市政工程智慧更新建造智能装备研究

李岩松 罗利 杨康 胡铂

文章以城市更新改造过程中施工对城市功能的影响为背景。对市政工程快速更新建造智能装备进行研究。研制的市政工程智慧更新建造智能设备，减小了施工对城市居民生活的影响，提升了项目信息化管理程度，实现了公园城市更新建造的智能化。为中国乃至世界城市范围内的智能建造提供了参考。

智能装备; 快速建造; 市政工程; 受限空间

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[定稿日期]2021-06-10

[作者简介]李岩松（1989～），男，博士，工程师，主要从事智慧建造、隧道及岩石力学方面的研究工作。

1 市政工程智慧更新建造

随着人类社会经济的快速发展，人民生活水平大幅度改善、城镇化水平稳步提高、城市发展质量、速度显著提升，很多已有的建造技术、手段、设备虽然还能继续使用，但是建造速度、效率已不能满足城市发展的要求，有时甚至会严重影响城市发展的进度。因此，大力发展新技术、新设备是加快城市发展的必由之路。

日本东京在改造六本木新城时，大量修建了地下综合管廊项目，将城市供水、排水、污水处理、燃气、集中供热等管线综合放入地下管廊中。不同于以往他国城市更新，日本在大直径地下综合管廊建设中运用了盾构技术，缩短了施工工期，并较大程度上降低了施工成本。

进入新世纪，我国进入了高速发展时期，智能建造概念也逐渐出现在相关研究中。李俊红[1]等学者对CRTS双块式无砟轨道智能化建造设备进行研究，彻底颠覆了传统施工工法，从根本上提高施工功效和施工质量精度，降低了施工成本。万仁威[2]等学者对异形结构的智慧建造进行研究，利用无人机、Hololens全息眼镜、智能放样机器人以及三维激光扫描仪等智能建造设备，整合出了一套质量控制全过程全过程质量控制的解决方案。国内学者在智能建造的研究目前还处在一个起步阶段，还未形成全流程的智慧建造应用;如何采用智慧建造手段减少施工对城市的影响也较少考虑。目前，城市建设进入了一个新的阶段，城市基础设施的能源输送能力、交通通行能力以及环境承受能力已远远不能满足当前城市需求，急需对城市市政设施进行更新改造。但是城市内人口、房屋、管线密集，人员、建筑、管线互相影响严重，给城市的更新改造带来了难以想象的困难。在现有的复杂受限城市环境下，如何快速、安全的进行施工建造，如何解决施工带来的交通拥堵，如何保证各工程之间互不干扰，是城市内快速建造需要解决的问题，故急需对受限市政工程快速更新建造智能装备开展研究。

2 钢筋集成化智能加工设备

2.1 二维码数据传输应用

通过BIM系统分类生成二维码生产订单，即给钢筋加工生产线绑定了含有二维码图像的任务单料牌，然后智能化钢筋加工设备通过自身扫码枪完成生产订单的数据录入，并启动自动化生产，此二维码在生产后的钢筋入库、配送等环节中同样可被识别，从而提高了生产效率，降低钢筋生产各个环节的出错率。

2.2 无线云端通讯技术应用

智能化钢筋加工设备自带无线中继模块，无线中继模块可与设备控制器连接并进行数据传输，完成钢筋加工所需的长度、角度、数量等值的转换，通过网络与远程BIM服务器进行数据交换，获得钢筋加工所需的各种参数数据，并提供前一批次钢筋加工的完成情况与设备当前的运行状态，用户通过访问服务器可获得钢筋加工的进度与设备运行情况。

2.3 智能加工设备的数据处理

智能加工设备通过扫描二维码或者无线通讯访问BIM服务的方式获取加工参数，绘制出所需钢筋的加工图形，并将参数存储在PLC控制器中，然后执行定量加工生产（图1、图2）。

3 预制装配式构件模具、构件生产设备

3.1 装配式构件模具设计与制造

针对预制装配式构件变化多样，构件数量巨大，质量要求高，参照设计构件图纸与CAD智能精确排版图纸，结合技术要求对构件模具进行专门的设计，包括底架、边模、配件、埋件等，最终将图纸细分，生成材料清单;最后将每个零件所有用料全部单件拆分，生成激光下料图。

将加工完成的模具及钢筋转运至预制构件制作车间，继续完成预制构件浇筑养护等工作，预制构件生产严格控制生产流程：预制混凝土强度、构件外观质量要求高，工业化生产需严格按照流程逐步推进，任意环节的失误均可能带来构件的偏差，从而影响工程实施，构件流水线生产工艺如图3所示，工厂预制现场如图4、图5所示。

3.2 预制构件信息化管理

3.2.1 生产数据整理

工厂预制现场组装是城市快速更新建造一个有效手段，但是预制构件多、模具多，现场存放、管理混乱。技术人员将预制构件尺寸、定位（桩号，地理位置）、尺寸等参数整理后上传至云平台（图6），录入云平台生产进行数据分析、管理。通过云平台将数据发送给生产系统，生产系统接单后统一安排，确定生产时间及周期，并再次反馈至云平台，技术人员可在系统查看接单情况及及准确生产周期，以便进行运输、安装统筹规划（图7～图9）。

