大直径盾构隧道管片智能化生产应用研究

徐昕，田雨，张晓行

（1.东南大学土木工程学院，南京 211189；2.中铁十四局集团房桥有限公司，北京 102400；3.上海鲁班工程顾问有限公司，上海 200433）

1 引言

近年来，智能建造技术越来越多地应用到城市建设中，信息化和智能化是未来工程建设发展的必然方向。而对于大直径盾构隧道项目管片生产而言，智能化的发展长期以来属于较为初级的状态，存在业务系统分散、产品力较弱、信息真实度低、过程不可追溯等问题[1]。BIM技术、智能装备等生产方式可为盾构管片生产管理带来极大的改善，形成一套可视化、信息化、智能化的生产管理体系。

BIM技术在隧道工程领域应用已有10余年，最早可追溯到2008年，同济大学的郑路[2]对盾构隧道进行数字化建模并进行数据组织及管理的理论研究。如今，参数化建模、基于BIM的协同管理平台、隧道智能化监测等技术已被较为广泛地应用。而智能装备、智能生产的应用亦逐步开展。本文依托某大型盾构隧道项目，聚焦于管片自动化、智能化生产及管理进行论述及分析，旨在研究智能建造在盾构隧道项目中的应用。

2 生产区集约化

管片厂规模根据盾构掘进高峰期月平均强度确定，拌和站、厂房、生产线、操作室、起重设备、养护窑等区域均采用BIM建模一体化设计，重点关注3个方面的要求：（1）空间优化，安全、节地、环保。每个小区域在设计时，采用参数化的方式限定最小尺寸比例，在整个厂区规划时，先以最小尺寸比例排布方案，然后根据空间余量适当调整。（2）设备、人员、物料都有独立的通道，以利于生产节奏的掌控。利用BIM进行设计时，可模拟分析通道使用的可行性，如通道尺寸是否足以通过厂区较大的设备，物料通道的路径是否最优，各工序之间的通道长度是否合理等，保证建成后的使用效率最优化。（3）设备设施的尺寸、位置精确排列，不浪费任何空间和土地。利用BIM模型的精确性，可实现1∶1的模拟，精确定位设备。

3 生产线自动化

3.1 钢筋智能加工

采用钢筋智能化生产技术，可以使钢筋加工、运输、吊装、绑扎、焊接过程中做到少人化、无人化。钢筋进场后采用手持设备录入信息并生成对应的二维码，在入库、出库时作为身份信息进行管理，并建立钢筋材料电子化台账进行统一管理。钢筋检验合格后，通过智能调直机、智能切断机进行调直、切断，随后经钢筋弯曲机、弯箍机加工制成半成品。

3.2 模具3D智能测量技术

模具3D智能测量采用一种三维结构光扫描技术，即利用结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。测量时，通过光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图像，然后对图像进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理解算出两个照相机公共视区内像素点的三维坐标。采用3D成像技术完成生产线模具的精度测量，测量精度可达0.05 mm。

3.3 机械臂抹面技术

管片外弧面自动抹平设备主要由桁架、双轴机械臂、智能控制系统、PLC控制系统等组成。该设备可在5 min之内完成单块5.4 m×2 m管片外弧面的抹面工作，至少替代4个操作工。（1）平整度方面：依靠机器人行走轨迹程序，在仿真环境中通过虚拟示教操作运动。通过导入CAD文件自动生成空间平面内轨迹；导入G代码自动生成空间刀路轨迹；根据轨迹点位置姿态数据自动计算机器人运动程序数据，进行后置处理。（2）光滑度方面：主要为钢抹刀、钢抹叉、钢抹盘、特氟龙抹盘等抹盘材料的研发。（3）效率方面：由控制程序运行速度、抹盘转速和机械臂运行速率决定。

3.4 全自动温控系统

管片蒸汽养护方式有连续窑和独立窑的方式，均可以实现养护自动控制。在管片养护区内埋设温度和湿度传感器，建立统一管理系统。蒸汽阀门分区控量独立设计，开关选用温控电磁阀开关，控制器上设定温度上下限，电磁阀开关将自动调节蒸汽的进气量。另外，管片在进入降温区时，由于自身水化热开始增高，一般降温难度大，可以采用几组恒温恒湿养护控制箱进行降温，达到降温目的。

