杭州湾跨海大桥智能设计与建造体系方案
时间：2023-01-16 22:35:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
齐成龙，康银庚，王永，宋树峰，徐洪权
（1.中国铁路设计集团有限公司 土建工程设计研究院，天津 300308；
2.北京交通大学 经济管理学院，北京 100044）
改革开放40多年以来，我国已成为当之无愧的桥梁大国，但与世界桥梁强国仍存在差距，表现在基础理论及关键技术还需突破、工程软件受制于人、劳动密集型产业现状没有明显改变等方面［1］。在劳动力成本不断攀升、环保要求越来越严格、高质量发展需求强烈的背景下，桥梁建设产业亟需革新。为此，我国先后发布了实质性规划和政策，如《新一代人工智能发展规划》《“互联网+”行动计划》等。政策与需求驱动兴起新的工业革命浪潮，推动建筑业迈向由建筑信息模型（BIM）与移动互联、物联网、云计算、大数据、增强现实（AR）、虚拟现实（VR）等信息技术为支撑的智能建造［2］，也为铁路建造提供了新的思路。随着我国铁路由传统建设体系向新时期智能建造模式的探索和转变，初步确定以BIM为先导的智能建造发展方向，为智能建造带来极大的发展空间。
针对桥梁工程领域的智能设计与智能建造技术应用，业内人士进行了诸多探讨和实践。张建军等［3］以市政工程为背景，应用Autodesk Revit对桥梁外形、配筋、桥位进行3D建模并输出施工图；
张秋信等［4］在平塘特大桥设计阶段，采用BIM参数化建模技术，建立钢锚梁及锚拉板的参数化构件库，开展设计方案碰撞检测、基于VR的设计方案展示、桥塔关键工序施工动画技术交底等应用；
张迎松等［5］借助BIM、物联网、智能传感等科技手段，基于BIM管理平台集成多套智能化生产系统，成功打造深中通道项目S07合同段中山智慧梁场，实现梁场生产过程可视化、施工流程标准化、业务管理数字化、机械设备智能化、管理决策智慧化的目标；
刘晓光等［6］以钢桁梁为实施对象，分析虚拟预拼装的基本原理，设计虚拟预拼装流程，研究理论模型创建、实测点选择、测量精度和温度影响等关键要素，搭建包括精度管理和拼装管理两大模块的虚拟预拼装系统。
以上研究多从信息技术在桥梁工程领域的单一场景应用出发，对设计与建造过程中的某一方面进行应用探索，而针对复杂桥梁智能设计与智能建造的系统性方案架构分析或案例研究未见介绍。从研究广度看，BIM等前沿信息技术已应用于桥梁工程全生命周期的各个阶段，形成了以智能设计与智能建造为代表的信息化技术应用体系；
从研究深度看，在单一阶段的应用已取得一些成功案例，但鲜有串联起智能设计与智能建造并开展系统性分析的案例。信息技术在桥梁工程中的应用已进入“深水区”，各工程参与方均在探索智能设计与智能建造的系统性解决方案，以发挥智能化、信息化技术在桥梁工程领域的真正价值。
以杭州湾跨海大桥为工程背景，探索复杂环境条件下的大跨度铁路桥梁智能设计与智能建造体系方案，以期达到提高设计质量与效率、提升工程建设管理水平的目标。
通苏嘉甬铁路位于长三角城市群中心的江苏省东南部和浙江省东北部地区，是国家高速铁路网“八纵八横”主骨架——沿海铁路客运通道的组成部分，是长三角城市群铁路网的重要组成部分以及长三角城市群“一核五圈四带”城镇体系的重要纽带，设计速度350 km/h。
通苏嘉甬铁路跨越杭州湾，跨海大桥总长29.2 km，设置北航道、中航道、南航道共3座通航孔桥，跨度布置包括：北航道桥采用主跨450 m钢桁加劲混凝土梁斜拉桥，桥长932.7 m；
