曹少衛(wèi) 嚴(yán)心軍 董無窮2 鮑大鑫

(1.中鐵建工集團(tuán)有限公司建筑工程研究院，北京 100070； 2.中鐵建工集團(tuán)有限公司北京分公司，北京 100070)

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，我國大中型城市都陸續(xù)建設(shè)出了不少具有地方特色、造型優(yōu)美、復(fù)合交通的高鐵站房，成為了城市地標(biāo)性建筑，如北京至張家口鐵路清河站站房工程、北京至雄安新區(qū)城際鐵路雄安站站房工程。兩者基于鋼結(jié)構(gòu)工程，塑造極具文化特色的建筑造型，展現(xiàn)了古典大氣的中國式美。

鋼結(jié)構(gòu)因為具有自重較輕、強度高、抗震性能好、工業(yè)化程度高、施工方便、造型設(shè)計自如等眾多優(yōu)點，被大量地運用在高鐵站房的建設(shè)當(dāng)中，鋼結(jié)構(gòu)分部工程從施工體量方面占據(jù)了工程的舉足輕重的位置。

在鋼結(jié)構(gòu)工程的建造歷程中，不斷吸納信息化、智能化、綠色化的技術(shù)及成果，基于BIM技術(shù)、智能制造系統(tǒng)、智能機(jī)器人、構(gòu)件編碼追溯系統(tǒng)等技術(shù)，逐步實現(xiàn)了智能數(shù)字化鋼構(gòu)加工生產(chǎn)，推動鋼結(jié)構(gòu)工程成為了智能化建造領(lǐng)域的代名詞。

而要實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)工程的智能化生產(chǎn)管理，就需要對鋼結(jié)構(gòu)工程從設(shè)計階段開始、直到結(jié)構(gòu)交驗階段展開全面而深入的研究。建筑工程研究院自2018年起開始鋼結(jié)構(gòu)全生命周期的研究與應(yīng)用，經(jīng)過多個大型站房的實際應(yīng)用，聯(lián)合鋼結(jié)構(gòu)廠商深入技術(shù)交流，建筑工程研究院在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計、原材控制、預(yù)制加工、構(gòu)件及焊縫編碼體系建立、安裝、構(gòu)件追溯等方面已經(jīng)具備了較好的基礎(chǔ)和條件，力爭實現(xiàn)全生命周期的管理。

1 工程概況

北京鐵路樞紐豐臺站改建工程推廣應(yīng)用。該工程站房建筑總面積約40萬m2，車站設(shè)計規(guī)模為17站臺32線，是我國首座采用雙層立體車場的大型客站(如圖1所示)。

圖1 北京鐵路樞紐豐臺站改建工程

中央站房主體及東西站房均采用框架結(jié)構(gòu)體系，框架柱均為田字形或口形鋼管混凝土柱，西站房及中央站房框架梁采用勁性鋼骨混凝土梁，東站房樓層框架梁采用焊接箱型或H型鋼梁。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)分為高速場屋蓋和中央站房進(jìn)站廳屋蓋兩部分，結(jié)構(gòu)采用鋼桁架加十字形鋼柱體系。進(jìn)展廳屋蓋南北向主桁架最大跨度41.5m，東西向主次桁架跨度20m，中央站房南北兩側(cè)懸挑16.2m。

圖2 北京鐵路樞紐豐臺站改建工程豎向構(gòu)造圖

中央站房主體采用鋼筋砼框剪結(jié)構(gòu)+防屈曲支撐、矩形鋼管砼+鋼梁+防屈曲支撐，以及矩形鋼管砼+型鋼+鋼筋砼梁結(jié)構(gòu)形式。進(jìn)站廳屋蓋及高速雨棚采用十字形鋼管混凝土柱+鋼箱梁或鋼桁架結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)軸網(wǎng)寬度方向柱間距東西向20.5m，南北向21.5m，框架梁大量采用勁性鋼骨混凝土梁，以及局部采用鋼骨混凝土梁，鋼結(jié)構(gòu)工程量約20萬噸。

