高速铁路混凝土箱梁智能化预制技术研究

王勇，郭星亮，杨玉华，李训

（1.中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001；2.中铁三局集团桥隧工程有限公司，四川 成都 610000）

随着科学的进步、时代的发展，智能化设备取代传统人工已成为大势所趋。目前铁路预制箱梁施工存在劳动力短缺、工效低、经济效益差等3 大问题及痛点，传统的施工模式、工艺工法及工装设备已无法满足新时代高速铁路智能建造的要求，智能梁场建设势在必行。

近年来，以互联网、物联网、BIM、无人机摄影、人工智能、大数据为代表的新兴技术不断涌现[1-3]，加快了梁场从建场到预制施工，从生产车间到施工工序、施工机械设备各个阶段、各个环节的智能化革新进度。

1 新技术应用

1.1 数字孪生梁场打造

预制梁场布置智能化设计。采用无人机倾斜摄影技术，结合GIS 技术形成高精度、具有真实空间三维坐标信息的预制梁场实景模型[4]。并通过BIM 技术参数化设计创建预制梁场制梁区、存梁区、钢筋车间、拌合站、试验室、材料库、办公生活区等各区域模型、机械设备模型及预制梁模型，实现预制梁场实体和虚拟三维模型之间的数据交互融合、迭代优化，与现实梁场形成映射。

参数化修改模型数据，实现不同场地预制梁场的智能化设计，具有仿真可视、可重复、科学合理的特点。智能梁场布置展示如图1 所示[5]。

图1 智能梁场布置展示

生产大数据互通应用。通过大数据平台，实时采集各工序及设备的生产大数据，实现了数据的互通，精准分析各工序施工质量及施工效果，准确评估生产设施设备的运转情况，加强了生产工序的关联性。

1.2 预制梁智能检测

预制梁成品外形尺寸和外观质量检测采用传统的测量仪器并配套测量工装，通过人工测量、计算和观察的方法进行，检测效率较低，检测精度和结果与检测人员的能力和素质密切相关。

采用三维激光扫描测量技术、三维影像技术、光电技术等进行成品梁外形尺寸和外观质量的智能化检测，生成3D 立体模型，智能分析预制梁外观尺寸，识别表面裂纹及缺陷，自动输出外形尺寸测量数据。目前该方法已在轨枕智能化检测中得到成功实践，为其在预制梁中的应用提供了技术支撑。

2 新工艺应用

改变传统人工操作施工工艺流程，采用自动化、智能化新技术，实现少人、无人化施工。

2.1 钢筋智能加工、运输及绑扎

采用钢筋智能施工技术，达到钢筋进出场、加工、分类、运输、吊装、绑扎全过程少人化管理和无人化施工[6]。

钢筋智能加工系统。钢筋智能加工系统包含库存管理（出入库、库存、配送）、生产管理（智能加工断料、料单二维码化、任务排产）、分析决策（原材耗费、出材率统计、产能统计）及质量管理（成品检测、质量溯源、试验记录）等4 大部分共12 项功能。

技术原理：采用研发的手持设备，快速录入进场钢筋信息，自动生成原材二维码，出场扫描二维码，自动更新库存，实现原材料出入库智能管理；采用AI智能算法，优化钢筋下料方式，智能生产钢筋智能断料方案，显著提高钢筋利用率，有效降低钢筋损耗；通过钢筋智能化管理系统，各类钢筋型号料牌通过翻样数据自动生成二维码，实现各类钢筋型号规范化、标准化标识，智能化分类。

钢筋智能运输。研发钢筋智能运输AGⅤ小车[7]，尺寸大小3 m×2 m×0.7 m，小车重5 t，设计最大承重7 t，续航8 h 以上。梁场建场时，场地道路提前预埋控制芯片，通过远程终端控制小车运输轨迹。运输小车根据预制梁绑扎工序智能运输已分类的钢筋至绑扎胎位。钢筋智能运输如图2 所示。

图2 钢筋智能运输示意图

钢筋智能安装绑扎。设计智能程序，控制6～8 处720°可移动可旋转机械臂自动抓取预制钢筋，利用红外线定位功能，安装至绑扎胎位的定位槽内，采用钢筋自动捆扎机器人，自动移动到钢筋结构的上方，通过自身携带的红外线定位功能，准确地找到钢筋交叉点，将钢筋进行智能化绑扎。依次绑扎底腹板外层钢筋、定位网、底腹板内层钢筋、底腹板辅助钢筋、顶板底层钢筋、顶板顶层钢筋等。局部空间受限，机械臂及绑扎机器人无法操作的位置，采用人工辅助绑扎。钢筋骨架智能绑扎如图3 所示。

图3 钢筋骨架智能绑扎

2.2 混凝土智能浇筑

采用拌合站至制梁台座高空输送混凝土的新工艺。通过钢管立柱、横梁及轨道搭设两条空中混凝土输送通道，输送通道上安装智能浇筑鱼雷罐，鱼雷罐装满混凝土后运输至制梁台座，对准腹板位置，鱼雷罐自动打开下放控制开关，按一定速度沿预制梁一端到另一端行走浇筑，鱼雷罐混凝土浇筑完成，自动退回拌合站，重新加料，如此循环往复，实现预制箱梁混凝土智能浇筑。

