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交通基礎設施智能建造技術探索與實踐

智能建造是一個全新的模式,也是一個全新的概念,只有理解和掌握了智能建造模式的發展和內涵,才能根據交通基礎設施建造特點建立發展技術體系,進而在總結技術體系現狀與準確分析趨勢的基礎上,設定科學合理的目標和路徑,繼而分階段有步驟地落實。

工程建造模式發展演變

傳統建造模式以現場作業為主,工程建造各參與方缺乏協同運作和信息溝通,導致設計與施工脫節,容易造成資源浪費。設計單位在設計過程中考慮可施工因素和資源的可供應性要求較少,導致出現資源供應短缺和設計變更的現象。受施工環境及工程進度安排等因素的影響,各施工界面容易發生沖突,存在較大的被動性和不確定性,缺乏應對不確定性的能力,難以保證品質工程的實現。

面對時代要求,碎片化和粗放式的傳統工程建造方式已經面臨困境。首先是勞動力成本上升,人口紅利消失,作業環境惡劣,產業對人才和工人的吸引力越來越弱;其次是資源消耗巨大,傳統現場為主的施工會產生大量的噪聲、粉塵等污染,環境沖擊大;最后是工程品質并不樂觀,工程點多面廣,質量控制點多,受人工素質影響大。

隨著經濟社會的發展,我國越來越關注工程品質的提升。早在2016年,交通運輸部就發布了關于打造品質工程的指導意見及推進方案,文件從工程設計、管理、科技創新、質量、安全保障、綠色環保和軟實力等七個方面提出了主要實施措施,可以看出打造品質工程是一個系統工程。

工業化建造模式是采用模塊化和標準化的設計,在工廠中預制生產標準構配件,在工程現場采用機械化裝配完成工程建造。工業化建造模式能大大提升工程品質和質量水平,是打造品質工程的必由之路,是我國目前工程建造正在實踐的模式。

目前我國進入新發展階段,重要特征是經濟由高速增長階段轉向高質量發展階段,踐行高質量發展理念,打造新時代交通基礎設施品質工程,需要新一輪科技革命和產業變革。

2013年,德國提出工業4.0戰略,利用信息和通信技術,改變了當前的工業生產與服務模式,推動制造業向智能化轉型升級,引起了世界范圍內新一輪的工業轉型競賽。

2015年,我國提出中國制造2025計劃和“互聯網+”行動計劃。制造業正在經歷一場技術變革和模式創新。工程建設行業隨著移動互聯網、物聯網、大數據、人工智能及BIM技術等新一代信息技術在工程建設中的探索應用,工程建造模式也在發生根本的變革,工程建設行業開始開展智能建造模式探索和實踐。

智能建造模式是以數字化設計和打造數字基礎設施為基礎,運用現代信息技術手段實現工程建造中人、機器和資源環境的實時聯通、相互識別和有效交流,通過大數據處理平臺建立各類標準化的應用服務,實現服務共享和協同運作,進而實現安全、高效和綠色的高質量工程建造。智能建造模式是公路交通基礎設施數字化轉型和打造品質工程的模式創新和技術突破。

智能建造技術體系探索

從產業維度講,智能建造技術涵蓋公路交通、市政交通、房建工程等所有基礎設施,覆蓋從勘察設計到運營維護的全壽命周期,融合建筑、土木、材料、機械及信息等多專業。

目前,智能建造技術體系的理解和思路并不統一。經過不斷探索、總結和吸收,根據交通基礎設施的建設特點,發展建立了三層結構體系,基礎層為以信息技術、人工智能為代表的基礎科學,應用基礎層為多學科交叉融合的工程行業共性技術,應用層為工程全產業鏈智能化技術應用與實施。

交通基礎設施智能建造技術體系應用框架

基礎層八大共性技術為空間信息、云計算、大數據、人工智能、無線通訊、物聯網、傳感器和新材料。

在應用基礎層中,與交通基礎設施息息相關的是建筑信息模型(BIM)、工程增材制造(3D打?。?、模塊化標準化結構體系、工程大數據、工程物聯網、工程新材料、工程智能檢測與監測和智能機器人及自動化裝備八個方面。

