集中预制箱梁智能数控装配线施工工法

曹 妍，王芮文，2，谢国春，曹科旦，游栩之，欧定福，2

(1.江苏省交通技师学院，江苏 镇江 212028；2.江苏森淼工程质量检测有限公司，江苏 镇江 212028；3.扬州华建交通工程咨询监理有限公司，江苏 扬州 225009；4.无锡交通建设工程集团有限公司，江苏 无锡 214000)

1 集中预制箱梁智能数控装配线工法简介

1.1 集中预制箱梁智能数控装配线工法拟解决的问题

长期以来，我国交通公路工程在桥梁预制施工中，普通存在分散预制、三场建设标准化不完善[1]、工程管理创新不足[2]、质量通病治理活动效果不明显等问题。该技术是基于传统预制梁中经常出现的质量与管理薄弱环节而研制的智能化解决方案。

信息技术应用。传统工艺存在诸多隐患，如，钢筋骨架制作采用人工方法实现，效率低，加工安装精度差；预制箱梁台座使用固定底模，周转效率低，无法实现规模化高效率施工；由于模板加工尺寸偏差、人工安装精度不高而使内外侧模板产生错台、拼缝过大甚至漏浆、芯模拆除困难；在特殊季节箱梁养生环节控制不佳，出现混凝土早期裂缝甚至影响耐久性；负弯矩张拉力不足，负弯矩孔道压浆质量控制难度大。

本技术利用信息技术、自动化控制技术和智能技术，实现钢筋加工智能化建模下料、精准加工、大刚度组合式胎具骨架整体安装，移动台座、液压侧模、远程红外智能控制，抽屉式机械芯模自动化安拆，附着式振捣器振捣时间自动控制，喷淋喷雾式养生大棚养生条件智能切换，移动式智能张拉台车智能数控张拉、智能压浆等。

智能装配线技术应用。本技术采用的智能装配线，形成了工作地点不变，工序在各地点流动的功效平衡，保证了标准化、规范化施工，提高了工作效率。实现了新设备，新技术，新理念，新效果，新感受。

将设备、工具控制的自动化控制应用于预制箱梁智能数控装配线上。在钢筋加工区，采用了智能钢筋加工设备，通过钢筋数据录入、建模、输出与加工等过程，输出料表，精准控制，实现了钢筋加工过程的可追溯性和提高钢筋加工的自动化程度；在预制箱梁生成区，采用液压模板和移动台座技术，并通过智能化控制系统进行模板安装和拆除、附着振捣，保证预制箱梁施工质量内实外秀；预制箱梁智能化养生根据环境条件调整养生工艺，保证养生质量；在智能张拉和压浆区，利用智能张拉设备和压浆设备，精准地控制张拉力和伸长量，减小伸长量、张拉力的偏差，保证压浆压力和保压时间，做到压浆密实。

新一代改进型钢筋智能加工设备。在之前的钢筋加工时，人工控制加工精度，误差较大。新设备采用BIM自动化技术对钢筋骨架进行自动分析判断，精度高、可追溯性强。设备还可以对边角料进行分类选择，并可以判断是否可再利用。精准、高效、简洁、自动化、绿色环保等。该设备采用国内领先的操作控制系统，专业化的多界面触控操作系统，使操作更加方便、快捷，通过设置产品尺寸和角度自动生成图形，具备超强存储能力，方便加工随时调用。无论是加工箍筋还是加工超长的板筋或双钩筋，该设备都可以正反二个方向弯曲，可满足加工多种异形箍筋的生产需求。

组装式钢筋骨架胎具。使用高强度微变形钢材制作而成的钢筋骨架胎具，钢筋骨架加工精度显著提高，保证钢筋安装精度控制在2 mm以内。

移动式箱梁底模台座，电气化控制系统。轨道式移动台座，在箱梁浇筑完成后可以立即转移至养生大棚，保证了混凝土养生时间，并提高了底模周转效率。移动式台座顶面箱梁底模采用不锈钢材质制成，平整光洁无接缝，保证了混凝土外观质量。

