王勇，郭星亮，楊玉華，李訓(xùn)

（1.中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001；2.中鐵三局集團橋隧工程有限公司，四川 成都 610000）

隨著科學(xué)的進步、時代的發(fā)展，智能化設(shè)備取代傳統(tǒng)人工已成為大勢所趨。目前鐵路預(yù)制箱梁施工存在勞動力短缺、工效低、經(jīng)濟效益差等3 大問題及痛點，傳統(tǒng)的施工模式、工藝工法及工裝設(shè)備已無法滿足新時代高速鐵路智能建造的要求，智能梁場建設(shè)勢在必行。

近年來，以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、BIM、無人機攝影、人工智能、大數(shù)據(jù)為代表的新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)[1-3]，加快了梁場從建場到預(yù)制施工，從生產(chǎn)車間到施工工序、施工機械設(shè)備各個階段、各個環(huán)節(jié)的智能化革新進度。

1 新技術(shù)應(yīng)用

1.1 數(shù)字孿生梁場打造

預(yù)制梁場布置智能化設(shè)計。采用無人機傾斜攝影技術(shù)，結(jié)合GIS 技術(shù)形成高精度、具有真實空間三維坐標信息的預(yù)制梁場實景模型[4]。并通過BIM 技術(shù)參數(shù)化設(shè)計創(chuàng)建預(yù)制梁場制梁區(qū)、存梁區(qū)、鋼筋車間、拌合站、試驗室、材料庫、辦公生活區(qū)等各區(qū)域模型、機械設(shè)備模型及預(yù)制梁模型，實現(xiàn)預(yù)制梁場實體和虛擬三維模型之間的數(shù)據(jù)交互融合、迭代優(yōu)化，與現(xiàn)實梁場形成映射。

參數(shù)化修改模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同場地預(yù)制梁場的智能化設(shè)計，具有仿真可視、可重復(fù)、科學(xué)合理的特點。智能梁場布置展示如圖1 所示[5]。

圖1 智能梁場布置展示

生產(chǎn)大數(shù)據(jù)互通應(yīng)用。通過大數(shù)據(jù)平臺，實時采集各工序及設(shè)備的生產(chǎn)大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的互通，精準分析各工序施工質(zhì)量及施工效果，準確評估生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況，加強了生產(chǎn)工序的關(guān)聯(lián)性。

1.2 預(yù)制梁智能檢測

預(yù)制梁成品外形尺寸和外觀質(zhì)量檢測采用傳統(tǒng)的測量儀器并配套測量工裝，通過人工測量、計算和觀察的方法進行，檢測效率較低，檢測精度和結(jié)果與檢測人員的能力和素質(zhì)密切相關(guān)。

采用三維激光掃描測量技術(shù)、三維影像技術(shù)、光電技術(shù)等進行成品梁外形尺寸和外觀質(zhì)量的智能化檢測，生成3D 立體模型，智能分析預(yù)制梁外觀尺寸，識別表面裂紋及缺陷，自動輸出外形尺寸測量數(shù)據(jù)。目前該方法已在軌枕智能化檢測中得到成功實踐，為其在預(yù)制梁中的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

2 新工藝應(yīng)用

改變傳統(tǒng)人工操作施工工藝流程，采用自動化、智能化新技術(shù)，實現(xiàn)少人、無人化施工。

2.1 鋼筋智能加工、運輸及綁扎

采用鋼筋智能施工技術(shù)，達到鋼筋進出場、加工、分類、運輸、吊裝、綁扎全過程少人化管理和無人化施工[6]。

鋼筋智能加工系統(tǒng)。鋼筋智能加工系統(tǒng)包含庫存管理（出入庫、庫存、配送）、生產(chǎn)管理（智能加工斷料、料單二維碼化、任務(wù)排產(chǎn)）、分析決策（原材耗費、出材率統(tǒng)計、產(chǎn)能統(tǒng)計）及質(zhì)量管理（成品檢測、質(zhì)量溯源、試驗記錄）等4 大部分共12 項功能。

技術(shù)原理：采用研發(fā)的手持設(shè)備，快速錄入進場鋼筋信息，自動生成原材二維碼，出場掃描二維碼，自動更新庫存，實現(xiàn)原材料出入庫智能管理；采用AI智能算法，優(yōu)化鋼筋下料方式，智能生產(chǎn)鋼筋智能斷料方案，顯著提高鋼筋利用率，有效降低鋼筋損耗；通過鋼筋智能化管理系統(tǒng)，各類鋼筋型號料牌通過翻樣數(shù)據(jù)自動生成二維碼，實現(xiàn)各類鋼筋型號規(guī)范化、標準化標識，智能化分類。

