劉洋

（中鐵九局集團有限公司，遼寧 沈陽 110051）

0 引言

目前智能化鋼筋加工技術已經成為現代高速鐵路智能建造的主要技術特征之一，自2003年數控彎箍機在我國首次應用到基于BIM體系的鋼筋深化設計及加工流程，經過近16年的智能化創(chuàng)新發(fā)展與實踐，鋼筋工程智能化水平不斷向前發(fā)展[1]。新建京雄城際鐵路在國內率先將先進制造裝備、先進信息化和BIM技術、先進管理理論進行有機融合，達到實際規(guī)?；a應用的標準。新建京雄城際鐵路7標段1#鋼筋加工場位于雄縣大營鎮(zhèn)南劉莊村昝白路旁30 m處，占地5 039 m2，主體結構為2聯(lián)拱封閉式80×63 m輕型鋼結構廠房。通過將Planbar鋼筋BIM圖形數據無線傳輸到MES系統(tǒng)，實現對生產數據及任務的集中管控，引進集成化鋼筋籠成型機器人、斜面式智能鋼筋機器人、智能鋼筋自動剪切機器人、智能鋼筋彎箍機器人等智能裝備，實現上游數據到下游生產的有效銜接，根據不同時期的需求設1#—3#三條加工流水線，滿足工程所有鋼筋加工需求，通過研究總結形成的關鍵技術為我國高速鐵路智能建造打下了堅實基礎。

1 高速鐵路鋼筋工程智能制造方案設計

智能鋼筋加工場的規(guī)劃設計應重點考慮建設規(guī)模、場地選址、建筑結構、功能劃分等因素，并采用BIM+GIS、虛擬現實技術進行方案的規(guī)劃論證。鋼筋加工場建設規(guī)模應滿足生產、生活及辦公需求[2]，根據京雄城際鐵路7標1#鋼筋加工場的最大日加工量選定鋼筋加工場面積指標為5 000～10 000 m2。建設規(guī)模參考標準見表1，鋼筋加工場的內部設置見圖1。

智能鋼筋機器人選型及配置主要從設備綜合生產能力、鋼筋形狀加工范圍、設備兼容BIM程度、自動化程度及經濟5個方面進行綜合比選[3]，重點考慮以下幾點：

表1 建設規(guī)模參考對照表

圖1 鋼筋加工場的內部設置

（1）加工的鋼筋直徑范圍涵蓋工程設計文件所有鋼筋類別；

（2）鋼筋形狀及各邊幾何長度在加工過程中是否與設備結構發(fā)生沖突；

（3）鋼筋加工效率。主要反應為設備傳送速度、單次切割或彎曲鋼筋數量；

（4）設備自動化程度。主要反應為鋼筋上料、成品歸集、加工過程、剪切設備及彎曲中心聯(lián)動等因素，自動化程度高將提高鋼筋加工效率，降低勞動和加工成本；

（5）設備智能化程度。主要反應為對BIM技術的兼容程度及對加工數據管控的智能程度。

選擇國內2家主要設備廠商調查分析，最終確定引進1臺HL2000E-18型集成化鋼筋籠成型機器人、1臺XQ120型智能鋼筋自動剪切機器人、1臺G2W50型斜面式智能鋼筋機器人和1臺WG12D-4型智能鋼筋彎箍機器人組成生產線。鋼筋工程智能制造集中管控技術理論體系見圖2。

2 Planbar建模技術及生產數據

Planbar軟件為鋼筋智能建造提供了一個功能齊全的高品質、工業(yè)化預制規(guī)劃，從鋼筋生產到復雜的建筑構件和特殊構件，為鋼筋加工行業(yè)提供可靠、準確的BIM數據基礎。Planbar鋼筋建模一般依托混凝土模型或輔助線，可通過繪制條形鋼筋、2D線轉化為鋼筋、漸變鋼筋及螺旋鋼筋繪制。繪制條形鋼筋圖形后可通過“完整清單”提取鋼筋大樣，然后修改鋼筋各邊尺寸，但不能修改鋼筋形狀，通過“修改標記”功能對鋼筋屬性、長度計算方式等進行修改，并可通過“修改彎鉤”功能增加、刪除彎鉤及修改彎鉤長度、角度；帶有圓弧的異型鋼筋很難沿混凝土表面及輔助線繪制，需通過2D線繪制與鋼筋形狀相同的線性形狀，通過工程模塊“轉換、采用元素”賦予2D線一定鋼筋屬性值，將2D線轉換成鋼筋模型（見圖3）。鋼筋模型完成后，應對鋼筋和鋼筋、鋼筋和預埋件之間進行碰撞檢查，碰撞點在操作界面以紅色方塊表示，快速發(fā)現設計中存在的問題并及時解決（見圖4）。

圖2 鋼筋工程智能制造集中管控技術理論體系

創(chuàng)建出的鋼筋模型可輸出帶有鋼筋圖例的下料清單，通過修改鋼筋編號、圖例、條目并與模型進行連接，設計出適合工程實際需求的鋼筋圖例清單。按施工計劃自定義分批次輸出統(tǒng)計報告，自動計算長度重量，精確指導生產備料，完全解放傳統(tǒng)的人工算量方式，提高物料算量的效率和精度。輸出帶有鋼筋編號、大樣圖的下料清單，可直接用以鋼筋加工前審核。

Planbar建模完成后可按選擇范圍直接輸出BVBS鋼筋彎折數據文件，只需要簡單的通信協(xié)議，即可實現BIM數據向自動化鋼筋加工設備的傳遞。加工數據包括鋼筋編號、單根鋼筋長度、鋼筋根數、鋼筋總重、鋼筋直徑、鋼筋等級、鋼筋彎折坐標等信息。BVBS數據一般格式及一般說明見圖5。