液压腹翼板模板抽屉式内芯[4]。应用智能液压侧模和抽屉式机械芯模可以精准地进行模板定位，减小模板拼缝不严而带来的漏浆、错台、平整度差的质量通病，抽屉式机械芯模还可以有效避免拆除时对混凝土内腔的破坏。

智能型养生大棚。可以实现对外界环境条件的自动判断，及时对棚内温湿度进行判定调整，养生质量得以提升。

钢绞线张拉与孔道压浆新技术[5]。新一代智能张拉和压浆设备可以在保证张拉力和循环压浆质量的同时，进行张拉、压浆数据的分析，积累经验，提升质量。

建设项目集中预制。传统施工分标段预制，成本投入大，工期不能保证，采用了建设项目集中预制，将小规模零星生产改为大规模标准化集中预制，提高了效率，保证了工期，确保了安全生产。

先进的管理应用技术。采用了智能装配线平衡管理技术，科学地组织施工，实现了完全的质量、安全、成本和工期的统一。体现了前瞻性的工程管理思维和管理理念[6]。装配线平衡技术是世界上最先进的流水施工管理方法，它是对整个流水线上的各道工序进行调整，使各工序的工作时间实现最佳组合，消除工序之间的不平衡以及效率损失。

1.2 关键工艺技术

针对传统施工工艺在箱梁预制中的缺点，集中预制箱梁智能数控装配线设计的技术模块有钢筋智能加工模块、智能数控移动台座、液压模板模块、抽屉式机械芯模模块、智能养生模块、智能张拉与压浆模块，并以此来控制箱梁施工各环节质量。

基于传统施工中钢筋加工尺寸偏差大的问题，使用新一代钢筋智能加工设备，通过输入钢筋设计参数，自动计算钢筋下料尺寸，输出列表，实现钢筋加工尺寸精准控制；针对传统施工钢筋安装尺寸偏差大，导致保护层厚度控制不均，采用组合式骨架胎具，胎具由高刚度钢材制成，变形小，胎具尺寸精确，保证了施工质量。

针对传统工艺中预制台座固定，周转效率不高的问题，设计了移动台座，一方面提高了周转效率，另一方面通过远红外遥控设计实现了远程操控，更利用安全生产。移动台座上铺设不锈钢板底模，平整度好，刚度大，不变形，焊接接缝平顺，对预制梁外观质量提升起到了极大作用。

针对预制梁模板接缝漏浆、错台、不平整的问题，设计了液压式可远程控制侧模以及抽屉式机械芯模，液压式侧模和抽屉式侧模加工精度高，拼缝小，无错台，平整度好，刚度大，周转次数高。使用远程红外控制系统，保证安全操作。自控式附着式振捣器提升了振捣质量。

针对特殊季节养生问题，设计了可自动控制的养生大棚，根据环境温度和湿度调整棚内养护条件，保证养生质量，减少裂缝出现。

新一代智能张拉和压浆系统利用原有设备，加入了数据采集分析体系，将张拉压浆数据传入电脑后可以进行数据分析，找出持续改进点，提高质量控制水平。

1.3 关键管理技术

集中预制是本工法另一特点，通过集中预制可以有效配置资源，缩短工期、减少浪费并提升质量。

在规模化、标准化程度较高的集中预制场，可以采用先进的管理技术进行工期和资源的优化。如采用固定节拍网络计划技术优化工期，合理组织资源，利用装配线平衡技术分配工作单元，组织最合理的技术和人力，提高效率。

2 工法的操作要点

2.1 装配线设计

装配线设计是确保工程按期完成的关键，其内容包括装配线数量确定和装配线平衡与效率的计算。在装配线设计之前应先确定预制箱梁的施工流程，然后对箱梁制作工艺流程进行简化，组合合并流程中工序作业时间短的相邻工序。对工艺流程简化后重新绘制流程图。

