胡 勇 邸克孟 馮 銳

(中鐵七局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司，西安 710032)

引言

鋼筋是建筑工程行業(yè)必不可少、十分重要的材料，占到結(jié)構(gòu)工程的35%到40%左右。由于其價(jià)格高昂，使用量大，是項(xiàng)目控制成本的重點(diǎn)之一[1]。目前鋼筋加工主要有兩種方式，一種是分散加工，即每個(gè)單體工程建一個(gè)小型加工棚，這種方式鋼筋加工設(shè)備簡單、效率低下、質(zhì)量參差不齊，尤其是浪費(fèi)較為嚴(yán)重，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，分散加工的鋼筋損耗率一般在10%以上。另一種是鋼筋集中加工，項(xiàng)目建立統(tǒng)一的鋼筋加工廠，這種方式采用數(shù)控鋼筋加工設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，提高了鋼筋加工質(zhì)量和效率，但是鋼筋翻樣仍采用人工翻樣，下料順序僅在單構(gòu)件中組合，工人在下料時(shí)僅是手動(dòng)操控依次下料，同樣產(chǎn)生大量的鋼筋余料，并且各數(shù)控設(shè)備相互獨(dú)立，未實(shí)現(xiàn)鋼筋智能自動(dòng)化加工。

近幾年，隨著建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，鋼筋工程的管理方式逐漸由粗放式管理轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)化、信息化管理[2]，如何利用BIM、二維碼等信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼筋智能化加工，最大限度利用余料，降低鋼筋成本是我們研究的重點(diǎn)，而從鋼筋BIM建模，導(dǎo)出鋼筋下料單，到自動(dòng)優(yōu)化鋼筋下料方案實(shí)現(xiàn)綜合套裁，再到與數(shù)控鋼筋加工設(shè)備之間無縫銜接是實(shí)現(xiàn)鋼筋智能化加工的關(guān)鍵。

1 項(xiàng)目背景介紹

新建京張鐵路北京動(dòng)車所包含房屋25座，建筑面積59 712m2(其中六線檢查庫建筑面積29 292m2)，圖示鋼筋用量5 764t。項(xiàng)目建設(shè)一座鋼筋智能化加集中加工廠，利用BIM技術(shù)，結(jié)合鋼筋數(shù)控加工設(shè)備，進(jìn)行鋼筋智能化加工技術(shù)研究。

圖1 鋼筋智能化加工管理系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)流程：首先利用BIM鋼筋翻樣軟件進(jìn)行鋼筋翻樣建模，復(fù)核鋼筋數(shù)量，然后將生成的配料單導(dǎo)入系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)下料優(yōu)化、綜合套裁，系統(tǒng)在保證最大限度利用余料的情況下，自動(dòng)計(jì)算各型號(hào)鋼筋剪切數(shù)據(jù)，并將最終下料單生成二維碼，最后數(shù)控加工設(shè)備通過識(shí)別二維碼，自動(dòng)進(jìn)行剪切、彎曲加工。

2 鋼筋翻樣軟件選擇及接口設(shè)計(jì)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，鋼筋電子翻樣代替手工翻樣已成必然趨勢[3]，它以其速度快、精度高、操作便捷等諸多優(yōu)勢已在建筑行業(yè)大規(guī)模推廣。通過表格導(dǎo)入、構(gòu)件法、BIM建模法等多種方式實(shí)現(xiàn)各種構(gòu)件的翻樣計(jì)算，并輸出想要的鋼筋下料單，由于BIM技術(shù)具有三維可視化的優(yōu)勢，既可直觀核算鋼筋數(shù)量，還可對鋼筋進(jìn)行精細(xì)布置和優(yōu)化，所以本文主要采用BIM建模法。

目前，國內(nèi)可實(shí)現(xiàn)鋼筋翻樣的BIM建模軟件眾多，包括廣聯(lián)達(dá)、魯班、Revit等。考慮到Revit鋼筋建模較為復(fù)雜，并且在導(dǎo)出的鋼筋明顯表中無法包含鋼筋大樣圖。魯班和廣聯(lián)達(dá)均能實(shí)現(xiàn)鋼筋快速建模，但魯班更側(cè)重于精度和算量，廣聯(lián)達(dá)更側(cè)重于方便易用性，市場占用率更高，應(yīng)用更為廣泛，因此本課題選擇以廣聯(lián)達(dá)導(dǎo)出的鋼筋明細(xì)表作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