中航道桥采用主跨448 m钢桁结合梁斜拉桥，桥长1 430.8 m；
南航道桥采用主跨364 m钢桁结合梁斜拉桥，桥长814.5 m；
海中引桥采用80 m跨预应力混凝土连续梁。
将杭州湾跨海大桥与国内外同类工程的建设规模进行对比（见表1）。由表1可知，杭州湾跨海大桥是当今世界综合建设难度最大的跨海桥梁集群工程之一。
表1 跨海桥梁建设规模对比
鉴于杭州湾跨海大桥工程地质环境复杂、施工条件差、强潮涌地区施工效率低、工期保障性差等特点，拟采用数字化、信息化、智能化手段提升建设水平，助力工程顺利推进，为建设管理创新提供支撑。
数字化是智能化的前提条件，为了实现上述智能建造目标，需要首先应用BIM技术完成智能设计。BIM作为一种三维参数化、协同化工具，除了向智能建造阶段提供信息模型载体外，还能够提高设计质量和效率。分别从智能设计与智能建造2个角度，结合项目特点，对杭州湾跨海大桥的信息化建设方案进行研究。
2.1 技术标准编制
杭州湾跨海大桥具有结构形式复杂、施工工法特殊、各利益相关方信息化要求严格等特点，现行标准已无法有效约束并规范当前项目。因此，有必要针对性地开展复杂跨海铁路桥梁全生命周期信息化技术标准编制工作，在保证当前项目顺利开展的同时，前瞻性地为后续类似项目提供支撑。
2.2 方案比选
在方案设计阶段，综合运用BIM参数化设计功能、GIS轻量化展示、远程交付功能，开展方案比选，以实现以下目标：
（1）根据设计意图快速建模，辅助桥梁总体方案设计成果展示；
借助BIM参数化设计功能，实现直观、快速的方案研究。
（2）对于桥梁局部复杂构件、局部控制性部位，快速创建参数化BIM模型；
使用远程轻量化交付系统，提高控制性边界条件的方案研究效率。
（3）由于桥梁为跨海大桥，基础施工方式、梁体吊装方式等施工过程因素会影响桥梁方案［7］，针对重点施工工序应用BIM+GIS技术，开展满足方案精度要求的三维施工组织推演，提高施工方案设计效率。
2.3 接口设计
通过对桥梁主体结构及其电缆槽、声屏障、接触网、综合接地等站后设施开展BIM参数化接口设计，可发现并解决潜在的结构碰撞、钢筋碰撞等问题（见图1）。与常规铁路桥梁相比，大型跨海铁路桥梁与四电设施的接口增加了设备集成平台；
而受限于复杂海洋环境下的恶劣检修条件，四电设施对桥梁结构的空间需求更加严格。因此，在方案设计阶段，设计人员应用BIM技术，实现对四电设施及桥梁主体结构的综合设计，避免由于专业间接口问题造成设计变更。
图1 桥梁与站后设施BIM参数化设计
2.4 三维设计及出图算量
在施工图阶段，应用BIM技术开展桥梁钢结构建模、出图、算量，借助其参数化、系统化优势，提高桥梁设计效率和精度。由于铁路桥梁钢结构构造复杂，传统的工程数量计算方法过程烦琐、精度不足。基于高精度BIM模型，可在任意断面位置直接提取二维图纸并自动统计工程数量（见图2）。采用BIM手段开展钢结构桥梁正向设计，作为设计成果的图纸和工程量与BIM模型直接关联，当模型修改时，图纸与工程数量可自动更新。
图2 基于BIM的铁路桥梁钢结构精细化设计
2.5 复杂钢筋设计及空间校核
以设计图纸为输入信息创建BIM模型，精确还原设计成果，重点针对索塔锚固区、索梁锚固区、钢混结合部等空间复杂部位开展图纸校核，及时反馈图纸中的差错漏碰，达到优化施工图的目的。
3.1 项目建设管理平台
基于BIM+GIS技术开发项目建设管理平台（见图3），实现三维可视化的项目进度管理、安全管理、质量管理、计价管理、资料管理等功能。该平台与门禁设备、人脸识别系统、环境监测系统关联，可实现劳务管理及环境监测等功能。