图1 简化后的工序衔接图

对图1中的流程各环节消耗的时间进行分析，指出工序的瓶颈时间。对预制箱梁各操作工序的流程图分析可以看出，预制箱梁的工作瓶颈时间(即最影响生产效率的工作时间)为箱梁养生时间。对养生工序瓶颈，可以通过增加养生中心区域恒温养生大棚的箱梁容量相对减少养生时间。

根据工程总体进度计划，分解到每个月生产的箱梁数量，使用装配线平衡技术计算所需的装配线数量，并计算装配线效率。具体方法为：

(1)确定第1条预制箱梁智能数控装配线施工的节拍CT大小。可按式(1)进行。

(1)

式中:OT表示计划工作的时间段内的工作时间，比如1个月中的有效工作日，1 d 中的有效工作时等；Q表示在计划工作时间段内，预制箱梁的施工生产数量[7]。

(2)确定完成预设箱梁产量的情况下，最少投入的装配流水线数量Nmin。必须要投入的装配线最少数量按式(2)计算。

(2)

式中:∑t为完成一片箱梁所用的时间。

(3)按图2中流程图顺序给智能装配线分配工序任务，按图2由左向右进行。

(4)分配工序任务应明确该工序是否够资格参与进入至装配线，其标准为：①该工序跟我的所有的前道工序均得以分配。②所要分配的工序任务在通常情况下的持续施工时间必须要小于整个装配式流水线上所有工作的被分配后的剩余时间。③若不满足分配要求，则将该工序任务安排到下一条装配线。

(5)每当一个作业分配以后，计算出该装配线的剩余时间，剩余时间等于节拍减去装配线上总的作业时间。

(6)如果两个工序情况都一样时，可以采用下列方法之一解决。

a分配时间最长的工序；b选择工序任务的后续工作数量最多的予以分配，若数量一样，则任意选择。

(7)继续下去直到所有作业都已经分配到各个装配线。

(8)计算装配线效率指标。

2.2 钢筋智能加工与胎具法钢筋骨架的拼装

智能加工钢筋，胎具法拼装骨架，整体吊装入模。

2.3 远程红外控制移动台座和液压侧模安装

预制箱梁移动式底模和液压式侧面就位安装。

2.4 钢筋骨架吊装与抽屉式芯模的安装

骨架制作后整体吊装，且采取放弯曲措施[8]。骨架提升或横移时，两台龙门吊保持同步，不得出现较大的错位偏差。为提高钢筋骨架的整体刚度，除在预应力管道处设置加密定位网外，在腹板处设置加强筋，并与主筋焊接。

在固定的场地对抽屉式机械内芯进行组合紧固，然后采用吊装设备整体移运。安装时拉动铰接拉杆将钢芯模完全展开，并用端头压板固定，两节内芯模采用螺栓连接，固定后在模板接缝处贴双面胶进行找平。

2.5 顶板钢筋骨架吊装

顶板钢筋骨架同底、腹板钢筋一致，采用胎架绑扎，整体吊装。

2.6 混凝土浇筑

混凝土浇筑应连续进行，并做好振捣工作。

2.7 脱模与养生

拆除模板的顺序按照模板安装顺序的逆向进行，先拆除顶板负弯矩钢模板，再拆除芯模及端头模，最后通过液压机构拆除侧模。

侧模拆除后由移动台座将预制箱梁运输至养护棚内，对箱梁顶板及腹板进行喷淋洒水养护，同时在箱内蓄水养生，湿养7 d。

2.8 智能张拉与压浆

采用智能化张拉和压浆设备进行张拉压浆，保证张拉力和伸长量满足规范要求，确保孔道压浆密实度。

3 应用案例

3.1 平广高速公路桥梁集中预制简介

沪陕高速公路平潮至广陵段扩建工程起自平潮北枢纽互通式立交西侧，经南通市通州区、如皋市、泰州市、靖江市、泰兴市，止于既有广陵枢纽互通式立交东侧，接已扩建的沪陕高速公路广陵至江都段。全线采用双向八车道高速公路标准扩建，设计速度120 km/h，路基宽度42.0 m。新建桥涵设计汽车荷载等级采用公路一级，利用既有桥涵沿用原荷载标准。

