沪通长江大桥钢梁制造管理

张贵忠

（中国铁路总公司 工程管理中心，北京 100844）

沪通长江大桥钢梁制造管理

张贵忠

（中国铁路总公司 工程管理中心，北京 100844）

沪通长江大桥钢梁制造规模大，采用箱桁组合新结构、两节间大节段悬拼架设新工法，对制造工艺、制造精度提出了更高要求。为满足钢梁制造工艺、安全质量以及工效需要，指挥部深入推广标准化管理，以“工厂化、专业化”制造模式为依托，设计使用新型工装胎具、引进成套具有国际领先水平的制造设备，推动生产线、设备的更新换代，实现“机械化”制造，促进制造工艺优化与提升。与此同时，探索BIM技术、焊缝信息管理、虚拟拼装等信息化手段，使自动化制造、智能化管理与传统制造工艺有机结合，对智能化建桥做出了有益尝试。沪通长江大桥钢梁制造管理体系保证了钢梁制造高精度、高质量、高产出，为优质高效的钢梁安装奠定基础。

钢梁制造；制孔工艺；BIM技术；无码组装；胎架虚拟；预拼装系统；智能制造

0 引言

沪通长江大桥为新建沪通铁路的控制性工程，通行4线铁路和6车道高速公路，全长11 km。两岸大堤间正桥由主跨1 092 m钢桁梁斜拉桥、主跨336 m钢桁梁拱桥和26孔112 m简支钢桁梁桥组成，全长5.8 km，用钢25.29万t，建成后是世界上跨度最大的公铁两用斜拉桥[1]。112 m简支钢桁梁和主跨336 m钢拱桥均采用3片主桁整体节点结构，工厂焊接制造杆件、工地悬臂栓接拼装。主航道桥为双塔3索面3主桁斜拉桥，主桁断面轴力超过70万kN，国内首次采用Q500qE钢、两节间全焊联、两节段整体制造架设工艺[2]。对钢材预处理、下料、板单元加工、组装、焊接、修整、钻孔等构件制造，以及桁架大节段模块化拼装、场内转运存放、下水装船运输直至拼装成桥等全过程进行分析，存在弦杆焊接质量及几何精度、厚板焊接质量及焊接变形、大型孔群精度、Q500qE钢制造、复杂构件制作工艺、箱桁式桁架两节间拼装、两节间整体桁架预拼和运输等诸多控制重点和技术难题[3]。

结合钢梁生产厂场地、设备、人员等实际情况，大桥建设指挥部推行标准化管理，提升钢梁制造品质。参建单位积极优化流水线布局，加强工艺研究，推动新型工装和先进设备的应用，积极应用BIM技术，探索信息化、智能化与传统工艺融合，为建设这座世界瞩目的重点工程做出有益探索。

1 推行标准化管理，提升钢梁制造品质

1.1 贯彻钢梁制造全生命周期建设管理理念

沪通长江大桥钢梁材料类型多，结构复杂，制造精度高，技术难度大，专业化程度要求高，容易存在管理盲区和薄弱环节。为确保大桥建设质量，指挥部大力推广工厂化生产和信息化手段，采用新型工装和新型设备。在材料、制造招标中即明确产品技术条件、技术要求和质量、验收标准等技术文件，严格资格准入，确保参加钢梁生产的材料生产、制造单位均为国内一流承包商，从根源上保证生产质量。通过合同细化和条款完善，使标准化建设管理理念落实到合同履约监督管理中，为钢梁材料生产、供应和钢梁制造标准化管理提供了法律依据，使标准化管理实现了由行业主导到合同履约监督管理的转化。

1.2 建立钢梁制造建设管理体系

组织参建单位编制《钢桁梁标准化管理手册》《监理实施细则》和《桥梁钢结构第三方检测实施细则》，并通过专家审定。其中《钢桁梁标准化管理手册》涵盖了“钢梁制造标准化管理办法”“钢梁监造管理实施细则”和“制造厂标准化考评、综合管理考评、劳动竞赛”3个方面，与监理、检测细则一起形成了对桥梁钢结构制造的完整管理制度，有效构建并深化了对专业化制造厂的管理。采取标准化达标考评和钢梁生产厂综合考评等形式，促使施工单位、钢梁生产厂提升自身管理能力，促进钢梁生产厂进行技术革新，工装、设备更新升级，开发一系列有利于提高质量、精度、工效的施工工艺，设计制作一系列方便操作、提高工效、安全实用的工装胎架，投入一系列的高度机械化、自动化、智能化的机械设备，提高机械化、专业化、工厂化、信息化水平，从根本上保证了钢梁制造高质量、高精度、高产出。

