高速城际铁路预制箱梁场智能建造关键技术与应用

陈晓鹏

摘要：随着国家经济快速增长，实施科技强国、质量强国、交通强国、制造强国的战略，打造中国制造2025高铁新标准，智能化、信息化技术的迅速发展及应用，对高速铁路箱梁场建造的质量、安全、绿色环保以及信息化等方面提出更高的要求。本文通过对智能钢筋加工、智能喷淋养护、智能预应力张拉、智能孔道压浆以及信息化的研究与应用，大幅度提高简支梁的智能建造水平，能够为高速铁路桥梁建造技术的提升，提供宝贵的经验借鉴。

关键词：预制梁场;BIM技术;智能化;信息化;绿色化

一、序言

本文重点研究高速城际铁路简支箱梁预制过程中，应用BIM技术+智能钢筋加工生产线+智能运输、智能喷淋养护、智能预应力张拉、智能预应力孔道压浆、数据信息化管理等技术对生产过程智能化水平进行全面升级，最大限度的提高预制箱梁产品制造精度、耐久性能以及生产效率等。通过采用智能化、信息化相结合的智能建造技术，改变传统的生产模式，提高预制简支箱梁施工质量，降低劳动力资源的投入，为预制梁场智能化生产提供了大量技术经验。

二、智能化技术原理研究

1.钢筋智能化加工工艺原理

基于BIM技术的钢筋智能制造集中管控技术主要就是对新型的无图化加工技术的管控。对不同种类及型号钢筋模型进行碰撞检测并优化设计。根据设计图纸中的钢筋构件规格、弯折角度、长度等信息建立钢筋参数化模型，将钢筋的信息模型数据转化成BVBS数据文件传输到智能钢筋加工设备MES管理系统中，一次建模，批量加工。通过BIM建模、信息化与智能钢筋加工机器人相结合，实现钢筋自动加工断料、弯制，形成一套钢筋智能加工闭环体系，促使钢筋翻样精度和效率得到大幅度提升。

2.智能喷淋养护系统工艺原理

智能喷淋养护系统由调试变频器、喷嘴系统、供水系统、远程控制系 统和温湿感应系统组成，根据环境温度、湿度情况实现自动调节喷淋养护参数，按照存梁区为单位的养护时间管理功能，故障自动报警，系统算法简单，响应快速，可实现梁体湿润达到标准养护，主控制系统采用工控平板操作端和电子控制模块组成，运行状态可以通过铁路工程管理平台或手机APP进行查看，实现箱梁喷淋养护的数字化操作、可视化管控。

3.智能张拉系统工艺原理

智能张拉系统主要由4台千斤顶，4台电动液压站、8个高精度压力传感器、4个高精度应变式直接测力传感器、4个拉线式高精度位移传感器、4个高精度温度传感器、1套完整的工业可编程控制器（1主3辅）、主机（一体化工作站）等组成。可同时控制4台千斤顶同步工作，构成平衡的双向张拉。

微电脑预设张拉工艺参数后，一键启动操作、实现张拉过程的自动化控制，伸长值显示，张拉数据实时曲线采集及校核报警，张拉结果记录存储、数据直接传输以及网络传输，信息化管理。

4.智能压浆工艺原理

在预应力混凝土简支梁施工过程中，孔道压浆是一道关键工序，其质量的好坏直接影响整个预应力混凝土简支梁安全性和可靠性，

为减轻锚具负荷，使预应力钢丝束与混凝土紧密结合，保证两者之间预应力的有效传递，排除孔道内的气体及水分，提高钢绞线与混凝土之间的粘结力，减轻梁端锚具负荷，采用智能压浆设备进行全过程控制，由自动配料系统，微电脑自动控制系统，高、低速搅拌系统，自动进浆系统组成，可自动完成压浆施工过程中的配料制浆、抽真空、压浆以及安全辅助等功能的控制和执行，实现了对出浆量的准确掌握，进而判断压浆密实度，实现自动上料、精准称量、自动连续压浆、自动調速、自动保压、数据实时存储、分析统计、显示和传输功能。

