BIM技术在核电工程钢筋自动加工中的应用

近年来，我国核电项目进展顺利，仅2018年就捷报连连：EPR全球首堆广东台山核电1号机组首次并网发电成功；AP1000全球首堆浙江三门核电1号机组首次并网成功；华龙一号穹顶吊装成功；中俄签署迄今最大核能合作项目。2019年10月16日，漳州核电1号机组开工，标志着国产自主三代核电技术华龙一号正式进入批量化建设时代。随着我国在核电技术方面取得重大突破和核电标准化体系的日益完善，将不断推动我国自主核电品牌建设和国际合作迈上新的台阶。

在核电施工中，需要使用大量的钢筋，某些堆型单机组钢筋使用量高达6万吨，由此可见，钢筋深化设计和加工是核电建设的重要环节之一，将直接影响核电工程的质量和安全。为此，中国核工业二四建设有限公司在核电工程建设过程中，配备了先进的钢筋加工设备，包括钢筋联动剪切线、数控弯箍机和数控弯曲机，有效地提高了钢筋的加工精度和生产效率。

目前，各大建筑企业利用BIM技术形成了多项钢筋深化设计的成果，但将BIM技术应用于钢筋自动化加工的成果较少，主要是因为BIM软件与钢筋加工设备间存在数据孤岛问题。尤其是在核电工程中，虽然钢筋加工设备较为先进，但仍需要人工手动录入钢筋信息到设备中才能完成钢筋加工。该方式人工成本较高、效率低，存在一定的人为失误因素。基于此，利用BIM技术开展钢筋自动化加工研究，具有一定的理论和现实意义。

1.技术路线

本研究技术路线（图1）主要是：在核电工程中利用BIM技术进行钢筋深化设计后，通过二次开发，将模型通过专用格式与核电多项目管理系统ENPower集成，在系统中将钢筋数据自动处理转换成PDF417二维条码，并自动生成钢筋加工计划和配料单，然后利用钢筋加工设备配套的扫码器扫描配料单上的二维条码，由此将钢筋加工数据传输到设备中，从而完成钢筋的自动加工。

图1 技术路线图

2.BIM与钢筋加工设备的数据交互

交互方式

利用BIM技术进行钢筋深化设计得到的是含有详细数据信息的几何形状，如何让钢筋加工设备读取钢筋的BIM几何形状信息并正确加工，是本研究的重点所在。通过查阅国外钢筋加工设备技术手册，最终选定BVBS码作为钢筋几何形状信息的数据载体。钢筋加工设备只需读取钢筋对应的BVBS码，便可以解析二维钢筋形状和三维钢筋形状数据。

BVBS码分解

一个完整的BVBS码用来表示一根或多根同类型的待加工钢筋，可分为形状类型、头部数据块（标识符H）、几何数据块（标识符G）、校验数据块（标识符C）、换行符（标识符CRLF）四部分。其中，头部数据块和几何数据块的钢筋信息可以从BIM模型中读取。

表1 头部数据块字母标识解析表

形状类型

形状类型主要用来描述待加工钢筋的形状是二维形状还是三维形状，其中，二维形状用“BF2D”表示，三维形状用“BF3D”表示。在“BF2D@”或“BF3D@”后，紧跟其他数据块。

头部数据块

头部数据块（表1）包含钢筋的工程编号、图号、索引、条目、长度（mm）、数量（根）、重量（kg）、直径（mm）、等级、弯曲直径（mm）、设计人（可为空）等信息，每条信息以“字母标识+数据+@”的方式来表达。

几何数据块

几何数据块（表2）包含钢筋的段长（mm）、弯曲半径（mm）、弯折角度（度）、XYZ轴坐标（仅三维钢筋形状即异平面钢筋使用）等信息，每条信息也以“字母标识+数据+@”的方式进行表达。

表2 几何数据块字母标识解析表

校验数据块

校验数据块用来对前两个数据块字符的ASCII值进行校验。

校验数据块的数值计算方式为：对校验数据值前端所有字符的ASCII值求和Sum，然后对“Sum/32”求余，用96减去余数即可得到校验数据值。

算法如下：

注：IP为校验数据值；n为校验数据值前所有字符的数量；Ci为字符的ASCII值[1]。

换行符

图2 钢筋形状示例图

图3 BVBS码详细分解示意图

图4 PDF417条码结构图

图5 钢筋的PDF417码示例图

换行符“CRLF”表示一条完整的钢筋几何形状信息表达结束。这里的换行符在被机器识别时，并不会显示字符“CRLF”，仅是一个换行命令。

一条完整BVBS码示例

例如，某工程名称Test、图号123、索引a、设计人CF，钢筋料表中第m个条目有10根直径12mm、等级HPB300、弯曲直径48mm的钢筋(图2 )。

那么，这批待加工钢筋的BVBS码分解如下：

形状类型：BF2D@

头部数据块：HjTest@r123@ia@pm@l1000@n10@e0.888 @d12@gHPB300@s48@vCF@

几何数据块：Gl400@w90@l600@w0@

校验数据块：C78@

换行符：CRLF

完整的BVBS码如下：BF2D@HjTest@r123@ia@pm@l1000@n10@e0.888@d12@gHPB300@s48@vCF@Gl400@w90@l600@w0@C78@CRLF