1.3 强化人员配置，持续开展培训，提高全员素质

从专业资格、职称、工作年限、类似工程工作经验、实操技能等方面对作业人员、技术人员、管理人员进行资格准入认可，并对持证上岗的作业工人进行实操考试，确保参建人员证技相符；持续开展多形式、全方位技术培训，组织现场观摩和技能比武等方式，提高全员认知和实操水平，从源头上保证钢梁制造质量、提升钢梁制造工艺和管理水平。

1.4 深化现场管理，过程控制，检测验收

高度重视施工技术文件的编制和审查，组织行业专家对关键工序进行专项方案评审、工艺评定；实行首件认可、样板引路，通过对杆件制造、涂装、拼装等进行首件评估，总结经验、改进不足，固化成功的生产工艺和生产、检测流程，保证产品质量和产量的稳定，真正形成工厂化、专业化生产能力和品质保证。强化过程控制，实行监理驻厂监造制度，从原材料进场、板单元、杆件、涂装、拼装等各个环节进行过程质量把控。指挥部各职能部门定期对各单位管理体系运行情况进行巡检，避免存在系统性管理风险。在此基础上，引进第三方检测机构，对原材料性能、焊接、涂装质量等进行全过程监控，对检测发现的问题，及时深入分析，指出产生质量问题的原因，提出改进措施，为钢梁制造质量把控提供进一步保障。

2 优化流水线布局，加强工艺研究

针对钢桁梁生产工序特点，严格按工序流程进行生产线设施规划、布局、设计，实现工位化、工装化、机械化和自动化的生产流水线布置，做到车间内工序不回头。生产线实行工位制管理，各工位配制相应的工艺装备。构件集中配送，集中开坡口、拼板、矫正、冷加工，通过改善生产装备工位布局，做到零件摆放整齐、规范化，车间的生产信息传达和反馈及时，提高构件周转速度和制作速度，从而使得生产质量稳定，生产效率更高，有效控制生产制造成本。与此同时，进一步加强箱型杆件内隔板及箱型弦杆盖板加工、弦杆节点板开档、箱体杆件焊接及斜杆接头板安装、超声波锤击和制孔等重点工艺研究，优化提升工艺水平。将各个厂家掌握的专项工艺，推广到全体参建厂家，并进行横向交流考核评比，提高了行业平均水平。

2.1 箱型杆件内隔板及箱型弦杆盖板加工

为保证箱型杆件的外形尺寸，采用铣床进行加工，既保证箱型杆件的外形尺寸，又提高杆件的制作效率。其中，内隔板铣边机一次定位加工隔板4个面，减少隔板的定位装夹次数，提高加工效率和精度。新设备能够加工2%坡度的隔板，让铣床的使用更加灵活，达到快速、高效、精确的加工目的。

2.2 弦杆节点板开档

为有效控制弦杆节点板开档尺寸，根据箱口焊接、热矫正收缩规律，确定节点板尺寸公差，编制合理的焊接工艺，并采用预变形等措施控制焊接、修整变形。如火焰加热法在焊接前对节点板箱体外部进行预弯，有效保证箱口尺寸和平面度要求。

2.3 箱体杆件焊接及斜杆接头板安装

将埋弧焊接小车改装成双头焊接小车，工效提高近1倍，而且两侧同时焊接减小了构件扭曲变形，减少矫正，提高构件制作精度。斜杆接头板的角度和孔群关系直接影响到斜杆、上弦杆的安装，为保证其角度和孔群关系的精度，利用节点板上已钻制的斜杆连接孔群为基准，研究高精度定位工装，控制节点板与连接板孔群关系，定位、组装斜杆接头板，保证两者孔群相对关系。

2.4 超声波锤击

弦杆横梁连接板的两端圆弧部位、弦杆斜杆连接板的一端圆弧部位的焊缝为熔透角焊缝，为保证此处焊缝的熔透以及探伤区域要求，下料时预留一定宽度，待焊接、探伤完成后使用切割靠板进行焰切，并打磨匀顺后进行超声波锤击处理，以控制焊缝疲劳裂纹的产生。