圖3 中央站房主體鋼結(jié)構(gòu)框架

2 全生命周期總體方案策劃

本文依托于“北京鐵路樞紐豐臺站改建工程”項目，對鋼結(jié)構(gòu)工程實體進(jìn)行分析編碼，形成鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件編碼、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件焊縫編碼體系，使得每個構(gòu)件都有獨立的編碼，作為唯一的身份標(biāo)識參與到從構(gòu)件設(shè)計到驗收全過程管理； 通過對高鐵站房鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)進(jìn)行分析，開展鋼結(jié)構(gòu)全生命周期6S管理平臺研究，實現(xiàn)設(shè)計、深化設(shè)計、預(yù)制加工、物流運輸、現(xiàn)場安裝、竣工交驗的信息無縫傳遞[1]，以及鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件級別的可追溯性，提升了項目精細(xì)化管理水平，實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)BIM全生命周期智能建造新模式。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)全生命周期管理平臺

編碼管理是鋼結(jié)構(gòu)管理的核心，也是追溯構(gòu)件及焊縫信息的基礎(chǔ)，構(gòu)件編碼必須唯一，才能有助實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)全生命周期管理平臺對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件級別的管理。根據(jù)高鐵站房的特點，構(gòu)件編碼由五部分組成，各部分用“-”連接，部分字段可以為空。“分區(qū)”是指區(qū)域劃分； “定位”是指對樓層及屋面區(qū)域進(jìn)一步細(xì)分； “分段”是指在對“鋼柱”分節(jié)后，進(jìn)一步細(xì)分段； “構(gòu)件類型”是指鋼結(jié)構(gòu)實體進(jìn)行劃分，如“鋼柱”、“鋼梁”、“鋼樓梯”、“屋面桁架”等； “分節(jié)”或“順序號”是指對某種類型的鋼構(gòu)件的一種劃分方式，分節(jié)對應(yīng)于鋼柱； “流水號”是指某種構(gòu)件類型的構(gòu)件具有多個相同或類似構(gòu)件，需要增加流水號加以區(qū)別。

表1 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件編碼示例

3 鋼結(jié)構(gòu)全生命周期6S管理

鋼結(jié)構(gòu)全生命周期管理(以下簡稱6S管理)包括：設(shè)計階段、深化設(shè)計階段、預(yù)制加工階段、物流運輸階段、現(xiàn)場安裝階段、竣工交驗階段[2]。

圖5 6S管理階段

各階段的模型構(gòu)件以不同顏色區(qū)分，在平臺上能總體顯示鋼結(jié)構(gòu)的總體進(jìn)度情況，當(dāng)前構(gòu)件的詳細(xì)信息，以及6S階段信息，平臺共建設(shè)8個模塊，覆蓋鋼結(jié)構(gòu)從設(shè)計、加工到現(xiàn)場安裝等6個階段16個環(huán)節(jié)管理，無縫拓展至運維階段，降低管理成本，提高管理效率[3]。

3.1 設(shè)計階段

設(shè)計階段，主要管理內(nèi)容有圖紙管理、圖紙會審以及設(shè)計變更管理。為方便用戶快速查找和使用圖紙，建立圖紙管理系統(tǒng)對圖紙進(jìn)行有效的組織管理[4]，并自動對同一存儲節(jié)點下相同名稱圖紙進(jìn)行版本管理，且支持用戶對最新版本的圖紙文件自動打包、壓縮包下載，實現(xiàn)便捷的圖紙標(biāo)準(zhǔn)化資源共享。

圖6 設(shè)計階段模型

為保證施工階段BIM應(yīng)用工作順利開展，在設(shè)計階段就對設(shè)計BIM模型、成果進(jìn)行審核，由施工總包組織設(shè)計院、監(jiān)理單位、BIM顧問等相關(guān)方聯(lián)合審核，在平臺中形成審核記錄[5]，并搭建一套以變更為核心的管理模塊，從變更信息至設(shè)計變更各流程，通過對變更信息的綜合管控，讓變更的每一個環(huán)節(jié)都可控，可回溯。

圖7 6S管理階段

3.2 深化設(shè)計階段

深化設(shè)計階段建立在深化設(shè)計工作的基礎(chǔ)之上，主要包含深化模型建立環(huán)節(jié)和圖紙確認(rèn)環(huán)節(jié)[6]。

平臺記錄深化模型構(gòu)件的詳細(xì)深化成果及其完成時間，完成對深化成果的認(rèn)證，并發(fā)布為管理工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且單獨將每一個構(gòu)件的高精度模型與GIS/BIM場景中構(gòu)件通過構(gòu)件編號進(jìn)行掛接，實現(xiàn)了具體構(gòu)件的高精度模型在線查看及操作瀏覽。