图3 项目建设管理平台架构
项目建设管理平台是杭州湾跨海大桥智能建造的总入口，该平台通过其数字工地模块，链接钢结构智能建造管理平台、智慧梁场管理平台、预制装配式构件管理平台、施工装备运行监测平台、施工工艺监控监测平台，统一入口，实现数据共享。
3.2 钢结构智能建造
3.2.1 体系架构
钢结构智能建造体系架构见图4。钢结构智能建造管理平台是该系统的总入口，为BIM设计成果管理、工艺余量添加等具体业务提供了统一的数据管理和用户交互接口。
图4 钢结构智能建造体系架构
3.2.2 设计加工一体化
建立钢结构设计加工一体化BIM建模标准，开展面向加工需求的参数化BIM设计，实现施工图和加工图之间的顺畅过渡。考虑焊接收缩、加工余量等需求，基于BIM设计平台开发钢构件工艺余量添加系统，实现对板材的最优化利用，支持多零件、多母材混合套料，并采用唯一代码标识每个零件。开发焊缝信息全生命周期三维可视化管理系统，实现包括焊缝及钢构件三维集成可视化展示、焊缝信息全生命可视化集成、基于BIM自动生成焊缝地图、建立焊缝坡口数据库等功能。
对可视化数控编程与数字化管理系统软件进行BIM成果读取转化功能开发，通过自动排版及NC编制，全面承继设计意图，实现融合三维BIM模型与二维图纸的设计加工一体化。
3.2.3 智能化加工与装配
在基于逆向工程的钢构件外观检测与虚拟预拼装方面，采用激光扫描、摄影测量等逆向工程手段进行预制钢构件外观自动化检测，有效避免制造误差超出规范限值。基于“BIM+逆向工程”虚拟预拼装技术，通过拍照方式获取钢结构构件三维真实尺寸数据，与作为设计成果的理论BIM模型进行对比分析。钢构件虚拟拼装系统可自动分析螺栓孔位、拼接板件偏差，降低现场实体预拼装成本。
3.3 智慧梁场
由于杭州湾跨海大桥海中引桥区段包括多联（60+n×80+60）m先简支后连续施工连续梁，滩涂区引桥由多孔48、32 m跨径简支梁组成，因此，该项目在建造阶段面临大量的32、48、60、80 m简支梁预制工作，有必要开发、应用智慧梁场系统，以提高现场安全、质量管理水平。
智慧梁场系统由以下7部分组成：
（1）BIM协同管理平台。智慧梁场系统以BIM协同管理平台为核心，融合生产工艺流程，通过物联网、BIM、无线通信等技术将梁场的智能化设备（张拉、压浆、喷淋设备）、管理流程（制梁、存梁、架梁的进度、计划）与BIM模型结合［8］，可实现平台化、精细化管理。
（2）物料系统。由一系列硬件、软件设施组成，包括闸机、地磅设备，以及进料、仓储、出料管理功能等软件，可实现系统化的厂区物料管理。
（3）智能工艺设备。针对梁体施工过程中的重要工艺，研发智能化加工设备，包括钢筋自动化加工系统、钢筋骨架智造系统、自动液压模板、智能穿束机，以及智能化张拉、压浆、喷淋等设备。
（4）智能运架机械。包括运梁车、提梁机、龙门吊等大型机械设备，可实现以下智能化管理功能：设备空间定位；
工时统计；
能源消耗；
维保与使用记录的自动统计、查询；
与其他重要传感监测及视频监控数据集成；
具备上述监测、管理内容的日、周、月统计查询功能的进场设备电子化台账。
（5）无人值守混凝土智能拌合。集成混凝土ERP系统、搅拌站生产系统、物料管理系统、车辆管理等系统，实现混凝土生产集中控制、拌合楼无人值守。
