管道出現破裂漏氣現象，導致蒸汽不能有效利用，增加養護時間。

預應力張拉壓漿。預制構件蒸養完成后移至張拉壓漿功能區位。張拉采用智能數控張拉系統進行預應力張拉，張拉前先對千斤頂和壓力表配套校驗，確定張拉力與壓力表之間的關系曲線預應力筋張拉后，孔道應及早壓漿，一般應在48 小時內灌漿完畢，禁止邊加原料、邊攪拌、邊壓漿。

噴淋養護、存梁。梁構件張拉壓漿完成后，啟動臺車移至橫向移梁功能區位，龍門吊吊裝至臨時存放區進行噴淋養生。在構件存放區布設旋轉式噴淋管道和噴頭，做到無死角養生?？盏着_座通過橫移小車移至循環回路到初始位置。

3D 激光掃描成品檢測。采用BIM技術建立梁板立體三維結構模型，運用三維激光掃描儀進行三維測量，將實物結構的線、面、體、空間等各種三維數據重構成數字模型，最后將三維掃描的點云數據進行處理，形成點云模型。將BIM 設計模型和掃描出的實體數據模型進行實時比對，保證梁板外觀尺寸的誤差在允許范圍內。

圖2 工業化生產線生產線圖

6 應用成效及前景

通過產學研用深度融合，在智能建造與建筑工業化領域的核心技術、關鍵工藝和重大裝備等方面取得了系列化成果。大型橋梁預制構件工業化智能制造技術的應用將施工效率提高30%，作業人員減少60%，建筑垃圾減少20%～35%，縮短橋梁工程工期20%，節約項目投資達10%，有利于橋梁工程的高質量建設和綠色發展。

裝配式公路橋梁工程的優質高效施工，對實現交通強國戰略有極大的推動作用，能夠帶動基礎建設領域的上下游產業發展，有利于建筑行業的轉型升級，推進建筑工業化、數字化、自動化、智能化升級，實現綠色施工和可持續發展，符合國家新基建和智能建造戰略的實施。