朱俊武，楊斌，侯宇飛，王有云

（1.中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司，上海 200040；2.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京 100844）

1 概述

近年來，我國工程行業(yè)展開了現(xiàn)代化的建設(shè)革命，建筑施工由傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型過渡到現(xiàn)代工廠化、智能化建造方式，而鋼筋作為工程建設(shè)所必需的原材料，其加工方式也同樣面臨由小型加工廠到大型智能化集中加工廠的技術(shù)升級(jí)。工程主體結(jié)構(gòu)所需的原材一般分為線材、棒材，棒材生產(chǎn)通用規(guī)格長度為12 m 和9 m?，F(xiàn)場制作時(shí)，需將原材進(jìn)行截?cái)鄰澢?，施工現(xiàn)場為合理控制原材的損耗，需在加工前對(duì)鋼筋下料長度進(jìn)行套料計(jì)算。目前棒材套料計(jì)算采用人工方式，易出錯(cuò)且計(jì)算結(jié)果易受人為因素影響。在鋼筋集中加工的情況下，需要計(jì)算的數(shù)據(jù)量比分散加工大得多，人工計(jì)算非常困難。此外，數(shù)據(jù)量增多，會(huì)出現(xiàn)計(jì)算加工錯(cuò)誤現(xiàn)象，導(dǎo)致原材鋼筋嚴(yán)重受損進(jìn)行返工，降低生產(chǎn)效率［1］。

在鐵路橋梁工程中，箱梁等預(yù)制構(gòu)件對(duì)鋼筋加工的需求量很大，構(gòu)件內(nèi)鋼筋存在體量大、數(shù)量多、安裝精度高的要求［2］。因此，如何利用信息技術(shù)、機(jī)械自動(dòng)化加工技術(shù)來提升生產(chǎn)效率、工程質(zhì)量和自動(dòng)化程度是一個(gè)重要課題。對(duì)鋼筋加工一體化技術(shù)開展應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了BIM 鋼筋建模軟件與一體化加工設(shè)備硬件結(jié)合。整套技術(shù)在京雄城際高鐵項(xiàng)目建設(shè)生產(chǎn)中得到實(shí)踐驗(yàn)證，為鐵路工程智慧梁場簡支箱梁鋼筋智能加工積累了經(jīng)驗(yàn)［3］。

2 梁場鋼筋智能加工技術(shù)路線

梁場智能鋼筋集中加工一體化作業(yè)，將鋼筋智能加工所有發(fā)生的業(yè)務(wù)都在平臺(tái)內(nèi)完成，使用BIM 平臺(tái)的鋼筋模型數(shù)據(jù)提交加工需求，實(shí)現(xiàn)了辦公室生產(chǎn)任務(wù)管理與工廠內(nèi)鋼筋設(shè)備的雙向數(shù)據(jù)及時(shí)通信，通過網(wǎng)絡(luò)信息，將在辦公室處理好的生產(chǎn)任務(wù)下發(fā)到對(duì)應(yīng)的鋼筋設(shè)備，并將鋼筋設(shè)備的生產(chǎn)結(jié)果反饋到辦公室進(jìn)行匯總，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。從而更加高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的管理［4］。

梁場智能化生產(chǎn)過程中，以梁體施工鋼筋圖為基準(zhǔn)，利用BIM 鋼筋建模技術(shù)為主導(dǎo)，以智能加工設(shè)備為核心，完成基于BIM 技術(shù)的鋼筋優(yōu)化設(shè)計(jì)；根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后的鋼筋BIM 模型導(dǎo)出鋼筋格式數(shù)據(jù)，用于物料生產(chǎn)管理系統(tǒng)確認(rèn)加工代碼單號(hào)；智能設(shè)備鋼筋加工管理系統(tǒng)通過導(dǎo)入鋼筋代碼單號(hào)，自動(dòng)生成鋼筋加工代碼單，將代碼單號(hào)輸入加工設(shè)備。通過局域網(wǎng)將智能鋼筋加工設(shè)備和辦公網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備鋼筋加工一體化制作［5-6］。

鋼筋加工技術(shù)應(yīng)用流程見圖1。

圖1 鋼筋加工技術(shù)應(yīng)用流程

3 鐵路箱梁鋼筋深化設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.1 利用BIM技術(shù)輔助鋼筋優(yōu)化