3.2.2 專属二维码粘贴

技术系统对工程全部预制构件逐一编码，并将其标注于排版图中，系统中设置已安装构件为绿色区域，设置正生产构件为黄色区域，设置未提交生产构件为红色区域，混凝土生产后生产系统在云平台系统中提取构件参数生成专属二维码，由专业人员现场对预制构件进行核实并粘贴二维码（图10）。

3.2.3 云平台数据分析

采用云计算和预制构件管理技术，对上传的数据进行分析，在综合考虑构件尺寸、运距、构件数量、安装成本等各项因素后，确定构件详细尺寸、数量、运输终点等环节，架构一个集排版-生产-安装等多专业、多环节融为一体的信息管理平台（图11）。通过云端大数据的存储、云计算的处理，实现了预制构件智能加工养护、统筹运输安装、信息集中管理。

4 施工区域交通智能分流导控系统

快速化改造因为会对周围道路进行占用，从而造成在改造路段、道路的交叉口及上游路段通行能力下降，当这个范围内车辆过多时，车辆将进行排队，从而产生延误，进而引发道路拥堵。为了保障路网顺畅运行，需要将此部分交通流通过其他路网分流出去，为此，通过研究，联合城市交管部门，在城市交通管理信息系统中植入智能交通导行系统，用以对施工区域过往的车辆进行预警与诱导。将施工区域及周边多个节点车流信息并网，分析并处理，得出实时城市道路车流量信息，并在施工区域及路口处设置前方路况动态信息提示牌，提前告知前方交通信息。利用各通信运营商以短信方式将区域车流信息推送至附近司机，通过城市交通实时监测系统将施工区域车流信息推送至市内行驶中的车辆车载导航系统或手机导航系统中，及时提醒车辆绕行，从而使施工区域周边车辆提前分流到其他路网。确保了施工作业人员及施工区域车流安全，提高了施工区域及周边车辆通勤效率，同时也提高了市区工程更新建造速度。

4.1 施工区域超高超限预警系统

施工区域超高超限预警系统监测对象主要针对进入施工区域一定范围的车辆、设备及人员。其系统主要由激光车辆超高检测系统及红外感应语音提示系统组成。

激光车辆超高检测系统通常由激光发射机，激光接收机等部分构成，激光发射机发出激光束并被激光接收机接收，当有超过限制高度的车辆通过时激光束被阻断，接收机立即发出报警信号，同时还可以启动其他报警或控制设备，在桥梁、隧道口等施工限高区域或其他有高度限定的地方前一定距离处安装激光车辆超高检测器，当超高车辆进入时，检测器报警，输出报警信号，超高控制报警主机，由超高报警主机触发报警警号，对超高车辆报警，警告其停止前进（图12）。

激光超高车辆检测示警系统分为四个部分：①激光检测——通过激光对射检测方式对超高车辆进行准确检测;②诱导警示——运用LED显示屏对超高车辆进行安全行车路线诱导;③视频抓拍——对驶入限高区域的超高车辆检测并进行抓拍图片或录像;④信息管理——对上传的图片及车辆超高事件信息进行统一合理化管理。

其原理主要是当有车辆高度超过预先设定好的高度时，激光检测设备向控制设备发出车辆超高的信号，控制设备立即发出指令让前方100 m处的LED诱导信息板提示司机车辆超高信息，并提供出行车路线诱导车辆绕行，同时控制器通过无线传送至监控中心提醒有关人员车辆超高意外事件的发生。检测系统采用光学的方法，在道路上方的标准高度处设置横向光路，普通车辆对光路无影响，而超高车经过时必然切割光路发出阻挡脉冲信号，可以将该信号作为判别车辆是否超高的依据，将其转换成电信号后便于管理和控制（图13）。

4.2 施工区域通行人员红外感应语音提示系统

主要是在施工危险区域及工程设备工作范围内一定距离设置M6红外探测语音提示器。M6红外探测语音提示器采用九芯电子智能PM3音乐播放芯片为处理核心，TF卡存储器开发的语音播放器材。当探测器探测到有人进入施工危险区域或工程设备一定距离内时，会自动感应播报定制的语音信息。从而提醒工地施工、安全管理人员注意，同时也提醒设备操作人员注意过往人员的安全。

M6红外探测语音提示器具有感应范围大、探头灵敏度高、音质好、音量大、掉电可长期存储等特点，因此可广泛应用于施工区域及施工设备上，对市政工程快速建造起到了很好的支撑作用（图14）。

5 结论

市政工程智慧更新建造智能装备研究对于密集、狭窄、复杂城区的市政更新改造及公园城市建造具有重大指导意义。

（1） 集成化智能加工厂，采用二维码、无线云端通讯及智能加工设备数据同步处理等技术，实现了钢筋工程和预制构件的精准算量、精细翻样、精确制作、信息管理、快速成型和快速安装。

（2）对预制构件模具进行专门研究，确定最优模具及模具种类、数量，在不影响预制构件制作质量的同时，节约了资源加快了生产。

（3）研发的市政工程智慧更新智能建造设备，减小了施工对城市居民生活的影响，提升了项目信息化管理程度，实现了城市更新建造的智能化，为中国乃至世界城市范围内的智慧智能建造提供参考。

参考文献

[1] 李俊红，徐明星.CRTS双块式无砟轨道智能化建造设备研究[J].智能城市，2020，6（8）：170-171.

[2] 万仁威，姜月菊，张东，等.异形结构施工总承包项目中智慧建造技术的综合应用——景德镇御窑博物馆项目[J].土木建筑工程信息技术，2018，10（5）：25-32.

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