圖8 深化設(shè)計階段

圖紙確認(rèn)環(huán)節(jié)，由施工總包組織設(shè)計院、監(jiān)理單位、BIM顧問等相關(guān)方聯(lián)合對深化成果的圖紙進(jìn)行審核，并對深化圖紙簽認(rèn)。

圖9 鋼柱節(jié)點深化圖紙

3.3 預(yù)制加工階段

預(yù)制加工階段中，通過與鋼結(jié)構(gòu)工廠建立戰(zhàn)略合作，制定數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)設(shè)定的頻次或由平臺主動發(fā)出指令之后，工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫接口及協(xié)議向平臺傳輸數(shù)據(jù)，平臺能夠訪問鋼結(jié)構(gòu)工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，獲取運原材料進(jìn)場、加工等信息，實現(xiàn)全過程可追溯。

圖10 預(yù)制加工階段的數(shù)據(jù)追溯

在預(yù)制加工階段，界面中顯示整個項目鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體信息，整體信息包括智能下料、智能切割、智能焊接等。智能下料能夠顯示當(dāng)前工程鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件生產(chǎn)數(shù)量、耗材數(shù)量，當(dāng)前下料利用率是多少； 智能切割則突出顯示經(jīng)過智能切割設(shè)備切割后的構(gòu)件，構(gòu)件綁定智能設(shè)備切割本構(gòu)件的照片； 構(gòu)件智能焊接欄綁定智能設(shè)備焊接本構(gòu)件的過程照片。

預(yù)制加工階段進(jìn)一步細(xì)分為：原材入庫環(huán)節(jié)、下料切割環(huán)節(jié)、虛擬預(yù)拼裝環(huán)節(jié)、交驗環(huán)節(jié)。選中單個鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件后，自動顯示選中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的數(shù)據(jù)到當(dāng)前最新環(huán)節(jié)。

原材的入庫環(huán)節(jié)展示當(dāng)前構(gòu)件的鋼板合格證以及鋼板檢測報告、入庫時間。

圖11 預(yù)制加工階段構(gòu)件信息

圖12 預(yù)制加工階段詳細(xì)信息(及鋼板合格證、鋼板監(jiān)測報告

下料切割環(huán)節(jié)展示當(dāng)前構(gòu)件的下料切割設(shè)計，包括圖紙以及切割視頻，以及實際下料切割完成時間。

圖13 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件下料切割

虛擬預(yù)拼裝環(huán)節(jié)：為保證鋼結(jié)構(gòu)拼裝的正確性、降低返工率[7]，實行虛擬預(yù)拼裝，虛擬預(yù)拼裝的主要形式為加工實體構(gòu)件的三維掃描模型和設(shè)計模型比對、工廠虛擬預(yù)拼裝，并對過程留存影響資料作為過程資料。

交驗環(huán)節(jié)展示當(dāng)前構(gòu)件出廠合格證、構(gòu)件粘貼二維碼的照片、驗收時間。

3.4 物流運輸階段

物流運輸階段是指鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件已經(jīng)處于裝車運輸階段。6S管理中實行全過程跟蹤，主要體現(xiàn)在運輸過程中的車輛狀態(tài)和運輸過程記錄，包括過程影像資料、運輸材料和工具信息以及材料驗收記錄。并且通過在運輸車輛搭載定位裝置，平臺還能實時獲取到車輛位置信息，以及車輛運輸?shù)能壽E。

圖14 構(gòu)件運輸GPS追蹤

當(dāng)構(gòu)件處于已進(jìn)場狀態(tài)時，由施工技術(shù)人員對構(gòu)件進(jìn)行進(jìn)場驗收，在驗收過程中，記錄驗收的照片和視頻。

3.5 現(xiàn)場安裝階段

現(xiàn)場安裝階段，是記錄和管理鋼結(jié)構(gòu)工程現(xiàn)場安裝作業(yè)的重要階段，6S管理平臺在該階段中，顯示整個項目現(xiàn)場安裝階段鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體信息，主要體現(xiàn)在智能預(yù)拼裝、智能焊機(jī)、焊縫監(jiān)控、安全管理以及質(zhì)量管理等方面。