（6）厂区监控、能源消耗监控。在厂区重要位置安装监控设备，监控设备采用AI功能相机，可自动监测现场安全帽佩戴情况，根据人脸识别生成不佩戴安全帽的信息。能源消耗监控以BIM协同管理平台作为终端，实现对厂区用电、用水设备的集成式统一管理。
（7）无纸化办公与劳务管理。与现场采用IP摄像机、配合人脸智能识别技术的自助闸机设备关联，实现劳务智能化管理功能。自动统计劳务数据，生成通道出入明细表、异常记录明细表、汇总记录表，赋予梁场管理人员图片记录查询、监管视频查看的权限，为作业人员考勤、工人工资发放提供相应依据。通过BIM协同管理平台的资料、信息管理功能，结合物料、台账管理模块，实现梁场无纸化办公。
3.4 预制装配式构件智能建造
3.4.1 预制构件进度模拟、物流追踪与量化管理
受现场条件所限，该项目需要大量采用预制装配式结构；
同时，由于大体量桥梁预制构件的海洋运输成本高昂，综合采用物联网RFID智能识别设备、5G通信技术、北斗卫星定位技术，开展预制装配式结构全过程物流追踪，以及精细化施工进度模拟与物流调配，可实现优化施工过程、降低项目成本的目标。
3.4.2 预制构件外观自动检测
《铁路混凝土工程施工质量验收标准》《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》等标准均对混凝土结构外形尺寸偏差及其检测方法提出了要求，尤其是预制装配式混凝土结构，外形尺寸偏差引起的误差积累可能导致严重的工程失误。但是，标准中提出的手工和人眼检测方法离散性大、精度不易保证，有必要采用信息化手段提高预制构件外观检测的效率和精度［9］。
对于高度大于24 m的桥墩，按照预制装配式构件进行设计；
采用摄影测量手段，结合理论BIM模型，对装配式桥墩节段进行外观自动化检测，可大幅提高桥墩节段外观质量。
3.4.3 短线预制装配式梁体虚拟预拼装
北航道桥作为主跨450 m的钢桁加劲混凝土梁斜拉桥，其混凝土主梁部分拟采用短线预制拼装工艺，而传统的短线匹配法属于劳动和时间密集型的抽样工艺。预制过程中，通过全站仪测量6个定位点的空间坐标，确定构件空间位置，这种通过局部测量还原物体真实空间位置的简化模式带来一些局部区域不匹配问题。另外，在工业化生产中，使用全站仪还存在标定点布设麻烦、测量精度和测程相关性较大等缺陷。
为了提高短线预制的效率和精度，拟采用摄影测量手段现场采集照片，并进行高效的数据处理，提取关键尺寸参数，通过ICP配准技术进行节段梁的匹配控制与预拼装。
经过近20年的发展，铁路桥梁建设基本形成以机械化、自动化、信息化、数字化为主要特征的建设格局。随着信息技术、数据技术、传感技术的快速发展，铁路桥梁工程未来的发展趋势是朝着工业化、信息化、智能化、绿色环保为特征的现代交通基础设施方向发展。随着BIM技术、物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术与铁路桥梁工程设计、施工、管养全过程的深度融合，设计手段、装备水平、施工工艺、管养方式都在发生改变，现代铁路桥梁工程呈现出智能设计、智能建造、智慧管养的全生命周期智能化新特征。
然而，我国的桥梁智能建造技术刚刚起步，技术体系尚不完整，不少工序仍然依赖人工，机械化、自动化程度不高，支撑性技术如核心算法、智能感知、数据采集等还有待攻关。下一步，还需重点布局一批类似于杭州湾跨海大桥的示范性大型桥梁项目，培育一批既懂工程技术、又具有数字化智能化思维的复合型人才，推进桥梁智能建造再上新台阶。
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