2.5 制孔

以后孔法为主、先孔法为辅的制孔工艺，减小焊接变形、矫正变形的影响，提高制孔精度。采用专用划线平台水平仪和经纬仪划线工艺，同时对超长极边孔群设置钻孔校准线，利用数控钻床对校准线进行复核的双保险措施，预防数控钻床意外出错。设计高精度的制孔工艺装备，包括钻孔样板、钻孔胎架等，采用数控钻、摇臂钻及磁力钻相结合的钻孔工艺，对于节点板多向连接关系的孔群采用整体式大模板一次对线钻孔，杆件顶面与腹板面的孔群位置，通过立体模板进行保证。

3 推动新型工装和先进设备的应用

参建单位以实用便捷、安全高效为理念，设计应用了专用无码组装胎架、多功能快速翻身吊具和整体吊耳等新型工装胎具。

3.1 专用无码组装胎架

根据杆件特点，设计了可以调节杆件线性的专用无码组装胎架。胎架通过采用设置线性牙板、胎架横纵基线及端挡块、千斤顶挡块和限位挡块、翻身吊具专用通道等一系列措施，设计出制作精度高、效率高、胎架调整量小的专用无码拼装胎架。通过检测，无码组装胎架制作杆件质量优异，与传统工艺比较，可有效提高拼装杆件精度，缩短施工工期。

3.2 多功能快速翻身吊具

沪通长江大桥主桁上下弦杆规格尺寸大、质量重，上下弦截面尺寸变化大，盖板均伸出箱体，给吊装和翻身带来极大不便。为保证杆件制作质量和生产安全，并提高生产效率，从构件自身结构特点、起重机械性能、吊具结构和传力方式等角度展开分析，设计出适用于沪通长江大桥的多功能快速翻身吊具。多功能翻身吊具的使用，使大部分需要翻身焊接的焊缝顺利实现，同时实现平位焊接，提高焊缝质量和焊接效率。

3.3 整体吊耳等其他工装胎架

整体节点板在下料程切过程中预设整体吊耳，在板件吊装、翻身过程中，避免伤及母材。此外，还设计制造了工型和箱型杆件组装胎架、上弦杆组装胎架、铁路和公路桥面板块拼装胎架、竖板单元装配吊装等一系列专用工装。经生产实践考验，在降低施工难度、提供安全保障的同时，能有效提高生产效率。

按照标准化管理要求，参建单位以整体匹配、效率最高为原则，成套配置先进、精密设备，扎实推进“机械化”，以提升工艺工法控制水平。投入了全自动钢板预处理生产线、龙门三维数控钻床、U形肋加工检测系统、三维划线机等一系列适用沪通长江大桥结构特点的自动化、数控化、智能化的机械设备，最大限度消除人为因素对制造质量的影响，保证产品高精度、高质量和高产出。

（1）全自动钢板预处理生产线。全自动钢板预处理生产线能够实现钢板的平板、抛丸除锈、喷涂车间底漆、烘干等功能，满足超宽钢板、Q500qE高性能钢材的矫平需求。

（2）龙门三维数控钻床。龙门三维数控钻床具有钻孔精度高、工效高、规格大等特点，能够实现大型整体节点杆件两端栓孔的同时钻制。以其精准联动，保证极边孔距精度，三向同时施钻，确保不同平面栓孔的纵向、横向不错位。以主桁上、下弦杆极边孔距为例，目前已完成制造的主桁上、下弦杆极边孔距最大偏差值1.0 mm，绝大部分极边孔距偏差值达到0.5 mm，满足允许偏差±1.0 mm要求。

（3）U形肋加工、检测系统。U形肋加工采用全新的生产线，应用U形肋边缘铣床、数控双边坡口铣床、数控折弯机床等一系列先进设备，进行高精度加工。应用板单元自动定位组装以及精准的反变形船位焊接机器人电弧自动跟踪技术，保证焊缝根部熔合、熔透深度以及焊接质量的稳定性，全面提升U形肋的加工精度和生产能力。通过提高动力头功率和改进轨道，使工作效率提高30%，边缘加工粗糙度达到Ra12.5。加工后，板边直线度和尺寸精度更加稳定，直线度偏差不超过1 mm，宽度偏差不超过0.5 mm。U形肋板单元自动组装定位机床取代了常规人工打磨，员工施工环境得到改善。装配一种具有液压自动定位和压紧机构的装置，精确完成U形肋板单元的定位。U形肋板单元自动化焊接系统消除了人为因素对焊接质量的影响，焊接质量和稳定性明显提高，焊后返修和修整工作量较传统工艺减少80%以上，焊缝疲劳强度大幅提高。