2.3 内模智能打磨、喷涂脱模剂技术

借助智能洗车原理，采用移动半封闭框架模式，内模自动进入骨架后，通过机械臂对内模进行快速打磨清理。清理过程中随着内模前进智能喷涂脱模剂，实现内模一次性智能清理及喷涂，节约了人员投入，提高施工效率及质量。内模智能打磨、喷涂脱模剂工艺如图4 所示。

图4 内模智能打磨、喷涂脱模剂工艺示意图

3 新设备研发

3.1 定位网片智能焊接

焊接定位网时需人工更换胎卡具，工作量大，效率低下，质量不可控，错误放置胎卡具造成孔道位置偏差的情况经常发生，通过定位网片焊接平台自动切换胎具技术，将多种定位网胎卡具集中于一个平台上，提前输入各种型号的定位网尺寸坐标，通过自动控制系统，选择需要焊接的定位网，系统自动控制电气系统，自动切换胎具。定位网片焊接平台自动切换胎具如图5 所示。

图5 定位网片焊接平台自动切换胎具示意图

通过定位网片焊接智能工作站，实现定位钢筋自动下料、机械臂自动布料、电磁磁力吸盘自动吸附定位、机械臂自动焊接、机械臂自动码垛，实现定位网焊接全自动化[8]。焊接网片尺寸偏差控制在小于等于1 mm，焊接质量较人工焊接有较大提升，且无烧伤钢筋现象。定位网片智能焊接工作站如图6 所示。

图6 定位网片智能焊接工作站

3.2 梁面智能激光整平机

针对无砟轨道对梁面平整度要求高，适用桥面系装配式的新型桥面要求，研制了一种梁面智能激光整平机，提高桥面混凝土整体质量。通过不断调整激光接收位移传感器和激光扫平仪，将混凝土灰面情况反馈给计算机，计算机根据反馈数据结合预留反拱计算出升降机的升降数据，从而控制梁面平整度。梁面智能激光整平机如图7 所示。

图7 梁面智能激光整平机

4 智能管控系统

4.1 基于物联网应用的梁场生产管理系统

梁场生产管理系统涵盖物资管理、设备管理、生产全过程管理、进度管理、安全质量管理于一体，并采用手机APP 客户端软件，实现梁场信息化管理现场与线上的统一，充分利用数据集成和数据共享功能，自动生成检验记录、报告、检验批和制造技术证明书等，实现梁场生产管理的智能化管理，提升预制梁场的管理水平[9]。梁场生产管理系统如图8 所示。

图8 梁场生产管理系统

进度管理：基于强大的数据采集、统计及分析功能，及时发现和纠正影响进度的环节和因素，确保月制梁计划的实现。

工序管理：包含终端数据的快速录入、各工序跟踪和质量安全检验管理系统、梁体工序管理信息动态二维码。

安全质量管理：实时监控现场作业情况、应用特种设备和特殊作业人员查询系统和上岗状态查询系统、配备智能安全帽实现智能化管人。

物料动态管理：具有实时对粗骨料、细骨料、钢筋等主要原材料进行动态管理，对理论数量和实际用量智能化统计、分析及预警功能。

数据集成管理：具有进度、工序、安全、物料等数据集成管理功能，实现关键数据自动采集、统计、分析及预警功能，且能够共享数据资源。

4.2 信息技术应用

信息化智控平台：集梁场全场视频监控、运梁实时监测、梁场生产管理系统运行及BIM 技术综合运用于一体。信息化智控平台如图9 所示。

图9 信息化智控平台

设备物联网信息系统：应用大数据技术平台、机电装备在线监测、生产设备实时跟踪管理和节能降耗[9]。机械设备运行状况监测如图10 所示。

图10 机械设备运行状况监测

环境监测及太阳能照明系统：通过空气质量监测设备，实时掌握工地扬尘等情况，接入监测平台。梁场照明采用太阳能照明系统，并配套相应电池组进行蓄电，在照明终端增加无线感知控制器，实现了智能管控[9]。空气质量监测及太阳能照明系统如图11 所示。

图11 空气质量监测及太阳能照明系统

5 结束语

本文通过以智能化、高效率、降成本为目标，以新技术、新工艺应用，智能化设备研发、管理方式创新为手段，探索出铁路常用跨度梁智能预制生产技术，提升了高速铁路混凝土箱梁智能化预制水平，为逐步打造现代化智能梁场提供技术及实践支撑。其中重点研究内容包括数字孪生梁场、梁体混凝土智能化施工、钢筋及预应力智能施工，成品智能检测、智能管理信息化平台等智能化技术，有效解决传统施工效率慢、劳动强度高及施工过程中出现的质量弊端，有效保证了工程质量，提供了工效，减少了对环境的影响，创造了良好的经济效益、社会效益。