鋼筋優(yōu)化設(shè)計(jì)利用建模軟件Planbar，建模精度達(dá)到LOD 5.0，可擴(kuò)展性好，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式多樣，較易實(shí)現(xiàn)與鋼筋加工管理平臺(tái)之間數(shù)據(jù)傳遞?？偨Y(jié)利用BIM技術(shù)對(duì)鋼筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)、積累經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，形成鋼筋優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，包括準(zhǔn)備工作、鋼筋建模和設(shè)計(jì)糾偏三大步驟。在鋼筋優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合鋼筋加工經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際需求，進(jìn)一步完善鋼筋的建模流程?；赑lanbar 鋼筋數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口，可將鋼筋模型導(dǎo)出系統(tǒng)接收的BVBS數(shù)據(jù)格式傳輸至智能鋼筋加工設(shè)備進(jìn)行鋼材加工［7］。

3.2 基于BIM的鋼筋碰撞檢查分析

通過碰撞檢查分析，箱梁底板、腹板及頂板鋼筋之間存在部分鋼筋碰撞問題；對(duì)梁體鋼筋與波紋管、支座預(yù)埋件、吊點(diǎn)等進(jìn)行空間分析，存在沖突等問題。因此提前對(duì)箱梁鋼筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)有沖突之處進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，可有效避免綁扎過程中的二次處理。此外，結(jié)合鋼筋綁扎工藝流程，運(yùn)用軟件對(duì)梁體鋼筋綁扎過程進(jìn)行模擬，通過三維可視化手段分析和優(yōu)化綁扎過程，并對(duì)工人進(jìn)行交底，有效提高鋼筋籠綁扎質(zhì)量。特性相同的箱梁鋼筋綁扎工藝在實(shí)際過程中需要重復(fù)若干次，因此模擬、分析、優(yōu)化和交底的過程可結(jié)合實(shí)際施工情況不斷優(yōu)化，提高工作效率。

3.3 物料生產(chǎn)管理系統(tǒng)

根據(jù)建設(shè)單位工廠化、智能化、數(shù)字化建設(shè)要求，項(xiàng)目部和鋼筋智能設(shè)備廠家提出需求，共同研發(fā)了針對(duì)鋼筋智能加工中心數(shù)字化管理系統(tǒng)，該管理系統(tǒng)支持BVBS 鋼筋參數(shù)格式，利用BIM 技術(shù)將鋼筋建模導(dǎo)入系統(tǒng)，進(jìn)一步復(fù)核優(yōu)化鋼筋的彎曲弧度和尺寸，降低智能加工的成品尺寸誤差。通過系統(tǒng)形成了系統(tǒng)性的管理手段，實(shí)現(xiàn)了智能生產(chǎn)管理一體化。

4 智能梁場鋼筋配置

4.1 軟件配置

（1）BIM 建模軟件。采用Planbar 軟件進(jìn)行箱梁鋼筋建模（見圖2）。首先通過BIM軟件建立整孔梁模型，將預(yù)制箱梁模型中每個(gè)型號(hào)的鋼筋及尺寸等生成導(dǎo)出下料單（二維碼、條碼下料單），直接與智能鋼筋加工設(shè)備接口連接。在預(yù)制箱梁建模過程中，可對(duì)設(shè)計(jì)圖紙工程量進(jìn)行審核；在施工過程中進(jìn)行碰撞檢查；實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度模擬等［8］。

（2）物料生產(chǎn)管理系統(tǒng)。為支持鋼筋加工中心對(duì)鋼筋智能加工任務(wù)進(jìn)行訂單、生產(chǎn)、材料和倉儲(chǔ)的信息化管理，梁場鋼筋加工采用物料生產(chǎn)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括鋼筋模型BVBS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入、鋼筋生產(chǎn)任務(wù)計(jì)劃、鋼筋加工單生成、加工過程監(jiān)控等模塊。智能鋼筋加工設(shè)備鋼筋數(shù)據(jù)接口通過解析Planbar 模型導(dǎo)出的鋼筋數(shù)據(jù)格式，接收鋼筋型號(hào)數(shù)據(jù)信息后，自動(dòng)生成鋼筋加工任務(wù)單，并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫［8］。導(dǎo)入平臺(tái)鋼筋型號(hào)下料單見圖3。

圖3 導(dǎo)入系統(tǒng)鋼筋型號(hào)下料單

4.2 智能梁場鋼筋加工設(shè)備布置

針對(duì)雄縣制梁場工程任務(wù)量大、施工周期長的特點(diǎn)，根據(jù)大型智能梁場鋼筋加工設(shè)備要求，需對(duì)鋼筋加工場集中加工進(jìn)行整體布局、集中生產(chǎn)，按照不同型號(hào)規(guī)格進(jìn)行分類輸送到鋼筋綁扎區(qū)進(jìn)行使用。結(jié)合現(xiàn)場各區(qū)域布局設(shè)置，智能梁場鋼筋加工設(shè)備設(shè)置于梁場便于運(yùn)輸使用的鋼筋綁扎附近，智能梁場鋼筋加工中心配備磁吸自動(dòng)上料、多根剪切機(jī)械、四機(jī)頭、雙工位彎曲中心、彎箍、調(diào)直一體機(jī)等加工機(jī)械設(shè)備（見圖4）。場地內(nèi)設(shè)備及區(qū)域布置見圖5。