鋼筋智能運輸。研發(fā)鋼筋智能運輸AGⅤ小車[7]，尺寸大小3 m×2 m×0.7 m，小車重5 t，設(shè)計最大承重7 t，續(xù)航8 h 以上。梁場建場時，場地道路提前預(yù)埋控制芯片，通過遠程終端控制小車運輸軌跡。運輸小車根據(jù)預(yù)制梁綁扎工序智能運輸已分類的鋼筋至綁扎胎位。鋼筋智能運輸如圖2 所示。

圖2 鋼筋智能運輸示意圖

鋼筋智能安裝綁扎。設(shè)計智能程序，控制6～8 處720°可移動可旋轉(zhuǎn)機械臂自動抓取預(yù)制鋼筋，利用紅外線定位功能，安裝至綁扎胎位的定位槽內(nèi)，采用鋼筋自動捆扎機器人，自動移動到鋼筋結(jié)構(gòu)的上方，通過自身攜帶的紅外線定位功能，準確地找到鋼筋交叉點，將鋼筋進行智能化綁扎。依次綁扎底腹板外層鋼筋、定位網(wǎng)、底腹板內(nèi)層鋼筋、底腹板輔助鋼筋、頂板底層鋼筋、頂板頂層鋼筋等。局部空間受限，機械臂及綁扎機器人無法操作的位置，采用人工輔助綁扎。鋼筋骨架智能綁扎如圖3 所示。

圖3 鋼筋骨架智能綁扎

2.2 混凝土智能澆筑

采用拌合站至制梁臺座高空輸送混凝土的新工藝。通過鋼管立柱、橫梁及軌道搭設(shè)兩條空中混凝土輸送通道，輸送通道上安裝智能澆筑魚雷罐，魚雷罐裝滿混凝土后運輸至制梁臺座，對準腹板位置，魚雷罐自動打開下放控制開關(guān)，按一定速度沿預(yù)制梁一端到另一端行走澆筑，魚雷罐混凝土澆筑完成，自動退回拌合站，重新加料，如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)預(yù)制箱梁混凝土智能澆筑。

2.3 內(nèi)模智能打磨、噴涂脫模劑技術(shù)

借助智能洗車原理，采用移動半封閉框架模式，內(nèi)模自動進入骨架后，通過機械臂對內(nèi)模進行快速打磨清理。清理過程中隨著內(nèi)模前進智能噴涂脫模劑，實現(xiàn)內(nèi)模一次性智能清理及噴涂，節(jié)約了人員投入，提高施工效率及質(zhì)量。內(nèi)模智能打磨、噴涂脫模劑工藝如圖4 所示。

圖4 內(nèi)模智能打磨、噴涂脫模劑工藝示意圖

3 新設(shè)備研發(fā)

3.1 定位網(wǎng)片智能焊接

焊接定位網(wǎng)時需人工更換胎卡具，工作量大，效率低下，質(zhì)量不可控，錯誤放置胎卡具造成孔道位置偏差的情況經(jīng)常發(fā)生，通過定位網(wǎng)片焊接平臺自動切換胎具技術(shù)，將多種定位網(wǎng)胎卡具集中于一個平臺上，提前輸入各種型號的定位網(wǎng)尺寸坐標，通過自動控制系統(tǒng)，選擇需要焊接的定位網(wǎng)，系統(tǒng)自動控制電氣系統(tǒng)，自動切換胎具。定位網(wǎng)片焊接平臺自動切換胎具如圖5 所示。

圖5 定位網(wǎng)片焊接平臺自動切換胎具示意圖

通過定位網(wǎng)片焊接智能工作站，實現(xiàn)定位鋼筋自動下料、機械臂自動布料、電磁磁力吸盤自動吸附定位、機械臂自動焊接、機械臂自動碼垛，實現(xiàn)定位網(wǎng)焊接全自動化[8]。焊接網(wǎng)片尺寸偏差控制在小于等于1 mm，焊接質(zhì)量較人工焊接有較大提升，且無燒傷鋼筋現(xiàn)象。定位網(wǎng)片智能焊接工作站如圖6 所示。

