鄒少俊，屈 璐

(中國核工業(yè)二四建設有限公司，河北 廊坊 065001)

鋼筋綁扎工作貫穿于整個核電項目工程建設的全過程，鋼筋綁扎的效率和質(zhì)量成為施工工期、人力投入、質(zhì)量控制管理的重中之重，且我國建筑領(lǐng)域的人口紅利優(yōu)勢正逐漸消退。因此，提高核電領(lǐng)域鋼筋施工效率，實現(xiàn)核電建造從勞動密集型向機械化、高效化轉(zhuǎn)變而開展鋼筋施工工藝研究[1]。應用人工智能、機器人等數(shù)字技術(shù)解決現(xiàn)場實際問題是建筑企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的工業(yè)革命，各建筑單位已廣泛開展鋼筋綁扎機器人在建筑行業(yè)的應用研究[2,3]，主要創(chuàng)新點是利用機器人代替人工完成水平或立面方向的鋼筋網(wǎng)片節(jié)點的綁扎工作，鋼筋網(wǎng)片綁扎機器人樣式如圖1所示。

圖1 鋼筋網(wǎng)片綁扎機器人Fig.1 Reinforcement mesh lashing robot

由于“華龍一號”的特殊性，墻體立筋普遍采用直徑32 mm和40 mm的大直徑鋼筋，且鋼筋密集，施工難度較大。國內(nèi)外在用的鋼筋綁扎機器人無法滿足核電項目施工的需求，不具備實用性。針對“華龍一號”鋼筋綁扎施工痛點問題，漳州華龍科創(chuàng)團隊從機械化、高效化、少人化的創(chuàng)新思路開展前沿技術(shù)研究，解決鋼筋施工工藝難點，達到降本增效的目的。

1 工程概況及施工難點

“華龍一號”是采用國際最高安全標準研發(fā)設計的、完全滿足三代核電技術(shù)指標的百萬千瓦級壓水堆核電機型。在“華龍一號”重大設計改進中，將抗震設計基準提高到了0.3g加速度[4]，“華龍一號”堆型核電廠鋼筋量達到了10萬t，其鋼筋量是M310堆型(二代核電廠)的4倍，墻體立筋普遍采用直徑32 mm和40 mm的大直徑鋼筋，且鋼筋密集，施工難度較大,采用傳統(tǒng)的鋼筋綁扎工藝，施工周期長、效率低。隨著建筑行業(yè)人口紅利的逐漸消失，勞動力緊缺，人工費上浮是未來核電建設面臨的挑戰(zhàn)。因此，需要優(yōu)化“華龍一號”鋼筋施工工藝來應對挑戰(zhàn)。同時，為了提高“華龍一號”的國際競爭力和整體經(jīng)濟性，也必須優(yōu)化鋼筋施工效率，縮短建造工期。

2 “華龍一號”鋼筋施工工藝優(yōu)化研究

2.1 鋼筋綁扎機器人技術(shù)

根據(jù)“華龍一號”鋼筋工程的特點，鋼筋綁扎機器人主要研究思路為利用自動化設備代替人工完成鋼筋的抓取、旋轉(zhuǎn)等工作。漳州華龍科創(chuàng)團隊共研制了3種鋼筋綁扎機器人，分別是：墻體立筋上料裝置、墻體水平鋼筋上料裝置、墻體鋼筋抓取機器人。

2.1.1 墻體立筋上料裝置介紹

墻體立筋上料機器人是利用機械設備代替人工完成立筋的抓取、調(diào)整等工作。通過操作人員手動操作控制鋼筋至待安裝螺紋連接套的上方；待鋼筋端面與螺紋連接套端面接觸后，機器人的液壓夾取機構(gòu)釋放(機械臂不動作)，人工輔助完成鋼筋螺紋的嚙合連接；操作人員選擇完成指令，機械臂將自動恢復至等待任務姿態(tài)。該裝置實現(xiàn)了墻體豎向鋼筋綁扎過程中上料、舉升自動化，大大降低勞動強度，且可有效避免鋼筋施工中傾倒風險。機器人重量在5 t以內(nèi)，可通過現(xiàn)場塔吊完成垂直運輸，滿足施工現(xiàn)場墻體施工工作面要求，示意圖如圖2所示。

圖2 墻體立筋上料裝置示意圖及實施流程圖Fig.2 Schematic diagram of wall reinforcement feeding device and implementation flow chart

2.1.2 墻體水平筋上料裝置

“華龍一號”墻體鋼筋水平段鋼筋標準斷料長度達到8.95 m，直徑40 mm鋼筋標準長度重量單根達到88.35 kg。由于墻體水平段鋼筋上下間距為200 mm，比較密集，鋼筋作業(yè)人員體力消耗過大，相對應的間歇頻次和時長增加，一定程度制約現(xiàn)場鋼筋施工效率。