三、智能化在梁场预制施工中的应用

1.钢筋智能加工及运输

利用建模Planbar软件创建所需钢筋信息模型，并通过碰撞检测模块 进行干涉检查、优化，完成钢筋清单的审核，建立精确的钢筋模型数据库。通过Planbar软件系统将导出的BVBS数据文件发送至智能钢筋加工设备MES管理系统中，接口程序自动解析文件中包含的钢筋加工的长度、弯折角度等参数信息，并完成格式转换及绘图工作，生成每孔箱梁所需钢筋规格型号、数量、编号、自动计算钢筋长度、重量、大样图等数据，形成不同梁型所需的下料清单，精确指导钢筋加工场生产备料。

通过解析数据传送至智能钢筋剪切、智能钢筋弯箍等智能机器人加工装备中，加工前工人只需调出相应型号箱梁的配料单并核实信息，一键启动，批量生产。弯曲角度误差在1以内，断料误差±1mm，合格率达到100%，提高钢筋绑扎精度，人均加工钢筋量提高至40t/d，生产效率提高30%，加工后的钢筋数据，管控系统直接采集，实现对钢筋加工场后台直接管控。

将加工弯制好的钢筋，采用AGV智能运输车运至钢筋骨架绑扎区，通过运输车上精准对位系统，自动定位停车、自动空载返回，减少人力60%以上，提高钢筋运输作业效率。

2.智能喷淋养护施工

首次应用前，将参数录入多路喷淋养护系统中，设置每个喷淋支路时间20s，设置间隔时间25min，将储水池注满水，池内水位由低、高水位传感器控制，电脑控制电磁阀开闭进水量，控制系统通过压力储水罐上远传压力表传递信号来控制压力使水雾状化，支路之间设置错时喷淋作业。箱梁初张拉完成后，提至存梁养护台座上，启动喷淋系统，当储水罐中的压力达到0.3MPa时，压力表向喷淋控制器发出远程信号，电磁阀自动开启，当灌内压力达到0.5MPa时，停止向储水罐中供水。喷头在压力作用下，形成180°或者360°旋转，喷出雾状水对梁体顶板、腹板、翼缘板、底板及箱内全覆盖喷淋，存梁台座下设置防水区域，以便收集过滤已达到循环供水。也可通过温湿传感器信号，相对湿度在40%以下，微电脑自动控制进行喷淋，实现无人工干预养护，节约用水，提高养护质量。

3.智能预应力张拉施工

首先梁体混凝土强度、弹性模量、龄期三者均满足预应力张拉条件后，对智能张拉设备输入预制箱梁型号、编号、制造日期、张拉力控制值、持荷时间、伸长量校核值等相关信息，确认无误后对梁体进行预应力张拉作业。完成锚具、限位板、工作夹片安装等工序后，一键启动，按照孔道张拉孔道顺序，依次实现预应力筋的张拉、持荷、补压、锚固等全过程操作。

张拉过程中，加载至20%控制应力时，持荷30s，系统自动采集工具夹片外露量和伸长量信息，当张拉力达到100%的控制应力时，千斤顶持荷300s，系统自动补压到控制应力，控制张拉力保持在控制应力±1.0%之间，系统自动采集伸长量和工具夹片外露量信息，随后系统回顶锚固。张拉过程中系统实时采集数据，并及时分析张拉力与时间、伸长量与时间、张拉力与伸长值三者之间的曲线关系，实现伸长值的动态判断，自动调控张拉力和伸长值之间的匹配，使两端张拉不同步率≤5.0%，其伸长值精度0.1mm，张拉力精度≤1.0%，实现预应力筋两端同步平衡张拉，张拉结束后系统自动上传张拉报表至铁路工程管理平台。

