钢筋工程智能化加工应用与展望

张旭，杨斌，田野

（1.中铁九局集团有限公司，辽宁沈阳 110051；2.中国国家铁路集团有限公司工程管理中心，北京 100844）

0 引言

在钢筋混凝土工程中，钢筋是其结构的骨架成分，在整体结构中起着至关重要的作用。但在钢筋工程施工中，存在钢筋加工错误率高、原材料浪费、工期延误以及成本效益在总体工程中相对较低等问题亟待解决。将BIM 技术应用于智能钢筋加工设备中，可以优化设计、提高施工质量、增加收益。随着钢筋加工技术和BIM 技术的迅速发展和日益完善，众多专家积极开展将BIM 技术应用于钢筋工程的研究。新工艺、新设备的应用将使钢筋智能化加工有很大的发展空间，但是很多新技术与新管理模式还停留在理论研究阶段，需要进一步开展实践与应用探索。

1 智能化应用现状

在建筑工程中，钢筋加工是非常复杂且重要的工作，也是建筑工程中相对关键的工作，其质量直接影响结构工程是否安全，涉及材料管理、造价管理、施工计划管理、成本控制管理、质量管理、加工场地及内部布局选择、安全生产管理、生态环境保护管理等方面。为满足管理需求应综合运用现有的技术，如智能加工设备、BIM 技术、物联网、大数据和云计算等，去解决钢筋的数据对接、优化套下料、精细算量、工厂化生产及加工过程管控中存在的问题。钢筋工程实现智能化加工，提升产品质量和生产效率，一直是备受关注的课题，是体现工程项目现代化管理水平的重要方面之一。

1.1 智能化应用程度和加工作业流程

据相关数据调查，国内外钢筋智能化加工还没有达到机械化彻底代替人工的程度，智能加工设备也仅改变了数据录入方式、原料搬运形式，只是做到加工数据1 次输入可批量化生产1 种规格半成品的程度。目前，钢筋智能化加工主要关注数据统筹管理、生产机械化代替人工、生产数据实时回溯以及自动生成相关数据报表等，很多技术虽已实现，但真正应用于生产的很少。新建京雄城际铁路项目7 标段的钢筋智能化加工尝试较为成功，其应用BIM软件Planbar 进行钢筋数字化建模，将模型数据转换成为BVBS 加工数据文件，再将数据文件导入钢筋智能加工管理系统（MES），用以指导智能钢筋加工设备的批量生产加工。钢筋智能化加工作业流程见图1。

图1 钢筋智能化加工作业流程

1.2 加工设备

在钢筋加工设备方面，市场上智能钢筋加工设备品牌繁多，建筑相关行业应用的设备主要有钢筋弯曲设备、钢筋剪切设备、滚笼机、弯箍机等。其中比较先进的设备已经实现由计算机集中管理和控制，可将数据一次性导入计算机进行批量生产，还可将加工数据进行统计回传给计算机用以分析。

1.3 加工精度与品质

在加工精度与品质方面，智能加工设备的控制都由计算机控制，数据录入形式也是数字式录入，精度与品质取决于设备性能和人工对设备调制时参数的设置，加工设备声称可达到毫米级加工精度，但实际应用中，由于钢材本身的物理特性，在切断、弯曲时会产生误差，可控范围只能控制在5 mm甚至是10 mm。

1.4 整体外观

智能化加工的钢筋在整体外观方面，由于加工数据一次输入，加工由伺服系统控制进行同一规格的批量生产。因此，同一规格半成品外观尺寸相同，整体外观品质较好，避免了传统人工手动加工同一规格半成品间存在的尺寸差异。

1.5 生产管理

在钢筋智能化加工管理上，随着设备改进、技术日渐成熟，新的管理模式也在积极探索中。传统钢筋生产都是由技术人员进行套料，形成技术交底，交由钢筋工人手动加工。任务的获取是有纸传递，尺寸数据的管控也是由工人进行尺量加工。在智能化模式的钢筋加工中，钢筋的套料已不再由人工进行，而是将大量的加工数据输入（导入）计算机，通过套料软件进行套下料，软件核心算法的完善程度决定了材料的利用率，能够有效地提高加工效率，实现精细化管理。

在原材料及余料管理方面，为实现智能化下材料高效利用，需提高对材料管理要求。各种规格钢筋都应进行规范化整理统计，提高其统计数据准确性。加强现场对材料有序管理的同时也能提高施工效率。加强现场钢筋标识管理，钢筋加工后半成品和原材料应分类堆放整齐，挂牌标识，便于存放和识别。

2 存在的问题

2.1 设备采购成本较高

智能钢筋加工设备的加工效率相对于传统设备已有一个质的飞跃，但是其采购成本高昂。很多施工企业望而却步，即使采购也是通过相关产能计算后采购满足计划工期的一定数量的加工设备，一旦在施工过程中需要提高加工效率时受设备不足的影响较大。而传统设备虽然加工效率低，但成本低廉，在工期紧张时可通过增加机械数量和人工数量快速提高加工效率，这成为影响钢筋智能加工设备推广的主要因素。

2.2 相关软件有待完善

钢筋工程智能化加工软件在实际应用中也存在不足，主要体现在余料管理方面。套下料软件为保证钢筋的利用率，将本任务前的任务产生的余料放到后续计算中，增加了传统余料管理难度。一旦参与本次计算的余料数量与现场实际余料的数量不符，则通过套下料软件生成的方案无法按照计划实施，或者实施过程需用原料代替数据库中不准的余料，失去了节材的作用。