在交通基礎設施全壽命周期的5個階段,需要融合采用應用基礎層的不同技術,在橋梁、隧道、路基及路面等不同結構、不同環境和不同材料,最終實現真正的智能建造。

智能建造目前基本格局是,國外發達國家引領智能建造技術整體方向,我國智能建造技術發展迅猛,矛盾和問題并存。具體表現是基礎層行業結合程度不高;應用基礎層未形成技術融合,各自獨立發展;應用層缺乏成熟技術裝備,工程應用相對偏少。

目前,交通基礎設施智能建造技術,經過國家推動和政策引導,以及行業層面的主動探索,發展十分迅猛,也取得了一定成就。智能建造技術是一個系統工程,其中BIM、3D打印及工業化建造等方面的探索已取得初步進展。

BIM是智能建造化的基礎,只有通過BIM實現數字化設計,才能實現數字驅動的智能建造。BIM技術近10年來在我國交通行業的發展尤為顯著,國家高度重視,出臺了一系列的技術政策,包括“交通強國”“新基建”等發展戰略,行業也積極響應,推進BIM技術在交通領域的發展和應用。

BIM技術趨勢是積極探索BIM技術與全產業鏈多項前沿關鍵技術的深度融合,和工程項目全壽命周期的應用貫穿。發展目標是“技術體系標準化、設計決策數字化、交通出行智慧化”,最終實現“單階段向全生命周期轉變、局部應用向全面應用轉變、單機應用向平臺應用轉變”。

工程3D打印技術以其自動化、高效率和材料豐富的特點為交通基礎設施帶來了更加豐富的結構形式,也提供了一種全新的建造技術。目前工程結構3D打印的材料主要為混凝土和工程塑料兩種,打印平臺主要為3軸桁架和6軸工業機器人。

目前,采用了BIM技術的部分示范工程及構件,體現出了3D打印技術的優勢,但在材料、工藝、設計方法、施工、質量驗收等還沒有建立起相應的標準體系。工程3D打印技術趨勢就是個性化、定制化研發與生產,目標是構件大型化、作業原位化和過程智能化,在未來實現混凝土、納米等各種材料打印的工程應用。

隨著經濟、材料、連接技術、施工設備和質量控制水平的同步提高完善,裝配構件形式多樣,預制構件連接技術逐漸成熟,但預制構件材料僅有混凝土或鋼,相對單一。

模塊化標準化結構體系的目標是“構件輕質高強化、結構全預制裝配化、預制構件智能化”,其趨勢是工業化和智能化協同發展。輕質高強材料的發展成熟和使用,將解決目前交通基礎設施預制構件“傻、大、笨粗”的固有形象。并且,隨著智能材料和智能傳感器的應用,預制構件即將成為一種具有自修復自感知能力的智能產品,在安裝時也具有自我定位的毫米級精度。

工程大數據、物聯網等技術方面,國內外給予了高度關注。西方發達國家在2012年左右就開始從國家層面進行政策引導,這些技術是實現智能建造技術的應用基礎。我國在工程大數據方面雖然相對滯后兩三年,但是發展較快,隨著各種信息模型和平臺的建立,以及傳感器布設和監控檢測數據的收集,數據量越來越大。另外,在物聯網技術方面,我國戰略規劃相對滯后兩年左右。

未來,工程大數據及物聯網等技術必須深入挖掘行業應用價值,促進與工程技術的統合,參與全過程實時管理控制。

工程3D打印技術實踐

目前,我國交通系統擁有了第一家3D打印智能建造實驗室(以下簡稱“實驗室”),擁有獨立材料實驗室、工具端研發室和獨立打印區。實驗室在交通系統最先開展工業機器人混凝土打印探索,自主開發了兩套基于庫卡機械臂的3D打印系統,實驗條件在國內處于一流水平。

經過反復測試驗證,實驗室確定了3D打印水泥基材料原材料選取范圍和配合比設計流程,制備了兩種適用于機械臂驅動的3D打印水泥基材料。實際工程驗證,該材料具備更高的溫度適應性,在5攝氏度至40攝氏度之間,成本僅為每噸500元至700元,并結合自主研制的設備、系統等,擁有較高的打印質量與穩定性。