圖2 廣聯(lián)達(dá)鋼筋翻樣建模并導(dǎo)出明細(xì)表

由于廣聯(lián)達(dá)導(dǎo)出的鋼筋明細(xì)表為Excel格式，故針對Excel文件格式進(jìn)行導(dǎo)入接口設(shè)計(jì)。

此外，因廣聯(lián)達(dá)BIM鋼筋翻樣軟件[4]是通過對照平法圖集規(guī)范來創(chuàng)建模型，主要適合于房建工程。為了應(yīng)用的廣泛性，我們針對無現(xiàn)成鋼筋明細(xì)表的橋隧、涵洞等工程，設(shè)計(jì)了手動(dòng)輸入的數(shù)據(jù)接口。在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)計(jì)了橋涵鋼筋工程常用信息的鋼筋明細(xì)表，建立了橋涵的鋼筋大樣圖庫，用戶通過手動(dòng)輸入鋼筋信息并綁定大樣圖，可起到廣聯(lián)達(dá)模型導(dǎo)出鋼筋明細(xì)表同樣的作用。

本研究現(xiàn)階段以上述兩種接口為主，并留有備用二次開發(fā)接口，待其他BIM軟件、算量插件成熟后，軟件及時(shí)進(jìn)行接口對接，也可適用于其他同等功能的BIM軟件及其鋼筋明細(xì)表。

3 基于BIM的鋼筋綜合套裁方法

綜合套裁方法的優(yōu)劣會(huì)直接影響鋼筋損耗率及鋼筋工程的造價(jià)成本?；谇捌诘腂IM模型和兩種接口導(dǎo)入的鋼筋工程數(shù)據(jù)，建立一個(gè)完善的鋼筋綜合套裁方法是核心技術(shù)之一。

3.1 影響鋼筋綜合套裁工況分析

(1)鋼筋彎曲調(diào)整值

鋼筋在彎曲過程中，內(nèi)皮縮短，外皮伸長，中心線不變，彎曲處變成圓弧，而鋼筋下料尺寸是每根鋼筋切斷時(shí)的直線長度為中心線尺寸，并非圖示尺寸。為確保鋼筋套裁的準(zhǔn)確度，鋼筋下料長度需充分考慮鋼筋強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋直徑、彎曲形式等諸多因素進(jìn)行鋼筋單長修正。

圖3 Excel導(dǎo)入和人工錄入接口設(shè)計(jì)

圖4 彎曲調(diào)整值設(shè)定

表1 彎曲調(diào)整值默認(rèn)設(shè)置

廣聯(lián)達(dá)軟件已具備自動(dòng)進(jìn)行彎曲調(diào)整值修訂功能，可直接使用導(dǎo)出數(shù)據(jù)，本次研究根據(jù)《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(TB10424-2010)和《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50204-2015)規(guī)定加入彎曲調(diào)整功能以便手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)或后續(xù)BIM軟件接口設(shè)計(jì)。

(2)定尺選擇

鋼筋定長度直接影響鋼筋下料損耗率，以全排列算法角度分析，一般定尺越長，組合方案越多，優(yōu)化的約束條件也隨之增加，同時(shí)優(yōu)化效果也會(huì)更好，目前市場上鋼筋定尺長度通常為9m或12m，因此需要設(shè)計(jì)為可選擇定尺長度。

(3)規(guī)范要求

原則上首先對導(dǎo)入或手動(dòng)輸入的鋼筋明細(xì)表中，按照強(qiáng)度等級(jí)、直徑進(jìn)行分類，優(yōu)先對同規(guī)格的鋼筋進(jìn)行套裁組合、優(yōu)化處理。針對部分規(guī)范許可的情況，允許鋼筋以大代小，進(jìn)一步提高鋼筋原材料的利用率。

3.2 優(yōu)化算法

要進(jìn)行鋼筋綜合套裁，確定下料順序，實(shí)現(xiàn)長短搭接的最優(yōu)化，最核心的技術(shù)就是優(yōu)化算法的選擇。在國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于鋼筋下料優(yōu)化的相關(guān)論文中，采用啟發(fā)式算法的學(xué)者占較大的一部分[5-8]。啟發(fā)式算法比較容易實(shí)現(xiàn)并行化。但是，也存在一定缺陷：如參數(shù)難以設(shè)置調(diào)整，算法模型隨機(jī)性較大、容易早熟導(dǎo)致結(jié)果不佳等。