利用相控阵探头中具有一定相位差的多个晶片，各自发射的超声波在工件中相互干涉而形成聚焦，并在显示屏上形成二维图像的相控阵超声波检测技术，确保U形肋熔深厚度的测量精度，保证检测灵敏度、精度和准确性，最终提高U形肋施工质量。

（4）三维划线机。突破钢桥制造行业中传统的手工划线作业模式，利用高精度的三维划线机进行划线作业，机械化施工。本设备具有双向3轴数字显示器，数据直观，方便对每1轴的当前状态进行实时监测，方便划线作业及划线复验。设计液压调整装置进行杆件找正调整作业，找正方便，效率高。划线时，在平台上将杆件各项偏差调整到最佳状态，根据划线钻孔，最接近桥位实际安装状态。

（5）起重、运输设备等其他制造设备。主航道桥钢桁梁采用整节段架设方案，装备2台8 000 kN龙门吊机，基本实现大部分整体节段的转运、装船需求。其他超出龙门吊联合吊运吊装能力的整节段，采用滚装上船方案，将载重13万kN、18万kN的平板驳船运输到桥位。此外，双侧铣边机、平板数控钻床、箱体主角焊缝焊接用半门式自动埋弧焊接机床、数控空气等离子切割机、磁力吊等先进设备的应用，保证制造精度，创造舒适安全的工作环境，提高生产效率。

4 应用BIM技术实现信息化、智能化与传统工艺融合

沪通长江大桥建设中推广使用了BIM技术，针对目前我国钢桥建造仍处于传统控制模式的现状[4-6]，梳理铁路钢桥建造控制关键工序，探索信息化、智能化与传统工艺融合。基于BIM技术，对钢梁加工制造流程再塑造，将升级行业技术水平。

4.1 三维图纸设计与加工详图设计一体化

根据设计院施工蓝图和招标文件技术条款，采用Tekla钢结构详图设计、TRIBON等软件进行三维建模。在三维环境下，对零部件、节点连接进行准确无误的放样，直观的碰撞检查，及时发现平面设计中未能发现的问题。所有零件、构件图纸和材料清单报表都可以通过三维模型自动生成，高效率零差错完成加工详图设计工作，实现BIM模型下三维图纸设计与加工详图设计一体化。BIM技术应用到钢梁制造领域，将有效提升钢梁加工制造的信息化水平，未来也将有更加广阔的应用。

4.2 数字化套料系统

基于钢结构三维建模Tekla软件基础上进行开发，形成全桥BIM模型。对三维模型导出的NC文件进行批量处理，生成可直接应用于Sigmanest套料软件的数据文件，进行切割套料，并能进行高效的余料、零件库、材料库存等管理，实现设计与工艺的有机结合和衔接，形成完整的数据链，节省人力、减少重复工作和人为差错，利用套料结果指导钢材采购，准确控制钢材的采购数量，提高材料的利用率。

4.3 测量控制系统

采用API系统、高精度激光跟踪测量系统、DACS尺寸与精度控制系统等，对钻孔模板、杆件构件制作、节段拼装进行实时高精度测量，采集实测数据与三维理论模型进行最佳拟合、数据对比，得到关键尺寸误差，从而达到构件制造精度控制、节段拼装精度监控与调整。

4.4 焊接群控技术应用

在Q500qE高强钢焊接中引入焊接群控技术，锁定焊接工艺参数，实现产品焊接过程监控，有效保证现场焊接工艺的严格执行，确保Q500qE钢的焊接质量。通过统一焊接规范，防止焊接人员超规范焊接，提高焊缝质量，从而实现规范化、精细化、科学化的管理目标。

4.5 虚拟预拼装系统

在Tekla三维模型的基础上，利用全站仪和摄影测量设备，对杆件端口控制点和孔群位置进行精确测量，得到其三维坐标。将其导入虚拟预拼装分析系统，并与杆件三维理论模型进行对比分析，计算出杆件实际制作尺寸与理论尺寸的偏差值，以此为依据对杆件进行矫正，实现虚拟拼装。