機器人工具坐標系與空間姿態

實驗室研發的五代工具端,在打印流量、精度、效率、質量上不斷改善提升,基本實現了3D打印的工程應用。研發定型了十余種不同類型的打印擠出端,并確定了相應匹配的材料擠出速度、泵壓和機械臂移動速度,可實現不同截面形狀的打印需求。

三維斜向空間平面切片打印

實驗室智能集成了機器人打印系統所有的軟件和硬件,從拌和系統到泵送系統到機器人系統到工具端系統,實現了3D打印核心技術工廠化多設備系統精準協同的功能,明顯降低了核心技術人員數量依賴,大幅提高了打印效率,實現了系統應用及核心技術應用的可復制性,是目前在混凝土3D打印領域第一套相對完備高效的混凝土3D打印控制系統。

空間路徑擬合橋梁主拱圈打印

機器人打印系統因運動控制系統為六軸工業機器人,所以工作平面在工作空間范圍內有無限的自由度。這是工業機器人運動控制獨有的優勢,也是傳統3軸傳動系統的3D打印機的局限性。三維斜向空間打印是在傳統水平方向切面基礎上的嘗試,通過逐層變化打印路徑工作平面的角度,控制打印形體成型的方式。這種打印方式可彌補傳統水平打印的諸多不足,例如懸挑結構打印和斜向支撐打印,以及附屬部分的打印問題,具有極高的實際應用價值和探索價值。

實驗室的3D打印技術從材料和硬件設備到控制系統,以及應用場景都具有完全的知識產權。通過總結提升研發成果,在工程3D打印方面獲批了一些專利,其中矩形擠出頭的高精度打印控制技術處于國內領先地位。

從小尺寸的城市景觀作品,到大規格的人行景觀橋,工程3D打印技術正在逐步成熟。

城市景觀作品

實驗室打印的城市景觀作品——混凝土的華爾茲“中交小蠻腰”,榮獲第一屆全國混凝土3D打印創新大賽二等獎。該作品高1.5米,截面尺寸為1米乘0.5米,是實現懸挑與扭轉同時進行的測試構件,耗時40余分鐘一次性完成。驗證了材料的可靠性能與工藝的精細控制,獲得2019年第一屆全國混凝土3D打印創新大賽二等獎。

城市景觀作品“中交小蠻腰”

酒吧3D打印墻

該墻體整體尺寸為2.8米乘6米,由26塊1.2米乘0.5米的不同曲面3D打印模塊裝配組成。在七彩霓虹光影下,3D打印的特殊質感給人微醺的空間感受。該墻體在2周時間內完成制作,體現了3D打印高效率和大尺度的高自由度設計思路。

酒吧3D打印墻實現過程及成品效果

巨型Logo打印

2019年西安國際絲綢之路國際創新設計周Logo,長6.5米,高1.65米,厚10厘米,耗時兩周時間完成,分為上下兩個部分,驗證了加肋和不加肋兩種算法和路徑規劃及力學性能。

巨型Logo打印

西藏參數化隧道洞口設計與建造

羊八井隧道和當雄隧道分別以白色哈達和五彩哈達為原型,其中曲線以寶傘畫樣曲線原型為邊界,通過算法生成褶皺的質感。兩種表面肌理融合在一起象征文化民族文化交融多樣。自然舒展的曲線形態給進藏人帶來神圣舒心的感受,更體現了3D打印技術未來廣闊的應用前景。

當雄隧道

羊八井隧道

人行景觀橋

該橋全長9米,除去拱座構件以外,全部為混凝土3D打印完成。2019年建成時為國內第三座足尺混凝土3D人行景觀橋。該橋由54塊拱箱構件和44塊不同造型的護欄組成。其中護欄驗證了自主研發的開口截面路徑規劃技術,拱箱采用了前述的空間路徑規劃技術,一次成型,不需要二次處理。該橋是基于智能參數化算法,以基礎幾何形體,沿中軸線旋轉形成螺旋肌理,生成式設計而成的一座人形景觀橋。目前,正在實驗室進行異形模塊分塊大小、路徑規劃、預埋構件設置、力學性能測試。