正常情况下，当实际伸长值与理论伸长值相差超出±6%范围外时，系统将自动提示报警，并停止预应力筋张拉作业，待查明原因，排除问题后，方可进行预应力筋张拉作业。

4.智能压浆施工

智能压浆设备采用全自动计量系统，先录入系统工程信息、梁型号、材料信息、工艺参数以及配合比等参数信息，系统按照设置的参数自动进行制浆，称量误差≤1.0%，称重传感器精度≤0.50%F.S，一键启动，自动在搅拌机中加入80%的拌和用水量，并投入压浆剂，搅拌2min后，投入剩下的20%拌和用水量，再继续搅拌2min，浆液出机流动度控制在18±4s范围内，水胶比0.33，满足浆体的流动性能。

浆体压入孔道前，先排净压浆孔道内的空气、水和稀浆后进行抽真空，真空度保持在-0.06～-0.08MPa之间时，系统会发出语音提示，关闭抽真空阀门，开启管道压浆端阀门，系统开启压浆泵进行连续压浆，注浆流量≤35L/min，当孔道内压力连续20s，保持在0.5～0.6MPa之间时，系统会语音提示进入压浆排气阶段，排净孔道内的气体，当浆液流动度相同且浆体均匀为止，孔道压力保持在0.5～0.6MPa之间10s，设备会语音提示进入保压阶段，保压时间180s，保压期间孔道压力低于0.5Mpa时，设备会自动补压。

在孔道进浆与出浆口处分别安装压力传感器装置，实时采集压力、流量等主要参数信息，系统主机分析判断，测控系统接收主机指令进行注浆的压力和流量自动调控，确保预应力孔道浆液压力、持压时间以及浓度等重要数据在标准指标的约束下完成压浆过程。

四、信息化系统在预制梁场中的应用

梁场生产管理信息系统，以信息化平台为载体、BIM技术为核心，打通各工序“孤岛效应”，应用协同平台技术、移动互联技术、数据终端以及智能化装备等新技术、新产品相结合，实现梁场生产管理信息化，有效提升预制梁产品质量，实现生产计划、生产工序、安全质量、检验记录、施工资料、出入库、产品信息等方面管理和生产情况统计分析达到生产全过程管理的信息化。

信息化進度管控体系以录入电子施工日志为基础，进而转化成生产进度报表和箱梁生产形象进度图，并把施工组织和工程进度进行实时跟踪和推演预警。信息化质量管理体系通过现场视频监控以及监测系统，从原材料进场过磅、验收、检验、混凝土拌和、浇筑等全过程监控，严把质量控制源头，确保原材料、构配件等进场材料有序可控。

在过程控制方面，通过梁场信息化管理应用，实现对施工过程数据数字化管理监控和采集，加强施工关键工序和隐蔽工程的质量控制。在工程资料管理方面，通过影像资料采集，检验批、试验报告，施工日志等资料的录入，平台 系统实现自动电子归档，通过铁路工程管理平台方便资料查阅和追溯。

信息化安全管理体系是对箱梁施工中关键工序的监控视频、测量以及人员定位信息系统加以融合，为提升施工安全防范能力，以消除安全隐患，对安全风险较大区域重点实施监控。三维数字监管体系是应用数据分类和编码、数据存储的方式，以BIM技术为中心的数字化监管体系，使每榀箱梁预制动态显示。

五、结束语

目前，智能化技术正不断的深入高速铁路工程各个领域，以其高效率、高精度、高质量、高安全、低能耗以及无人化作业等特点在高速铁路建设中取得了良好的社会经济效益。高铁城际铁路预制简支梁智能制造关键技术研究与应用，提升了预制简支箱梁的产品建造质量。随着科技发展，智能化技术还将不断的创新迭代，以更加优化的方案提升工程施工质量和生产效率。

参考文献：

[1]张公明。流程行业的“智能化工厂”思考[J].化工设计，2019.29（2）：41-44.

[2]高俊甫，张东青，乔向伟等。高铁预制梁场信息化、智能化的创新实践[J]，科技与创新，2019，（3）：9-11.

[3]孙后祥，杨基好.预制后张法整孔简支箱梁真空压浆施工技术[J].科技信息，2009.

[4]杨雯.浅谈智能张拉系统在铁路预应力简支箱梁中的应用[J].太原城市职业技术学院学报，2018.