4.6 物联网跟踪系统

通过内含构件信息的二维码标牌作为构件信息载体，利用可联网的二维码扫描器（智能手机）读取数据，以便相关技术和管理人员快速获取构件当前生产状态信息，并实时更新到数据库中，更好地进行项目管理。沪通长江大桥的钢结构产品，均采用物联网跟踪系统进行工序状态的跟踪和反馈，提高信息化水平。同时该系统所反馈的工序状态信息能够实时更新于沪通长江大桥BIM信息集成平台，实现信息的实时采集、传输与应用。通过模型颜色进行区分，使管理者能够直观形象地掌握整个项目的总体进度，使项目资源调配更加及时、合理。

5 结束语

钢梁具有材质均匀、强度高、承载能力强、工厂化加工程度高、施工周期短、单位能耗和排放低、回收利用率高、可循环利用等诸多优点。我国是钢材产能大国，大力发展钢桥是桥梁工程发展的方向。从设计理念、理论模型、结构型式到桥梁专业用钢的研发，以及针对钢梁施工和配套工装、设备、工艺等方面均存在巨大发展空间。广阔的市场需求是企业最直接的生产动力，必将促进钢梁制造企业工装、设备的研发和升级换代，促进钢梁制造技术革新领域和新工艺、新工法的研发应用，推动钢梁制造标准提升和产业升级。

“中国制造2025”要求制造业坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，加快从制造大国向制造强国转化。在这一过程中，智能制造是主攻方向，也是根本途径。通过在钢梁制造加工领域全面引入BIM技术、信息化手段，顺应“互联网+”的发展趋势，促进信息化与工业化深度融合，将进一步推动钢梁加工制造的智能化和产业规模化。

沪通长江大桥建设大力推广铁路标准化管理，落实“四化”支撑手段，按照“工厂化”原则，将施工现场工序集合到车间完成，把单个构件工厂加工变为杆件、大节段合格产品出厂，形成“工厂制造、现场组拼”，实现桥梁施工的装配化、构配件的标准化；全自动钢板预处理生产线、三维数控钻床、U形肋加工系统等自动化设备和数字化套料、焊缝管理系统、虚拟拼装系统、物联网等BIM技术、信息化等手段的应用，大大提高了工效和质量控制水平，为钢梁的快速施工和智能化制造做出有益尝试。

[1] 陈凯，叶先培，贾文久. 沪通长江大桥主航道桥 28号主墩钢沉井制造质量控制[J]. 桥梁建设， 2016，46(2)：109-114.

[2] 高宗余. 沪通长江大桥主桥技术特点[J]. 桥梁建 设，2014，44(2)：1-5.

[3] 孔文亚，闫志刚. 沪通长江大桥科技创新管理[J]. 铁道建筑，2017(2)：1-6.

[4] 刘延宏. BIM技术在铁路桥梁建设中的应用[J]．铁路 技术创新，2015(3)：47-50．

[5] 王同军. 基于BIM的铁路工程管理平台建设与展望[J]. 铁路技术创新，2015(3)：8-13．

[6] 张贵忠. 沪通长江大桥BIM技术应用探索[J]. 铁路技 术创新，2017(1)：7-11.

责任编辑 李葳

Management of Steel Girder Manufacturing for Hutong Yangtze River Bridge

ZHANG Guizhong
（Engineering Management Center，CHINA RAILWAY，Beijing 100844，China）

The manufacturing of steel girders of the Hutong Yangtze River Bridge is large in scale. Application of the new box girder-truss structure and the new construction method of cantilever assembly erection in the large joint between two sections of the bridge poses higher requirements on the manufacturing process and manufacturing precision. To meet the demands on process, safety, quality and efficiency of steel girder manufacturing, the construction headquarter promoted standardized management, and with "factory-like, specialized" manufacturing model as the basis, designed and used new tool machining model, introduced complete sets of globally advanced manufacturing equipment, promoted the upgrade production lines and equipment, achieved "mechanized" manufacturing, and promoted the optimization and upgrading of manufacturing processes. At the same time, it also explored ways to apply BIM technology, weld information management, virtual assembly and other high-tech means, so that automated manufacturing, intelligent management and traditional manufacturing are organically combined, making a useful attempt at intelligent bridge building. Management of steel girder manufacturing for Hutong Yangtze River Bridge ensures high precision, quality and output of steel girders, laying a strong foundation for the efficient and high quality installation of steel girders.

steel girder manufacturing；hole making process；BIM technology；codeless assembly；virtual moulding bed；pre-assembly system；intelligent manufacturing

U445.1；TU605

：A

：1001-683X（2017）06-0001-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.06.001

2017-04-12

张贵忠（1970—），男，高级工程师。

E-mail：zgz36216@sina.com