毕玉 张明闪 吴昊柱 边鸣 罗东超 刘天成

广东省公路建设有限公司 黄茅海跨海通道管理中心 中交第二公路工程局有限公司 中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司

摘 要：钢筋作为桥梁混凝土节段梁生产过程中的主要材料，其制造方法的改进是提高桥梁建设质量的重要途径。传统基建行业钢筋加工方法自动化程度低，不仅造成材料浪费，且影响桥梁建设进度和质量。新技术和新设备的发展为钢筋制造提供了新的方法。基于BIM技术和智能装备的视角，针对传统加工方法的不足，采用“软件+硬件”相结合的思路，系统地研究了钢筋智能制造的成套解决方案。即以BIM技术为基础，建立钢筋模型并进行可视化模拟，同时基于整数规划算法开展套料优化，进而建立钢筋模型智能建造的数据源；以智能设备作为智能建造数据源的“执行者”,直接读取数据源的下料单，实现钢筋的智能建造。以桥梁混凝土节段梁的钢筋制造为例，验证本文方法的可行性和有效性。结果表明，BIM技术和智能装备相结合的钢筋智能制造方法使得材料的余料率最低，降低了制造成本；同时实现了钢筋半成品和网片的智能化加工，提高了钢筋加工的进度和质量，增强了桥梁的防震减灾能力，真正实现了软件与硬件结合的钢筋智能制造。智能制造技术高效率、低成本、高质量地完成钢筋制造，推动整体基建行业智能制造技术的发展。

关键词：桥梁工程;节段梁;钢筋;BIM;套料优化;智能制造;

随着我国交通基础设施建设由交通大国向交通强国的迈进，高质量快速建造成为桥梁建设的研究重点。预制装配化是高质量快速建造和防震减灾的主要路径之一，预制梁厂作为公路工程预制装配式的标志有以下特点：生产区域固定、工作流程固定、工厂化程度高及信息化的要求高。通过调研发现，国内65%以上的公路工程项目均设有预制厂，以此提高工程的建设进度和质量。

预制梁厂涉及到钢筋工程、模板工程、混凝土工程、预应力工程等，其中钢筋工程在整个梁段的生产过程中起着举足轻重的作用。传统的钢筋工程主要依靠工人手工计算下料长度、绑扎、安装等，存在管理粗放、利用率低、制造加工过程智能化程度低的特点[1,2,3],桥梁钢筋工程的质量得不到保障。

对此，张迎松等研究了预制梁厂生产系统，以实现对预制梁厂的精细化管理[4];夏小刚在预制T梁的智能制造生产线关键技术方面做了研究[5];姜晓博等开展了房建工程钢筋数控集中加工方面的研究[6];胡勇等对京张铁路钢筋翻样、钢筋套裁方法及数控加工做了研究[7];余芳强等对钢筋深化设计和生产信息管理做了研究[8];张爱民等对大节段变截面墩身钢筋部品化关键技术做了研究[9]。上述学者从不同的行业、不同的角度进行了钢筋智能制造的研究，具有一定的参考意义，但缺乏“软件+硬件”系统性的研究思路和梳理成套解决方案。

本文依托黄茅海跨海通道混凝土预制标梁段建造，通过BIM、物联网、云计算等技术，从 BIM钢筋插件研发、套料优化、钢筋的半成品和部品化智能加工等方面进行研究，建立从钢筋理念模型到工程实体的新型生产工艺工法，以实现混凝土节段梁预制厂钢筋工程的智能制造，保证钢筋工程质量。

1 钢筋数字化制造方法

桥梁建设经历了人力建造阶段、机械建造阶段，现在正在步入智能制造阶段。相比于传统制造而言，智能制造更多体现在多因素识别分析、多目标优化决策和多任务协同控制，解决多环节、多源头数据的智能化感知、传递、管理、学习和控制的关键问题。

钢筋是桥梁建造的重要组成部分，钢筋智能制造的基本构成在于智能制造数据源的管控和智能加工两个核心要素[10,11,12]。

智能制造数据的管控是“解决多环节、多源头数据的智能化感知、传递、管理、学习”的具体体现，旨在通过钢筋建模插件的研发，快速高效建立钢筋初步模型；再利用BIM三维可视化的特点，通过“初步和广义的校核模拟”多级同步的研究方法，提前发现存在的设计施工问题，得到正确的制造模型；并利用整数规划算法、分组函数进行套料优化，使得钢筋的余料率最低并生成用于生产的下料单。

数字化加工是“解决多环节、多源头数据的智能化感知、传递、管理、学习和控制”中的控制问题。智能制造数据源作为控制的“中枢”,利用钢筋智能剪切弯曲设备，实现钢筋半成品的加工；钢筋半成品加工完成后，提出钢筋网片加工方案并进行论证；论证通过后，通过钢筋网片机进行钢筋部品化的生产，实现钢筋的智能化加工，如图1所示。

图1 钢筋“数据源管控+智能加工”智能制造方法 下载原图

2 钢筋智能制造数据源管控

钢筋工程在节段梁生产的过程起着举足轻重的作用。若要实现钢筋工程的智能制造，需通过BIM技术快速地建立钢筋模型[13,14,15]13-15],并通过有效的BIM模型应用[21]21]对智能制造数据源进行有效管控。