全线桥梁采用集中预制的方法，共需预制箱梁1 645片。

3.2 装配线平衡技术确定场地

平广高速公路预制场地占地面积170亩，按常规的场地规划经验和工作量情况，箱梁预制各工序所在的工作地分散布设，作业区分成钢筋加工区、混凝土浇筑区和养生区三个，并且，各区域之间距离较远，不方便作业，物料通过平车移运。混凝土浇筑区内共有三套底模，固定不动，作业空间狭小。养生区无规整的场地，张拉压浆作业不方便。由于底模数量少，在计划工期内完工存在较大困难。

通过合理布局，采用智能数控流水线工艺，并用4.1的方法对场地进行布局规划，这些问题得以解决。

(1)使用以产品为原则的装配线平衡运营系统设计，将原预制箱梁各工序设计成流水线工序，采用4.1的方法计算工作地数量。经计算，在保证工期前提下，每个月生产的箱梁应达到90片。此时，最少投入的流水线应达到8条，底侧模需达到12套；工作区需达到4个，即钢筋加工安装、箱梁制作区、养生区、张拉压浆区，且，养生区为瓶颈区，对养生区的智能养生棚扩充，应能容纳8片梁同时养生；各工作区之间采用运输轨道连接，物料的传递使用龙门吊通过轨道水平运输。

(2)为各工作区分配工作任务，并计算任务分配后各工作区的空闲时间，然后计算各装配线闲置时间百分比(见式3)，并按式(4)计算装配线的功效。

闲置时间百分比=每节拍内的闲置时间/(装配线数量×节拍)×100%

(3)

装配线效率=100%-闲置时间百分比

(4)

平广高速公路集中预制场装配线平衡后，装配线数量为8，节拍为3 d，每节拍内闲置时间为3.386 d，闲置时间百分比为14.1%，装配线效率为85.9%，比采用常规预制方法的场地利用率提高了33.3%。表明，装配线利用率已经达到较高的水平。

3.3 装配线的其它效率指标

在效益方面，节省工期约18%，节省材料消耗约4.9%；节省设备使用费约22%；工序衔接紧凑，减少人员等待损失占总人员成本的25%。

3.4 采用智能装配线工法施工质量情况

集中预制箱梁智能数控装配线施工工法为推进公路工程精益化管理和六西格玛管理奠定了基础。因该工艺自动化和标准化程度高，质量参数波动影响因素小，生产稳定可控，可以实现公路工程精益生产和六西格玛管理的实施[9]。

试验检测数据表明，胎具法钢筋骨架制作精度达3.5西格玛水平，过程能力指数达到1.17；钢筋保护层厚度达到3.2西格玛水平，过程能力指数达到0.97；张拉力控制精度达到6西格玛水平，过程能力指数达到1.36；组合分装式移动台座、超精细自动化控制液压腹翼板模板、抽屉式芯模安装精度达4.6西格玛水平，过程能力指数达1.59；实现了孔道压浆缺陷率1.5%以内。

4 结 语

数字化智能装配线工法，通过数字化智能装配线的使用，解决了预制箱梁施工中长期未能解决的质量问题，如混凝土外观质量问题、模板漏浆问题、模板拆除造成混凝土破损问题、混凝土养生问题、张拉力偏差问题、孔道压浆不密实的问题等；推进了预制箱梁施工规范化和标准化；提高了工程效益，如减少了材料的消耗4.9%、降低了人工成本25%、提高了装配线的利用率33%等，从而工期得以缩短13%；工法通过数字化智能装配线的使用，全部工序采用标准操作，工序操作专业化强，降低了安全风险，确保了安全生产；工法通过数字化智能装配线的使用，降低了建筑垃圾的产生和污水的排放，保证了环境清洁，减少了污染。