注：字符串“BF2D@Hj...w0@C”共计79个字符的ASCII值之和为5618，故96-MOD（5618,32）=78。

本条BVBS码详细分解，如图3所示。

3.PDF417二维条码

PDF417二维条码是一种堆叠式二维条码，1991年由美国SYMBOL公司发明，PDF（Portable Data File）的意思是“便携数据文件”。组成条码的每一个条码字符由4个条和4个空，共17个模块构成，故称为PDF417条码。图4给出了PDF417条码结构图[2]。PDF417条码最大的优势在于其庞大的数据容量和极强的纠错能力，即使条形码污损50%也能被正确读出。PDF417二维条码是实现证件及卡片等大容量、高可靠性信息自动存储、携带并可用机器自动识读的理想手段之一。

因此，PDF417码能够完全满足作为钢筋几何信息载体的条件，将BVBS码转化为PDF417码便可将数据扫描读取到钢筋加工设备。上文中示例钢筋的PDF417码（图5），用专用扫码器便可扫描得到BVBS码。

4.BIM与核电多项目管理系统的集成

核电工程钢筋深化设计采用Bentley公司的ProStructures软件。核电多项目管理信息系统ENPower是在统一的数据库和网络系统支持下建立的系统的、高集成度的信息系统，用于管理核电建造过程各阶段业务的全部信息，包括钢筋加工料单信息。要将BIM技术应用到钢筋自动加工中，就必须实现BIM与ENPower的集成。

Bentley提供的i-model技术，是为支持项目团队联合工作的信息交互的通用方法，适用于项目的几何图形信息和数据信息，同时适用于Bentley及非Bentley的产品。i-model包含丰富的元数据和组件的业务属性、几何图形及关系，不需要专门的应用程序逻辑来解析，不需要引用外部的架构定义，所有需要的架构定义都内置在i-model中。i-model包含信息的来源、日期、状态等，且是只读的。i-model可直接由Bentley软件输出或转换程序生成。鉴于此，i-model技术是实现BIM与ENPower系统集成的最优方式。

图6 BIM与ENPower系统集成图

图7 转换BVBS码和PDF417码功能模块图

图8 钢筋配料单

图9 弯曲机自动加工

利用i-model 技术，经过二次开发，ENPower 系统中可以直接查看钢筋三维模型并读取钢筋的几何形状信息（图6），实现二者的数据集成。

接下来在ENPower系统中添加两个功能模块，一是将钢筋的几何形状信息转换为BVBS码的功能模块；二是将BVBS码转为PDF417码的功能模块（图7）。

5.设备扫码自动加工钢筋

ENPower系统导出钢筋配料单（图8），钢筋加工厂工人利用扫码枪扫描料单上的PDF417码，加工数据便传输到钢筋加工设备，设备读取完一个批次的数据后，便可以开始自动加工（图9）。

6.应用中的不足

目前，各类堆型的核电工程中约有近200种二维和三维钢筋形状，采用BVBS码格式能够准确表达其中约100种常用钢筋形状。但对于非标准、异形钢筋，数控加工却难以解决相关技术问题，仍需要借助常规加工设备。数控设备与常规设备搭配使用，有助于满足不同加工需求，数控设备的高效性可以解决批量化半成品加工，常规设备的灵活性可以满足非标构件、零星变更补料等需求[3]。

7.结语

将BIM技术应用于核电工程钢筋自动加工中操作简单，不仅可以减轻人为干预过程，避免因人为失误造成损失，还可以提高钢筋的加工质量和效率，在实际应用中可实现钢筋加工效率提升约29.23%。此外，还可以降低钢筋加工废料余料率，每吨钢筋成本可以节省约175元，具有较好的经济和社会效益。

下一步研究方向是通过ENPower系统连接钢筋加工设备、采集钢筋加工信息，可支持钢筋加工厂的加工过程监控、材料管理；通过扫码监控钢筋成品的仓储、物流和交付等过程，以提高项目高管理水平，减少仓储积压[4]，进一步推动我国数字化核电建设事业的发展。