3.5.1 智能預(yù)拼裝

在鋼結(jié)構(gòu)工程現(xiàn)場拼裝前，可以通過6S管理平臺獲取到相應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點拼裝資料，作為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件合格的取證，并為現(xiàn)場拼裝作業(yè)提供專業(yè)的拼裝指導(dǎo)。選中構(gòu)件，可以查看到在預(yù)制加工階段上傳的關(guān)鍵構(gòu)件虛擬預(yù)拼裝的三維掃描視頻和照片素材，并且界面上有該構(gòu)件實體與設(shè)計模型的色差圖結(jié)果，以及兩個相鄰構(gòu)件的預(yù)拼裝結(jié)果，使拼裝工作有技術(shù)依據(jù)支撐。

圖15 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點拼裝資料

構(gòu)件實體與設(shè)計模型的色差分析結(jié)果是經(jīng)過嚴(yán)格的檢測流程進(jìn)行評定的。該項工作主要通過現(xiàn)場掃描儀器掃描構(gòu)件形成點云文件，繼而通過與Tekla鋼構(gòu)件模型進(jìn)行軟件對比分析，最后形成報告結(jié)果。

圖16 色差分析過程影像記錄

圖17 色差分析流程

圖18 色譜分析報告

3.5.2 智能焊機(jī)

智能焊接全部納入平臺管理之中，并通過不同的顏色標(biāo)識焊機(jī)的狀態(tài)：灰色表示未用狀態(tài)，綠色表示正常狀態(tài)，黃色則表示報警、故障狀態(tài)。平臺上可查看當(dāng)前工作焊機(jī)的設(shè)定參數(shù)、實時電流以及電壓值。對于有焊機(jī)中報警提示的項，通過查看具體報警情況從而對設(shè)備進(jìn)行有針對性的維修，極大地增長焊機(jī)的使用壽命，且保證了焊機(jī)的使用率[8]。

圖19 智能焊機(jī)設(shè)備監(jiān)控模塊

圖20 智能焊機(jī)焊接場景

3.5.3 焊縫監(jiān)控

平臺的焊縫監(jiān)控模塊，對鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場焊接環(huán)節(jié)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，并設(shè)置預(yù)定的預(yù)警提醒，當(dāng)?shù)竭_(dá)觸發(fā)條件時，平臺自動發(fā)出預(yù)警信息，通知相應(yīng)人員執(zhí)行具體動作。例如，焊縫管理中，一些焊縫班組的合格率在一個時間段低于設(shè)置的閾值，平臺發(fā)出預(yù)警，將收集的數(shù)據(jù)通過圖表形式多維度展示出來。

圖21 平臺焊縫管理數(shù)據(jù)展示

檢測通過超聲波探傷儀器進(jìn)行焊縫的質(zhì)量分析，并將每道焊縫的檢測過程照片、檢測人員和檢測結(jié)果形成記錄進(jìn)行上傳，構(gòu)件出廠時也將附帶檢測過程資料和檢測報告，使得每一個出廠的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件焊接都有質(zhì)量保證，并且資料真實且具有可追溯性。

圖22 焊縫監(jiān)控平臺

圖23 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件探傷檢測

3.5.4 安全管理

隨著高鐵站房鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，施工難易程度以及施工危險性都相對增多[9]，施工面積較為集中，機(jī)械設(shè)備和材料的轉(zhuǎn)運頻率高，人員流動性大，管理系統(tǒng)將鋼結(jié)構(gòu)工程的安全管理進(jìn)行平臺化，實時盯控施工安全要點，嚴(yán)守安全技術(shù)交底，在“安全管理”模塊中顯示鋼結(jié)構(gòu)整體安全狀況，首界面展示安全技術(shù)交底份數(shù)、安全問題分類餅狀圖、近期下發(fā)的安全管理相關(guān)資料，對高發(fā)頻發(fā)問題實施預(yù)警并紅色展示。

3.5.5 質(zhì)量管理

平臺會展示鋼結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量狀況，如技術(shù)交底份數(shù)、施工工藝視頻總數(shù)、焊接工藝評定總數(shù)； 質(zhì)量問題分類餅狀圖，對高發(fā)頻發(fā)問題實施預(yù)警并紅色展示。