針對人工消耗量、勞動強度、效率等方面對作業(yè)工序進行分解，找到對墻體鋼筋綁扎進度影響最大的水平段鋼筋綁扎環(huán)節(jié)，發(fā)明了一種便于墻體鋼筋綁扎的上料裝置，實現(xiàn)水平段鋼筋自動化上料。作業(yè)人員只需進行鋼筋綁扎，無需人工上料、舉升，極大的降低勞動強度，并且減少作業(yè)人員數(shù)量，提高現(xiàn)場鋼筋綁扎施工效率。該裝置通過正反向電動機驅(qū)動鏈條勻速傳動，舉升高度人為控制上下可調(diào)，降低勞動強度，減少人工成本30%以上。裝置規(guī)格尺寸較小，滿足施工現(xiàn)場墻體施工工作面要求，操作簡單快捷，示意圖如圖3所示。

圖3 墻體水平筋上料裝置Fig.3 Wall horizontal reinforcement feeding device

2.1.3 墻體鋼筋抓舉機器人

在營利性養(yǎng)老服務機構(gòu)里，入住老年人不僅需要日常生活照顧、疾病診治、身體康復訓練，還需要健康咨詢、心理安慰、營養(yǎng)指導、臨終關(guān)懷等，因此需要有大量的專業(yè)人才來提供專業(yè)服務。但是目前廣西此類人才相當缺乏，具有養(yǎng)老護理職業(yè)資格證書的服務人員更少。目前廣西養(yǎng)老機構(gòu)服務人員多數(shù)為40歲以上婦女，她們的文化程度普遍較低，沒有受過正規(guī)的專業(yè)護理培訓，提供的服務基本屬于簡單的日常照料和護理。

核電鋼筋抓舉機器人系統(tǒng)主要由履帶移動平臺、液壓升降平臺、六軸機器人、鋼筋液壓夾取機構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)組成。鋼筋抓取的研究難點在于鋼筋液壓夾取機械臂技術(shù)，漳州華龍科創(chuàng)團隊充分利用“外腦”和專業(yè)化公司的專業(yè)能力來攻克技術(shù)難點，利用專業(yè)化知識解決了機械臂的抓舉難點問題。鋼筋抓舉機器人用于核電建造現(xiàn)場鋼筋的輔助安裝，可替代人工完成鋼筋的抓取、舉升和定位，減輕工人勞動強度、提高工作效率、降低作業(yè)風險。鋼筋抓舉機器人如圖4所示。

圖4 墻體鋼筋抓舉機器人Fig.4 Wall reinforcement grasping robot

2.2 鋼筋模塊化施工技術(shù)

鋼筋籠模塊化施工技術(shù)主要思路如圖5所示，利用模塊化、機械化的理念將鋼筋綁扎的工作轉(zhuǎn)移到地面提前預制，通過垂直運輸設備完成吊裝，與現(xiàn)場預留的鋼筋通過特制的機械接頭連接，從而將鋼筋綁扎工作移除關(guān)鍵路徑，達到縮短主線工期的目的。

圖5 總體思路示意圖Fig.5 Schematic diagram of the general idea

2.2.1 鋼筋籠模塊化施工技術(shù)可行性分析

(1)鋼筋籠連接方式選擇

常用的鋼筋連接方式包括螺紋接頭、套筒擠壓接頭，搭接連接?？紤]對接精度的控制及整體性的要求，選擇套筒擠壓接頭連接。接頭由2個錐套、3片鎖片、1個保持架組成，將待連接鋼筋插入鎖片兩端、對中頂緊保持架；將錐套套入鎖片的兩端，用專用工具將兩錐套沿其軸向(內(nèi)夾)壓緊靠攏，從而利用錐角作用將鎖片向內(nèi)緊緊夾住鋼筋，實現(xiàn)連接鋼筋的目的。套筒擠壓接頭如圖6所示。

圖6 擠壓套筒連接示意圖Fig.6 Schematic of the extrusion sleeve connection

(2)鋼筋籠模塊對接就位分析

鋼筋籠模塊制作完成后如何保證豎向鋼筋與施工現(xiàn)場預留的鋼筋精確對接，是實現(xiàn)模塊化施工的關(guān)鍵，為了解決此關(guān)鍵技術(shù)問題，制作定位加固工裝對現(xiàn)場預留豎向鋼筋進行加固。所有定位加固工裝制作完全一樣的兩套，一套用于現(xiàn)場插筋加固，另一套用于模塊制作，保證模塊豎向鋼筋的位置與現(xiàn)場鋼筋對應。定位加固工裝示意圖如圖7所示。

圖7 定位加固工裝示意圖Fig.7 Schematic diagram of positioning reinforcement tooling

(3)模塊預制分析

為了保證鋼筋籠的整體穩(wěn)定性，并控制變形量，鋼筋籠模塊采用豎向預制，在模塊四周搭設雙排操作架進行作業(yè)。同時，設置保證整體穩(wěn)定性的預制工裝，如圖8所示。