4 管理模式信息化

4.1 BI M技术应用

4.1.1 管片精细化建模

通用楔形环的管片，精度要求0.4 mm，采用二维设计软件误差较大。相对于传统二维设计方法，3D建模最大的优点在于其可视化的效果，能够直观地展示设计者的设计意图，如图1所示。通过虚拟装配，还可以提前发现错误，避免了设计上的失误。

图1 管片模具模型

4.1.2 钢筋碰撞分析

管片安装的高精度特点，需求对管片的模具、管片结构、钢筋进行精细的分析，主要体现在校核设计、碰撞模拟等方面。通过BIM三维建模，建立管片结构模型和钢筋模型，进行空间对比，提出图纸会审合理化建议、并相应调整施工方法，从而快速地找出钢筋施工尺寸，严格照图施工。

4.1.3 工艺模拟

基于管片结构模型、钢筋模型，结合管片预制加工方案、施工工艺要求，对钢筋焊接、预埋件安装、模板拧紧顺序及要求等进行工艺模拟，制作施工方案动画，以可视化的形式进行技术交底，固化工作流程，指导工人生产。

4.2 智慧管理平台

4.2.1 平台概述

管片生产智慧管理平台的主要功能目标是实现工序自动化、库存动态化、信息可视化。该平台主要采用了4项新技术：（1）采用自动采集及数据管控技术，打通工厂信息孤岛，实现人-机-物信息互联互通；（2）基于后台数据库进行统一集中管理，实现了整体生产流程自动化管控，使生产管理集约化，同时提高了生产管理效率；（3）与物联网等先进技术结合，打通了生产、运输、拼装等环节信息壁垒，实现了动态库存管理和管片拼装定位追踪；（4）研制了性能先进、操作简单的手持PDA移动作业设备，实现生产全过程的可视化动态管理。

4.2.2 系统架构

系统架构分为4个层级，如图2所示。

图2 管片生产智慧管理平台系统架构

1）数据采集来源层：从拌和站、地磅、转闸、流水线等设备获取设备数据，并从管理人员移动端获取骨架、成品、质检、库存、物流等生产数据。

2）数据处理层：对数据进行清洗、规整工作，包括数据的去重排查、丢失校验，初步清洗后进行数据的标准化加工。

3）数据存储层：双重存储，即云端的数据库和本地的数据库，定期留存历史版本，以防服务器遭遇未知风险而丢失数据。最后存入面向终端使用者的MES服务器。

4）数据应用层：经过标准化加工的数据会带有各类业务子系统的标签，通过系统内置的数据分析流程，将成果流转到车间管理、生产中控中心、人员动态管理、流水线动态管理、温湿度监控管理等应用场景。

4.2.3 应用模式

信息化平台实现了技术的数字化管理，将图纸、工艺细则、制度、技术交底、计划指令等进行在线管理和可视化展示，使技术实时积累、更新，并使生产指令可实时发布。此外，还将各质检岗位的质量信息、人员信息、时间信息等形成了完整数据链，通过RFID芯片、二维码、NFC功能进行信息调用、更新及存储[3]。

智能化生产管理平台的管理模式是数据通过自动分析和归类，主要包含人员管理、技术管理、生产计划管理、质量管理、工程管理、安全管理、物料管理等，形成各类管理信息平台看板信息，以便于管理人员随时掌握现场的生产信息，并随时发布生产指令。

在信息互通和展示方面，智能化生产管理平台通过控制中心展示大屏，和工序关键位置展示屏，随时更新生产工艺动态，为施工生产提供及时的生产信息，保证生产的正常进行。

在实现管片质量追溯的功能时，可采用RFID芯片、二维码等技术手段。管片生产从原材料进场、钢筋加工、灌注前检验、成品中实现了信息互通和流程控制，最终的生产信息反映到管片芯片上，可以由手机随时查阅管片生产信息。

5 结语

管片生产创新的方法：（1）依靠智能化工业设备实现生产操作，减少人为因素；（2）是依靠智能控制系统程序实现工业设备的控制和管理；（3）依靠智能信息控制程序实现生产工艺流程的管理、信息反馈、质量追溯。

未来的智能化生产阶段会采用人工智能控制生产线，它是通过机器学习形成各工序的专用人工智能精确管理每一个工艺工序，并利用全局人工智能协调各个工序模块、总体控制与管理。企业应当提前进行智能化布局，开展人工智能、智能建造等相关业务的研发。