為在更高的精度范圍內(nèi)求解出最優(yōu)的鋼筋下料方案，研究中未采用遺傳算法、模擬退火算法等啟發(fā)式算法，而采取改進(jìn)整數(shù)規(guī)劃算法來進(jìn)行求解，整數(shù)規(guī)劃求解的效果及精度遠(yuǎn)高于啟發(fā)式算法。傳統(tǒng)整數(shù)規(guī)劃算法在鋼筋下料中應(yīng)用較少，其主要原因在于鋼筋下料優(yōu)化屬于大規(guī)模優(yōu)化問題，傳統(tǒng)整數(shù)規(guī)劃在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，容易陷入NP完全問題而無法建立出完善的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)致后續(xù)求解無法進(jìn)行。我們對傳統(tǒng)整數(shù)規(guī)劃算法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，首先通過設(shè)定方案閾值，保障鋼筋下料優(yōu)化數(shù)學(xué)模型建立精度，并針對在有限時(shí)間內(nèi)無法建立數(shù)學(xué)模型的鋼筋批次，提出了拆分方法，綜合考慮了時(shí)間自由度與空間自由度，使得在有限的時(shí)間內(nèi)建立出質(zhì)量精度較高的數(shù)學(xué)模型，再分別通過單純形法和割平面法進(jìn)行求解。

3.3 鋼筋綜合套裁方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證算法的實(shí)用性，將通過參考文獻(xiàn)中的算例進(jìn)行試算對比。文中所計(jì)算的例子均在主頻為3.50GHz，內(nèi)存為4GB的計(jì)算機(jī)上完成。

案例：原材料長度L=1000，原材料數(shù)量足夠，所需要切割的鋼筋成品長度和數(shù)量如下表所示，求最優(yōu)下料方案(不考慮切口損失)[8]。

表2 案例數(shù)據(jù)

表3 本文算法計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可以看出，本文所用算法總共使用鋼筋原材料15根，對原材料的綜合利用率為97.4%，使用AB分類法[9]進(jìn)行計(jì)算，使用了17根原材料，對原材料的利用率為85.9%； 此外，用啟發(fā)式算法[10]和模擬退火算法[11]均使用原材料共16根，對原材料的利用率為91.3%。整體而言，本文所提出的鋼筋下料方法效果最佳。

3.4 鋼筋綜合套裁方案經(jīng)濟(jì)比選

目前，市場上鋼筋主流定尺長度一般有12m或9m，不同定尺長度鋼筋單價(jià)不同，如每噸9m定尺的鋼筋材料價(jià)格比每噸12m定尺的價(jià)格高50～100元不等，因此考慮鋼筋損耗的同時(shí)，還需綜合考慮降低損耗的經(jīng)濟(jì)效益，必須對9m和12m定尺的套裁方案結(jié)合用戶輸入的鋼筋單價(jià)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選、方案推薦，最大限度使鋼筋成本降到最低。

圖5 經(jīng)濟(jì)比選結(jié)果

4 數(shù)控鋼筋加工設(shè)備數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

鋼筋綜合套裁后確定的鋼筋下料順序最優(yōu)方案以Excel格式輸出保存，數(shù)據(jù)包含切割所得的每根鋼筋具體的使用標(biāo)段、單位工程、樓層、構(gòu)件名稱、直徑、鋼筋大樣圖、單長、根數(shù)、總長和總重等有效信息，以便于技術(shù)人員和鋼筋工隨時(shí)查閱。

圖6 鋼筋大樣圖

圖7 加工信息編碼標(biāo)準(zhǔn)

要實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化加工，還需要將鋼筋下料方案與數(shù)控鋼筋加工設(shè)備無縫對接。目前市場上已有部份鋼筋加工設(shè)備廠家設(shè)計(jì)研發(fā)了智能數(shù)控加工設(shè)備，但是不同廠家、不同設(shè)備接收的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)傳輸方式各不相同，通過研究多個(gè)廠家所生產(chǎn)數(shù)控鋼筋加工設(shè)備，分析底層數(shù)據(jù)運(yùn)作機(jī)制，結(jié)合下料方案中鋼筋加工信息的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，我們采用了基于二維碼技術(shù)的鋼筋加工信息編碼標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)合計(jì)660個(gè)0-9純數(shù)字字符，其中，首端4位綠色為圖形標(biāo)號(hào)，最大300， 4位紅色數(shù)字字符代表加工數(shù)量， 4位藍(lán)色字符代表鋼筋直徑， 4位褐色代表加工類型， 4位紅色區(qū)域代表底邊長度，綠色區(qū)域代表左邊鋼筋段長度，黃色區(qū)域代表左邊角度，緊鄰藍(lán)色為左邊長度補(bǔ)償，灰色為左邊角度補(bǔ)償； 粉色區(qū)域?yàn)橛疫呬摻疃伍L度，藍(lán)色區(qū)域?yàn)橛疫吔嵌龋o鄰藍(lán)色為右邊長度補(bǔ)償，灰色為右邊角度補(bǔ)償。