3 鋼筋工程智能化生產線控制技術

將BVBS數據文件通過無線傳輸方式發(fā)送到MES系統(tǒng)，接口程序將自動解析工程名稱、使用部位、加工數量及鋼筋加工的幾何邊長、角度等參數信息，并在后臺完成格式轉換。通過MES系統(tǒng)對鋼筋加工數據進行整合，生成鋼筋生產計劃，對棒材鋼筋還應通過優(yōu)化套裁系統(tǒng)完成“配筋”工作，MES系統(tǒng)生成鋼筋加工料牌，最終形成加工任務，鋼筋加工料牌是鋼筋工程全生命周期唯一識別標志（見圖6）。

圖3 通過2D線轉換鋼筋繪制的模型

圖4 碰撞檢查結果

圖5 BVBS文件格式及一般說明

圖6 鋼筋加工料牌

下料前需核對BIM接口加工任務的鋼筋規(guī)格、級別及加工數量，以及鋼筋牌號、規(guī)格、尺寸和數量，計算下料長度，分別編制鋼筋下料單。下料中鋼筋的長度是關鍵數據，鋼筋的理論長度根據彎曲段和直段公式計算，鋼筋的彎鉤長度在國標中都是規(guī)定直段長度，而彎曲段長度需要公式計算，在實際應用中這樣計算非常不方便，Planbar軟件設計了簡便的運算法則，例如：Factor Added為90°～150°，如果鋼筋的直筋為6-16 mm，彎曲段長度是3～4倍直徑的一個線性函數，彎曲段長度公式簡化為L=（（角度-90）/60+3）×直徑。Planbar軟件鋼筋彎曲段長度計算法則見圖7。

在鋼筋實際加工過程中，由于彎曲將使鋼筋產生伸長量，如果不考慮鋼筋的伸長量，勢必將造成鋼筋的浪費和加工誤差較大，因此在實際生產過程中引入補償值。實際的長度補償值應在鋼筋試生產時進行大量試驗驗證，在實際研究中發(fā)現，伸長量補償值具有波動性、可分析性。對統(tǒng)計數據的統(tǒng)計整理后創(chuàng)建數學模型，可擬合出的補償值數據公式。在研究中，采用分段函數模型、多項式模型和BP神經網絡模型3種方法進行精確分析：分段函數模型簡單，且容易收斂，達到最接近統(tǒng)計數據效果的擬合效果，但由于采用分段模型，只能在某一個輸入條件確定后，才能對另一個參數進行擬合，輸入超出該分段函數表述范圍的參數則無能為力；多項式模型支持連續(xù)參數的變化，具有一定的泛化性，對其他不在統(tǒng)計數據中的輸入參數仍具有一定的參考價值，但模型計算較為復雜；BP神經網絡模型或者數據挖掘類模型，需要大量數據。因此，采用多項式模型建立補償值理論公式較好。

4 智能套料在鋼筋加工中的應用

智能套料的目的是鋼筋的最優(yōu)化利用，在達到最優(yōu)解的過程中，需要特別注意盡可能讓相同的單據按順序加工，減少工人加工后的分揀。智能套料的待優(yōu)化數據量越大，則優(yōu)化效果更好。一般當天所有訂單一起優(yōu)化，一方面保障優(yōu)化數據量大，另一方面保障當天的余料被當天使用，減少工人倒料的過程。套裁鋼筋加工匹配方案見圖8。經過實際應用，總結智能套料考慮以下條件應用效果較為理想：

（1）由于同規(guī)格鋼筋在同一機臺加工的原因，所以在系統(tǒng)優(yōu)化中會將訂單進行分批優(yōu)化；

（2）因機臺下料剪切次數盡量不超過2次，所以在系統(tǒng)智能套料中應采用A+B+廢料（尾料）的方式進行優(yōu)化；

（3）鋼筋下料應考慮尾料在機臺上周轉問題，因此在智能套料中，需靈活配置待優(yōu)化的數據，如先把6 000～12 000 mm長度的放在一起優(yōu)化，盡量使用原料優(yōu)化，這樣能夠保障組合方式是1+1+廢料（尾料）的規(guī)則，而＜6 000 mm的放在一起優(yōu)化，盡量使用余料，可以逐步消耗庫存的余料，當然此過程是否使用余料也需考慮，可以通過查詢余料庫，判斷余料的多少以決定是否集中使用。

圖7 Planbar軟件鋼筋彎曲段長度計算法則

圖8 套裁鋼筋加工匹配方案

5 結束語

“大力強化鐵路科技創(chuàng)新，突出鐵路應用型技術創(chuàng)新，推進鐵路信息化建設”是當前一個時期我國高速鐵路建設的重點任務[4-6]。鋼筋工程智能制造改變了傳統(tǒng)的生產方式，具有如下優(yōu)勢：

（1）智能鋼筋加工設備采用工業(yè)級伺服電機驅動,對鋼筋成品質量精度的控制程度高、成型快；

（2）智能鋼筋加工設備具有自動化程度高、加工效率高的特點；

（3）鋼筋加工數據以數字形式存儲，應用MES系統(tǒng)管理鋼筋加工數據，實時監(jiān)測鋼筋加工任務；

（4）應用優(yōu)化套裁系統(tǒng)自動配置鋼筋加工最優(yōu)方案，達到節(jié)約原材料目的。該技術獨特的管控流程對傳統(tǒng)鋼筋加工來說是一次變革，對我國高速鐵路建設工業(yè)化生產起到了技術引領作用，具有十分廣泛的應用前景和價值。