2.1钢筋建模插件的研发

现有的主流的建模软件有***utodesk系列、Benteley系列、Trimble系列、Dassault系列等，均可以进行钢筋模型的建立。但是由于钢筋数量巨大、传统建模软件操作繁琐，需重复进行操作，钢筋建模的性价比低。

本文依托黄茅海跨海通道预制节段梁开展钢筋建模插件[7]的研发。通过对既有建模软件对比分析及节段梁结构特点分析，选用***utodesk Inventor 2018作为建模的基础软件，基于此进行钢筋建模插件的研发。即在Windows环境下，利用Inventor SDK的开发包对繁琐的钢筋建模过程进行封装，仅需要输入设定好的参数，便可快捷地生成钢筋模型，大大提高建模的效率，如图2所示。

图2 钢筋三维精确模型参数化设计模块流程 下载原图

具体研发的封装插件如图3所示。

图3 钢筋三维精确模型参数化设计模块界面 下载原图

通过建模插件的研发，从根本上解决钢筋建模效率问题，提高钢筋建模的性价比，为后续的钢筋智能制造打下坚实基础。

2.2钢筋BIM模型设计优化

钢筋BIM模型建立完成之后，通过钢筋模拟校核得到用于实际生产的正确BIM模型。首先，利用专业的BIM软件Navisworks进行钢筋的初步碰撞检查，筛选可能存在的钢筋碰撞，如图4所示；初步筛选完成之后，进行“广义碰撞检查”并进行钢筋的调整。广义碰撞检查依据如下原则进行。

(1)保证钢筋保护层厚度满足规范要求。

(2)原则上要按图施工；若钢筋确需调整，在征得设计单位同意的情况下，调整优先级的顺序为：箍筋避让受力主筋，主筋避让预应力。

(3)满足《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 3650-2020)的相关要求，保证钢筋施工质量和安全。

(4)充分考虑现场的施工便捷性，方便现场施工。

图4 钢筋BIM模型 下载原图

3 钢筋数字化加工技术

3.1钢筋套料优化算法研究

节段梁施工现场购进的钢筋原材均为长度为12 m和9 m的线材或棒材，但实际节段梁的钢筋可能是4.5 m、6.7 m或16 m等无规律的长度。如何利用最少的原材，在满足要求的基础上使材料的余料率最低，是值得深入研究的问题[15],也是成本管控的关键。

BIM模型建立完成之后，研发BIM接口，识别钢筋模型信息，考虑钢筋的切割损失、弯曲补偿及搭接等，进行长度修正。以余料长度为分析指标，计算出加工单组合下料的最优方式，再结合实际情况进行局部微调，最终实现钢筋的套料优化，如图5所示。

图5 钢筋套料优化技术路线 下载原图

上述套料优化的关键是套料优化插件的研发。该插件主要通过“整数规划算法、分组函数”的[16,17]思想求解最优解，得到最低的余料率，如图6所示。

图6 钢筋套料优化软件 下载原图

通过对国内大型施工企业调研发现，在不进行套料的情况下，钢筋的废料率为1.5%～2%。

取试验段进行试验计算，以直径16 mm的钢筋为例进行套料优化，结果见表1。

表1 钢筋套料优化结果 导出到EXCEL

从表1中计算结果可以看出，直径16 mm的钢筋建议用12 m的原材进行下料，余料率最低；9 m和12 m的混合下料余料率也很低，但是考虑现场原材料的存储和二次搬运成本较大，不建议采用。除了直径10 mm及以下直径的盘圆钢筋外，均进行套料优化。套料优化完成之后，可生成下料单，如图7所示。

图7 钢筋套料优化结果 下载原图

3.2钢筋半成品加工技术

为提高钢筋半成品的加工效率，依据钢筋半成品制造方案，购进钢筋的智能剪切弯曲设备。

钢筋的智能剪切弯曲设备可通过设备自带的扫码器实现套料优化单的自动读取，并依据此料单进行钢筋半成品的加工，如图8所示。

图8 钢筋半成品加工 下载原图

相比于传统人工加工半成品，自动化机械加工可以保证钢筋半成品的质量，提高生产效率。

3.3钢筋网片成型技术

钢筋半成品加工完成后，为了提高节段梁整体预制装配化水平，开展钢筋网片成型的部品化研究。

选取特定节段梁，设计单位、施工单位及设备厂商等进行网片方案[18,19,20]的论证，主要考核指标为抗震及受力性能、连接方式、施工可操作性。经过多方讨论，选定节段梁顶板进行钢筋网片制作和部品化安装。

通过网片成型机将钢筋半成品自动焊接或绑扎成网片，然后将网片放置在胎架上进行组装，大大提高钢筋绑扎的效率，如图9所示。

图9 钢筋网片加工技术 下载原图

4 结语

依托黄茅海跨海通道预制节段梁，通过开展钢筋智能制造的研究，得出以下主要结论。

(1)通过BIM技术对钢筋智能制造数据源进行管控，效果显著，可实现项目的可预测与可控制。

(2)基于整数规划算法套料优化软件的研发，可实现最优套料，降低废料率，节约成本。

(3)正确的钢筋智能制造数据源可通过钢筋智能工装设备的使用，实现钢筋的标准化、工业化和智能化的高质量建造。

本文所介绍的钢筋智能化制造成套解决方案可推广至同类型项目中应用，经济社会效益显著。在交通强国和数字化转型的大背景下，智能制造是发展的必然趋势。

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