圖8 輸出鋼筋下料二維碼并掃碼加工

基于上述鋼筋加工信息編碼標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合鋼筋大樣圖，通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，提取鋼筋大樣圖中的信息，并按照順序儲(chǔ)存在編碼中。結(jié)合預(yù)先設(shè)定的圖形標(biāo)號(hào)、加工數(shù)量、鋼筋直徑、加工類型等參數(shù)，便可生成660位鋼筋加工信息編碼，后將編碼儲(chǔ)存為二維碼，生成二維碼料單，鋼筋數(shù)控加工設(shè)備通過掃描二維碼實(shí)現(xiàn)鋼筋自動(dòng)加工，也可將鋼筋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云端數(shù)據(jù)庫，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與數(shù)控鋼筋加工設(shè)備無縫對接，供數(shù)控鋼筋加工設(shè)備下載掃碼加工。

5 鋼筋加工銘牌設(shè)計(jì)

最后，為便于鋼筋成品的分類存放及統(tǒng)一配送管理，實(shí)現(xiàn)鋼筋加工配送精細(xì)化管理，結(jié)合工程需求，為系統(tǒng)開發(fā)了鋼筋加工銘牌自動(dòng)生成功能，系統(tǒng)通過提取導(dǎo)入鋼筋明細(xì)表中的鋼筋型號(hào)、使用部位、編號(hào)、根數(shù)、大樣圖等信息，以預(yù)定的格式批量導(dǎo)出鋼筋加工銘牌。

圖9 鋼筋加工銘牌

6 應(yīng)用效果分析

我們以北京北動(dòng)車所施工進(jìn)度相同的信號(hào)樓、運(yùn)轉(zhuǎn)整備綜合樓及垃圾樓三座房屋為例，通過對HRP400Φ22鋼筋加工單構(gòu)件組合和綜合套裁后的鋼筋損耗情況進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表4：

表4 單構(gòu)件鋼筋套裁數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表

通過表4可知，單構(gòu)件套裁優(yōu)化后鋼筋平均最低損耗3.385%，優(yōu)化效果比較明顯； 在分析統(tǒng)計(jì)過程中，我們綜合考慮了鋼筋采購單價(jià)及降低損耗率兩項(xiàng)指標(biāo)。

通過表5可知，多構(gòu)件鋼筋綜合套裁后，鋼筋損耗為0.89%，遠(yuǎn)小于單構(gòu)件鋼筋套裁損耗3.385%，說明構(gòu)件鋼筋綜合套裁有效地降低了鋼筋損耗率，節(jié)省成本。

表5 鋼筋套裁數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析對比表

7 結(jié)論與展望

通過利用BIM、二維碼等前沿信息化技術(shù)，結(jié)合智能加工設(shè)備，徹底解決了現(xiàn)階段鋼筋工程中鋼筋損耗嚴(yán)重和智能化水平低的問題，既提高了工作效率，又減少了鋼筋浪費(fèi)，使鋼筋損耗率控制在1%以內(nèi)，極大地節(jié)約了鋼筋成本。

本研究現(xiàn)階段主要以市場上最成熟的廣聯(lián)達(dá)鋼筋軟件為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)對應(yīng)接口，后期隨著Revit、魯班等軟件針對鋼筋翻樣功能成熟后，會(huì)開放對應(yīng)的API，實(shí)現(xiàn)多軟件、多表格、多格式的無縫對接； 在優(yōu)化綜合套裁方面，引入機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更加智能、更加優(yōu)化的鋼筋綜合套裁； 在智能加工方面，將完善數(shù)控設(shè)備掃碼、無線網(wǎng)互聯(lián)、云平臺(tái)操控等功能，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)滿足工程要求的鋼筋智能加工。

隨著鋼筋集中加工及配送技術(shù)不斷發(fā)展，鋼筋集中加工綜合套裁在降低鋼筋損耗，節(jié)省成本方面將有廣闊的應(yīng)用前景。