每一個單獨構(gòu)件自動綁定質(zhì)量資料，查看選中構(gòu)件的技術(shù)交底、施工工藝、焊接工藝評定、質(zhì)量檢查與驗收信息等。在選中的構(gòu)件上錄入或批量錄入技術(shù)交底、施工工藝視頻、焊接工藝評定、質(zhì)量驗收等資料。查看近期下發(fā)的質(zhì)量管理相關(guān)資料。

圖25 安全管理

圖26 質(zhì)量管理

3.6 健康監(jiān)測

豐臺站全生命周期管理在研發(fā)期，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，制定了在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的健康監(jiān)測應(yīng)用計劃，并投入開發(fā)應(yīng)用。根據(jù)項目特點及監(jiān)測方式劃分為人工監(jiān)測、自動監(jiān)測及聯(lián)合監(jiān)測，實現(xiàn)了對設(shè)備的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，達(dá)到監(jiān)控鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)質(zhì)量的目的。

圖27 監(jiān)測方式

3.6.1 焊接健康監(jiān)測

為規(guī)范和監(jiān)控鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量問題，在工藝管理中，以聯(lián)合監(jiān)測的方式，設(shè)置焊接規(guī)范設(shè)計、焊接規(guī)范分配、焊接規(guī)范下發(fā)、焊接履歷報表及焊接波形查詢等管理模塊，其中焊接波形查詢?yōu)楹笝C(jī)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行健康監(jiān)測，通過監(jiān)測焊機(jī)設(shè)備的焊接電流、焊接電壓，根據(jù)電流及電壓的波形確定焊縫質(zhì)量及設(shè)備運行狀態(tài)。

圖28 焊接過程

平臺與設(shè)備間通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了作業(yè)班組、設(shè)備ID、焊接時間記錄、焊接規(guī)范符合率、焊接電流及電壓的均值和波形等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測[10]。

圖29 設(shè)備電流電壓監(jiān)測

3.6.2 鋼結(jié)構(gòu)安裝健康監(jiān)測

為規(guī)范和監(jiān)控鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量問題，在預(yù)制加工工序中，以聯(lián)合監(jiān)測的方式，確定各階段的三維掃描方案，并根據(jù)掃描方案的范圍，實行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的三維掃描，并通過軟件對掃描模型及Tekla標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行比對分析，實現(xiàn)鋼構(gòu)件質(zhì)量的監(jiān)測。

圖30 鋼構(gòu)件現(xiàn)場掃描

圖31 鋼構(gòu)件掃描監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)論

豐臺站全生命周期管理開啟了鋼結(jié)構(gòu)管理的新方式，克服了傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)工程施工管理過程中信息流傳遞缺失、可追溯性差以及工期緊任務(wù)重的管理困難。從設(shè)計、深化設(shè)計、工廠加工、物流運輸、現(xiàn)場安裝、結(jié)構(gòu)交驗實現(xiàn)了完整統(tǒng)一的信息化管理，與土建、機(jī)電、內(nèi)外裝修、幕墻等專業(yè)密切配合。嚴(yán)格有序把控、記錄每道施工工序，實現(xiàn)施工各方線上協(xié)作管理。并且隨著國家5G技術(shù)的快速部署和全面應(yīng)用，云處理技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、人工智能技術(shù)等新基建的應(yīng)用，模型輕量化會進(jìn)一步優(yōu)化、便捷，數(shù)據(jù)傳輸速度大大加快，全生命周期管理模式在鋼結(jié)構(gòu)信息化管理方面將體現(xiàn)出越發(fā)明顯的優(yōu)勢，鋼結(jié)構(gòu)全生命管理必將有廣闊前景，必將促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)工程更加機(jī)械化、工業(yè)化、綠色化、智能化，值得大力推廣。

鋼結(jié)構(gòu)的全生命周期管理平臺還集BIM技術(shù)、GIS技術(shù)、智能設(shè)備、二維碼技術(shù)、IOT技術(shù)以及云計算等技術(shù)于一身，并且依托加工基地的智能全光網(wǎng)及設(shè)備間的多種通訊技術(shù)，達(dá)到智能建造的目的，實現(xiàn)了包含智能套料、智能切割、智能焊接、智能預(yù)拼裝、智能焊機(jī)等一系列智能施工應(yīng)用，以及施工中視頻、環(huán)境、塔吊、基坑、大體積混凝土和人員等監(jiān)控監(jiān)測生態(tài)管理，是融合施工先進(jìn)技術(shù)的綜合型應(yīng)用。