圖4 鋼筋加工場

圖5 鋼筋加工場設(shè)備及區(qū)域布置

5 智能梁場鋼筋加工技術(shù)

雄縣智能梁場于2018年8月1日開工建設(shè)，主梁場預(yù)制梁任務(wù)包括單線箱梁212 孔（32 m 200 孔、24 m 12 孔），雙線箱梁132 孔（32 m 126 孔、24 m 6孔）。根據(jù)施工進(jìn)度安排，梁場平均每天加工約130 t 鋼筋半成品。在施工前期，依據(jù)施工圖紙利用Planbar 軟件建立不同類型箱梁鋼筋模型，鋼筋模型建成后進(jìn)行碰撞檢查，按照碰撞檢查結(jié)果對(duì)箱梁鋼筋進(jìn)行優(yōu)化。應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)部分鋼筋尺寸不符合現(xiàn)場實(shí)際使用要求，按照實(shí)際情況對(duì)圖紙進(jìn)行優(yōu)化，減少了人力、材料等資源的浪費(fèi)。

針對(duì)智能梁場鋼筋加工規(guī)劃，配套數(shù)控鋼筋成型設(shè)備、輔助信息化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，以成型鋼筋加工工藝路線為基礎(chǔ)，系統(tǒng)規(guī)劃、統(tǒng)籌管理，生產(chǎn)廠房的流水化物料流轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了高效生產(chǎn)。一方面，以數(shù)控成型裝備為基礎(chǔ)，顯著提升產(chǎn)品質(zhì)量的把控能力；另一方面，通過全程的信息化綜合管控，構(gòu)建全程可追溯的質(zhì)量管理體系。實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)的高效管理和銜接，保證成型鋼筋部品的品質(zhì)和供應(yīng)［9-10］。

（1）首先根據(jù)鋼筋智能加工設(shè)備支持的數(shù)據(jù)格式（BVBS）選用適合支持鋼筋深化設(shè)計(jì)模型創(chuàng)建的BIM軟件。Planbar 軟件鋼筋建模功能突出、可擴(kuò)展性好、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式多樣，能夠?qū)崿F(xiàn)與鋼筋加工管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳遞。

（2）通過軟件學(xué)習(xí)培訓(xùn)，對(duì)工作經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)建模工程師，根據(jù)設(shè)計(jì)單位下發(fā)的設(shè)計(jì)施工圖進(jìn)行箱梁鋼筋翻模，如1榀32 m簡支箱梁需建112種不同尺寸和規(guī)格型號(hào)的鋼筋模型，包括預(yù)應(yīng)力管道鋼絞線、模具等，為確保所建模型尺寸和弧度質(zhì)量，整體建模任務(wù)量非常大，將建好的箱梁模型進(jìn)行下一步優(yōu)化。

（3）利用BIM 建模軟件自帶的設(shè)計(jì)糾偏功能，將整體箱梁所配置的材料進(jìn)行碰撞檢查（見圖6），通過碰撞檢查報(bào)告得出的結(jié)果，一些簡單的沖突問題可提前告知鋼筋綁扎作業(yè)人員，處理難度較大的碰撞沖突問題以書面報(bào)告?zhèn)魉椭猎O(shè)計(jì)單位進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 鋼筋碰撞檢查

（4）確定鋼筋模型尺寸、角度和弧度沒有問題后，將箱梁鋼筋導(dǎo)出BVBS 格式，傳輸至物料生產(chǎn)管理平臺(tái)，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)生成任務(wù)單。鋼筋加工控制信息平臺(tái)可根據(jù)鋼筋場加工能力、加工需求和生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度安排，實(shí)行訂單式管理模式，可以做到“統(tǒng)一采購，統(tǒng)一生產(chǎn)，統(tǒng)一堆場，統(tǒng)一出場”。信息平臺(tái)通過合理規(guī)劃加工訂單，制定最佳加工次序。

精確控制智能加工生產(chǎn)：通過信息平臺(tái)導(dǎo)出的加工單（附有各種類型鋼筋獲取編號(hào)），鋼筋自動(dòng)加工設(shè)備通過輸入相應(yīng)編號(hào)可自動(dòng)將鋼筋信息錄入后進(jìn)行鋼筋精準(zhǔn)加工。確認(rèn)無誤后，通過鋼筋場內(nèi)局域網(wǎng)傳輸至智能加工設(shè)備進(jìn)行鋼筋加工。