圖6 定位網(wǎng)片智能焊接工作站

3.2 梁面智能激光整平機

針對無砟軌道對梁面平整度要求高，適用橋面系裝配式的新型橋面要求，研制了一種梁面智能激光整平機，提高橋面混凝土整體質(zhì)量。通過不斷調(diào)整激光接收位移傳感器和激光掃平儀，將混凝土灰面情況反饋給計算機，計算機根據(jù)反饋數(shù)據(jù)結(jié)合預(yù)留反拱計算出升降機的升降數(shù)據(jù)，從而控制梁面平整度。梁面智能激光整平機如圖7 所示。

圖7 梁面智能激光整平機

4 智能管控系統(tǒng)

4.1 基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的梁場生產(chǎn)管理系統(tǒng)

梁場生產(chǎn)管理系統(tǒng)涵蓋物資管理、設(shè)備管理、生產(chǎn)全過程管理、進度管理、安全質(zhì)量管理于一體，并采用手機APP 客戶端軟件，實現(xiàn)梁場信息化管理現(xiàn)場與線上的統(tǒng)一，充分利用數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)共享功能，自動生成檢驗記錄、報告、檢驗批和制造技術(shù)證明書等，實現(xiàn)梁場生產(chǎn)管理的智能化管理，提升預(yù)制梁場的管理水平[9]。梁場生產(chǎn)管理系統(tǒng)如圖8 所示。

圖8 梁場生產(chǎn)管理系統(tǒng)

進度管理：基于強大的數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計及分析功能，及時發(fā)現(xiàn)和糾正影響進度的環(huán)節(jié)和因素，確保月制梁計劃的實現(xiàn)。

工序管理：包含終端數(shù)據(jù)的快速錄入、各工序跟蹤和質(zhì)量安全檢驗管理系統(tǒng)、梁體工序管理信息動態(tài)二維碼。

安全質(zhì)量管理：實時監(jiān)控現(xiàn)場作業(yè)情況、應(yīng)用特種設(shè)備和特殊作業(yè)人員查詢系統(tǒng)和上崗狀態(tài)查詢系統(tǒng)、配備智能安全帽實現(xiàn)智能化管人。

物料動態(tài)管理：具有實時對粗骨料、細骨料、鋼筋等主要原材料進行動態(tài)管理，對理論數(shù)量和實際用量智能化統(tǒng)計、分析及預(yù)警功能。

數(shù)據(jù)集成管理：具有進度、工序、安全、物料等數(shù)據(jù)集成管理功能，實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動采集、統(tǒng)計、分析及預(yù)警功能，且能夠共享數(shù)據(jù)資源。

4.2 信息技術(shù)應(yīng)用

信息化智控平臺：集梁場全場視頻監(jiān)控、運梁實時監(jiān)測、梁場生產(chǎn)管理系統(tǒng)運行及BIM 技術(shù)綜合運用于一體。信息化智控平臺如圖9 所示。

圖9 信息化智控平臺

設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)：應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺、機電裝備在線監(jiān)測、生產(chǎn)設(shè)備實時跟蹤管理和節(jié)能降耗[9]。機械設(shè)備運行狀況監(jiān)測如圖10 所示。

圖10 機械設(shè)備運行狀況監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測及太陽能照明系統(tǒng)：通過空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備，實時掌握工地揚塵等情況，接入監(jiān)測平臺。梁場照明采用太陽能照明系統(tǒng)，并配套相應(yīng)電池組進行蓄電，在照明終端增加無線感知控制器，實現(xiàn)了智能管控[9]。空氣質(zhì)量監(jiān)測及太陽能照明系統(tǒng)如圖11 所示。

圖11 空氣質(zhì)量監(jiān)測及太陽能照明系統(tǒng)

5 結(jié)束語

本文通過以智能化、高效率、降成本為目標，以新技術(shù)、新工藝應(yīng)用，智能化設(shè)備研發(fā)、管理方式創(chuàng)新為手段，探索出鐵路常用跨度梁智能預(yù)制生產(chǎn)技術(shù)，提升了高速鐵路混凝土箱梁智能化預(yù)制水平，為逐步打造現(xiàn)代化智能梁場提供技術(shù)及實踐支撐。其中重點研究內(nèi)容包括數(shù)字孿生梁場、梁體混凝土智能化施工、鋼筋及預(yù)應(yīng)力智能施工，成品智能檢測、智能管理信息化平臺等智能化技術(shù)，有效解決傳統(tǒng)施工效率慢、勞動強度高及施工過程中出現(xiàn)的質(zhì)量弊端，有效保證了工程質(zhì)量，提供了工效，減少了對環(huán)境的影響，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益、社會效益。