圖8 鋼筋籠操作架示意圖Fig.8 Schematic diagram of the reinforced cage operating frame

(4)模塊吊裝分析

根據(jù)鋼筋籠預制位置，設計合理的吊車運行路線和起吊方式。為節(jié)省吊裝時間，預埋在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)的墻體插筋在鋼筋籠吊裝前需提前安裝雙螺套下套，鋼筋籠下方安裝雙螺套上套，并將雙螺套上內(nèi)套與外套擰至端部齊平。鋼筋籠底部四端設置溜繩，并在兩側(cè)立筋外側(cè)綁扎木方，防止套筒損壞。吊裝示意圖如圖9所示。

圖9 模塊吊裝示意圖Fig.9 Schematic diagram of module hoisting

2.2.2 鋼筋籠模塊化施工技術(shù)現(xiàn)場實施

漳州華龍科創(chuàng)團隊選擇反應堆廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)一個獨立的結(jié)構(gòu)進行鋼筋模塊化施工技術(shù)的實施應用。

(1)吊裝工裝設計及驗算

為保證鋼筋籠順利吊裝，利用BIM(建筑信息模型)技術(shù)對鋼筋籠進行1∶1繪制模擬，如圖10所示，將鋼筋籠涉及的物項荷載按設計圖紙位置完成加載，利用有限元分析鋼筋籠理論重心，進而確定吊裝工裝的吊點位置，最后通過對工裝的吊耳計算、模塊偏擺計算、有限元計算、邊界條件分析等措施，確定吊裝工裝結(jié)構(gòu)形式。并采用BIM(建筑信息模型)技術(shù)對整個施工流程進行了全過程模擬，通過BIM(建筑信息模型)技術(shù)真實地模擬施工過程中遇到問題和解決方案。

圖10 吊裝工裝有限元分析及BIM技術(shù)模擬Fig.10 Finite element analysis of lifting tooling and BIM technology simulation

(2)鋼筋籠吊裝

正式吊裝前進行吊裝試驗，檢驗吊裝工裝的可靠性。吊裝試驗分兩步進行，第一步為額定荷載起升落地，第二步為1.25倍起吊重量起升落地，完成后對吊裝工裝進行無損檢查驗證吊裝工裝可行性。按照設計的吊點將吊具下部的吊索與模塊上對應的吊點連接，檢查無誤后，起升吊鉤收緊鋼絲繩，逐步加載使之處于微受力狀態(tài)。由司索工檢查鋼架吊具下部與鋼筋籠模塊之間的花籃螺栓受力情況，對拉緊后的花籃螺栓逐一搖曳，若發(fā)現(xiàn)可晃動，則通過調(diào)整花籃螺栓長度，使每根花籃螺栓受力均勻，吊索具調(diào)整完畢后即進行正式吊裝，如圖11所示。

圖11 吊裝示意圖Fig.11 Schematic diagram of lifting

(3)實施效果

大型鋼筋模塊施工技術(shù)創(chuàng)新，打破原有的施工方法，實現(xiàn)了由“人工”向“機械”的轉(zhuǎn)變，將核電建造“模塊化”“機械化”由理想變成了現(xiàn)實，同時避免建安交叉，減少了安全風險。采用鋼筋籠模塊化施工技術(shù)后，現(xiàn)場實際工期消耗只考慮吊裝時間及現(xiàn)場接頭連接時間，同標高、同部位進行橫向?qū)Ρ?，鋼筋模塊化吊裝工效提高約62%。

2.2.3 存在問題及進一步優(yōu)化思路

該施工技術(shù)目前主要存在的問題有：鋼筋模塊與結(jié)構(gòu)預留的鋼筋對接精度要求高；模塊預制工裝無法周轉(zhuǎn)重復利用。因此，后續(xù)對鋼筋模塊化施工技術(shù)研究的方向主要是提高工藝的通用性，將工裝設計成組裝式，能周轉(zhuǎn)循環(huán)使用，進一步降低工藝的成本。同時，對鋼筋連接工藝進行進一步研究，選擇最優(yōu)連接形式，進一步降低施工難度。根據(jù)上述思路，漳州華龍科創(chuàng)團隊以異形結(jié)構(gòu)鋼筋模塊化施工技術(shù)攻關(guān)為標桿模式開展直墻鋼筋模塊化施工技術(shù)研究，攻克了工裝周轉(zhuǎn)使用和套筒連接的難點，進一步提高了工藝的通用性和經(jīng)濟性。

3 結(jié)論

采用鋼筋綁扎機器人技術(shù)和鋼筋模塊化施工技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋綁扎工藝，縮短了主線工期，降低了施工難度，提高了施工效率，為類似結(jié)構(gòu)類型工程建設提供借鑒，取得了一定的經(jīng)濟和社會效益。其可以作為核電建造領(lǐng)域應對人口紅利消退的重要應對措施，必將會為各個核電建造參與方帶來很大益處，增強企業(yè)的競爭力，從而使企業(yè)在日益激烈的競爭中獲得更好的生存環(huán)境。另外，建議施工單位與設計單位形成聯(lián)動，從源頭優(yōu)化鋼筋工藝，在設計階段就確定需要進行鋼筋模塊化施工的區(qū)域，并確認各項輔助措施，減少施工單位的工作量，確保工藝的安全高效。