人行景觀橋

模塊化標準化結構應用實踐

在全裝配式橋梁方面,按照一定的縮尺比,論證了采用預應力連接技術的節段拼裝橋墩抗震性能、破壞特性和工藝,提出了一新型預制拼裝橋墩連接形式——組合型外包鋼板連接,安全可靠性高,試驗證明可適用于地震烈度較高地區。同時,按照1比5的縮尺比,分別設計了抗彎試驗和抗剪試驗模型,為長大蓋梁的模塊化標準化快速建造提供了技術支撐。并且,充分利用波紋鋼板的性能優勢,提出中小跨徑最大裝配化波紋鋼腹板工字梁橋結構型式,簡化主梁構造,實施了波形選擇及連接構造等試驗驗證,為工程示范應用奠定了基礎。此外,還首次提出了全固結體系預制拼裝橋墩錐套連接構造,實現了橋梁下部結構節點施工的可檢測性和可更換性,為橋梁下部結構工業化建造提供一種新方法。

模塊化標準化結構體系已在我國多項公路工程中得以應用,并取得了較理想的效果。

杭州灣跨海大橋杭甬高速連接線公路工程

國內首次在30米至40米的中小跨徑陸地公路橋梁中應用整孔預制拼裝連續箱梁,首次針對整孔預制箱梁采用單車跨雙幅梁上運梁施工方案。在路線走廊受限的項目條件下,首次采用懸臂不對稱的大箱梁方案,技術成果達到國內領先水平。

杭州灣跨海大橋杭甬高速連接線公路工程

鄞州至玉環公路椒江洪家至溫嶺城東段公路工程

該項目全長21公里,其中鋼結構橋梁17.5公里,是目前國內最長的公路鋼結構高架橋,鋼板梁總重達13萬噸,相當于3個鳥巢、19座埃菲爾鐵塔的用鋼量,2017年5月列入國家交通運輸部首批公路鋼結構橋梁示范工程名單的首位,也是浙江省首條被列為全國公路鋼結構橋梁典范的工程。

鄞州至玉環公路椒江洪家至溫嶺城東段公路工程

深圳梅觀高速公路清湖南段市政道路工程

該項目連接方法所用材料均為傳統材料,施工工藝簡單方便,可直接使用既有的質量檢驗評定標準。與既有的連接形式相比較,現場施工工序少,大大提升了施工效率,并使施工質量得到了最有效的保障,3個小時左右可以施工完成兩個墩柱,體現了快速化施工,緩堵保暢效果極其明顯。

深圳梅觀高速公路清湖南段市政道路工程

浙江溫州飛云江大橋項目

飛云江大橋是我國首座應用裝配化波紋鋼腹板工字組合梁的橋梁,在相同荷載標準下,梁高、材料指標及吊裝重量皆優于既有裝配式T梁和鋼結構橋梁,為波紋鋼腹板在中小跨徑應用提供了技術支撐,填補了國內此類橋梁的空白。

浙江溫州飛云江大橋項目

深圳機荷高速改擴建工程

該項目總長42.35公里,首創立體改造雙向十六車道,具有大交通量、高度城市化和超大規模的工程特點。創新點在于是國內最大規模的全裝配化建造項目;是全國第一套基于云計算的節段拼裝箱梁橋設計系統,設計效率成倍提高,極大減少了橋梁設計繪圖人員,從400名降為150名;是首座錐套連接技術預制拼裝橋墩,滿足全固結連續剛構體系橋墩底部反復拉壓的安全性能和耐久性能。

深圳機荷高速改擴建工程

杭甬高速復線-UHPC-NC組合蓋梁輕量化建造成套關鍵技術

蓋梁是全預制裝配式橋梁模塊化建造需要克服的堡壘,在預制分塊、連接方法、重量方面都不完善,超高性能混凝土的使用提供了一種方法。采用140兆帕的UHPC-NC組合結構,六車道33.5米的蓋梁從原先采用預應力混凝土現澆的572噸減輕到200噸,使工廠化預制和現場運輸安裝變成了可能。材料的制備工藝、長大薄壁構件的制作工藝及運輸安裝的穩定施工工藝已經論證,目前正在進行模型試驗。

杭甬高速復線-UHPC-NC組合蓋梁輕量化建造成套關鍵技術


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