3 可行性分析与发展方向

3.1 可行性分析

在土木建筑行业，钢筋下料有着非常重要的经济意义，是提高施工行业产值利润，降低施工材料消耗率的一项重要工作。利用BIM技术结合套下料软件优化钢筋下料，对钢筋工程质量及成本控制起决定性作用。

3.1.1 技术可行性

在BIM 技术方面，钢筋BIM 模型的信息包括几何信息和非几何信息。其中，几何信息包括：钢筋的直径、长度、弯折角度等；非几何信息包括：钢筋等级、钢筋半成品数量、钢筋半成品应用部位等。模型包含的信息完全满足钢筋加工需要，这是BIM 能够应用于钢筋智能化加工的原因所在。

同时，BIM技术在钢筋智能化加工方面也有着区别于传统作业的优势，主要体现在应用传统图纸进行钢筋的下料时，技术人员需在实体三维空间思维与图纸二维平面思维间不断进行转换思考［1］，从而检查图纸是否存在错误。这种方式很难发现错误，而一旦应用错误的图纸进行钢筋加工，就会造成时间和资源的浪费。BIM技术具有三维可视化、信息可存储提取和协同性等优点，应用BIM 技术进行钢筋详图表达，可实现三维的平面视图、剖面视图直观可见，便于与施工设计图和结构设计图进行对照分析，还可以对复杂部位进行不同构件间的碰撞检查分析，对钢筋尺寸和钢筋的排布位置的表达更加准确，给加工工人展现更加直观，还便于核对半成品是否准确。

但是，BIM技术应用于钢筋加工也有不足之处，一是建模工作量大，钢筋模型内涵盖的大量信息都需要录入；二是文件数据量大，占用计算机内存大，软件运行速度慢，对绘图电脑配置要求高；三是软件灵活度未完全满足智能化应用需求，很多异型、不规则、渐变的钢筋模型创建存在一定的困难，即使能够创建，创建效率也较低，会大量增加工作量；四是建筑业尚未实现在设计阶段就有完善的钢筋模型体系，而是由施工单位根据设计单位出具的二维平面图纸进行翻模，大量增加了施工单位工作量。

目前，钢筋建模的主流软件有Autodesk REVIT、Planbar、Bentley ProStructures 等，每款软件都有其优势，软件的选择需视项目的具体情况确定。

3.1.2 应用效果

近年来，BIM 技术在建筑工程应用中功能不断更新、技术不断完善，给土木建筑行业带来了巨大变革。在工效上，应用BIM 钢筋模型直接指导钢筋智能加工设备进行生产，减少了人工套下料时间，并且节材效果好，不仅节约劳动力，也能节约成本、提高质量、缩短工期。在加工现场管理方面，应用BIM技术可以准确计算整体工程及分部工程的钢筋量，应用套下料软件进行钢筋工程量总量计算的结果更加准确，为现场进料管理提供了数据支持。在加工过程中，应用BIM模型检核设计图纸，能够减少错误生产和原材料浪费［2］。

3.2 发展展望

目前，我国大多数钢筋工程项目基本还是采用传统现场加工方式，原材料浪费高、加工工人劳动强度大、钢筋加工周期长、现场管理难等问题突出。未来钢筋工程的发展趋势将逐渐从人工操作向自动化生产转变，随着BIM 技术的应用，建筑施工自动化和专业化分工进程的快速发展［3］，钢筋智能化加工配送中心已成为市场发展的必然趋势。

另外，钢筋加工设备的智能化水平越来越高，数据的输入方式越来越简单和易于操作，对BIM 的接口兼容度也会越来越高，多格式的兼容降低了对BIM 软件的要求。BIM技术的发展会减少钢筋建模难度，施工单位仅需进行BIM 模型的深化设计甚至仅审核即可。随着计算机各种管理系统（MES）的应用，现场原料库存、余料库存、半成品加工数量统计等工作将更加智能、准确。

在与BIM 的结合方面，随着钢筋工程的需求变化，BIM软件也随之改进。目前，BIM软件仅部分支持钢筋智能化加工的数据导出，然后再将数据导入到加工设备中，未来BIM 软件可实现直接与智能钢筋加工设备无缝对接，在软件中建立的模型就是加工数据，无须二次导出。BIM 的三维可视化一直是其推广中的强项，后续的智能钢筋加工设备也会具有三维可视化功能，能够更好地避免加工错误发生［4］。

在加工场区管理方面，钢筋智能化加工管理中的原料、余料、废料和半成品的管理也会和现代物流技术进行结合，使现场半成品存储近乎达到零库存，按照生产进程将对应物资运输到指定的安装部位，原料和余料实现实时统计、动态更新。加工场内的操作工人将越来越少，仅需要几名管理人员通过远程操控即可完成钢筋加工生产任务［5］。

4 结束语

BIM技术的应用是建筑行业钢筋工程技术领域与管理领域的一次革命，实现了钢筋工程管理的程序化和数字化，有效实现资源的最大化利用。将智能钢筋加工设备与BIM 技术的联合应用，极大减少了人力成本投入，并解决了钢筋工程的管理困惑和质量问题。但在钢筋工程智能化加工中仍有很多问题有待解决，如BIM软件与智能钢筋加工设备的数据接口、现场物料的管理模式、设备的智能化水平、BIM 软件的建模效率等，随着技术的发展和实践的探索，这些问题必将得到逐步解决。