（5）生產(chǎn)管理流程以加工任務(wù)信息化下發(fā)為起點(diǎn)，根據(jù)鋼筋的具體加工需求將任務(wù)指派給具體的生產(chǎn)設(shè)備后啟動(dòng)生產(chǎn)，加工完成后的成型鋼筋由綁扎人員領(lǐng)用完后，按照任務(wù)圖紙進(jìn)行綁扎并對(duì)成品進(jìn)行掛料牌操作，最后按照庫區(qū)設(shè)計(jì)完成入庫操作，等待領(lǐng)用。

BIM 模型生成的鋼筋加工任務(wù)數(shù)據(jù)，通過TCP 協(xié)議與接口程序進(jìn)行通信。BIM軟件導(dǎo)出鋼筋加工任務(wù)文件，由接口程序主動(dòng)到指定文件夾內(nèi)進(jìn)行任務(wù)獲取。直接向鋼筋智能加工設(shè)備接口程序發(fā)送下發(fā)任務(wù)、回取數(shù)據(jù)的接口請(qǐng)求，然后通過智能鋼筋加工設(shè)備接口的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)各鋼筋設(shè)備的遠(yuǎn)程操作［11］。基于BIM 的鋼筋智能加工一體化整體應(yīng)用流程見圖7。

圖7 基于BIM的鋼筋智能加工一體化整體應(yīng)用流程

6 結(jié)論與展望

智能梁場鋼筋加工技術(shù)利用BIM 技術(shù)進(jìn)行鋼筋的三維翻樣、數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理并與智能鋼筋加工機(jī)械的無縫對(duì)接，有效提高鋼筋的加工質(zhì)量和效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、材料浪費(fèi)及能源消耗［12］。

京雄城際高鐵五標(biāo)項(xiàng)目部雄縣制梁場預(yù)制箱梁（總體長度約12.1 km）的施工過程中，鋼筋加工部分采用基于BIM 的鋼筋一體化加工工法，目前共加工生產(chǎn)鋼筋半成品13 760 t，日均加工鋼筋52.653 t，鋼筋原材加工利用率在99.5%以上，經(jīng)濟(jì)效益率28.8%，取得了較好的應(yīng)用成果。具體成果如下：

（1）預(yù)制箱梁建模過程中可對(duì)設(shè)計(jì)圖紙工程量進(jìn)行審核，施工過程中進(jìn)行碰撞檢查并實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度模擬等。

（2）利用BIM 建模軟件高精度建模（LOD 5.0）導(dǎo)出下料單上傳至物料管理平臺(tái)，指令設(shè)備加工，避免了工作人員在鋼筋加工過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

（3）與以往相比，降低了人工投入，3臺(tái)智能設(shè)備只需5、6個(gè)人就能滿足整孔梁的加工制作。

（4）實(shí)現(xiàn)了智能流水線作業(yè)，提高了信息化、機(jī)械化、智能化、管理標(biāo)準(zhǔn)化水平，滿足了建設(shè)單位的要求并得到了認(rèn)可。

鋼筋一體化加工目前處于應(yīng)用發(fā)展階段，除智能設(shè)備本身穩(wěn)定性有待提高外，還存在以下問題：

（1）鋼筋智能加工設(shè)備占地面積大，對(duì)于小型工地，智能設(shè)備投入必要性不大；普通型號(hào)加工設(shè)備占地空間小，方便靈活挪動(dòng)，小型工地使用率高。

（2）機(jī)械設(shè)備前期需人工進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，優(yōu)化模型鋼筋數(shù)據(jù)。

（3）鋼筋模型需人工建立，過程中容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤導(dǎo)致鋼筋數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

基于BIM 技術(shù)的鋼筋加工方法，利用Planbar 建模軟件對(duì)施工圖進(jìn)行翻模，智能設(shè)備加工易上手，通過高新技術(shù)推動(dòng)成本管控，提升了智能化生產(chǎn)能力，為今后鋼筋智能集中加工奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)避免了傳統(tǒng)鋼筋場環(huán)境差、加工設(shè)備多、場地亂等問題，不但可提高企業(yè)在市場上的科技實(shí)力和綜合競爭力，還可進(jìn)一步促進(jìn)經(jīng)營開發(fā)的發(fā)展，帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

現(xiàn)代鐵路工程趨向于智能化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化的建設(shè)理念對(duì)設(shè)計(jì)施工各環(huán)節(jié)提出更高要求，鋼筋加工作為生產(chǎn)施工的重要環(huán)節(jié)，在自動(dòng)化、精細(xì)化的進(jìn)程中將率先作出貢獻(xiàn)，該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用可為工程行業(yè)提供參考和借鑒［13-14］。