橋梁預制梁場智慧建造數字孿生技術研究
——以京雄高速公路網SG5標段為例

孫永方 丁 杰

(中交三公局第一工程有限公司 北京 100012)

0 引言

近年來，計算機技術、大數據、云計算、物聯網等新興技術得到蓬勃發展，如何合理運用這些技術提高生產率是技術創新人員一直思考的問題。在這種背景下，數字孿生技術應運而生。數字孿生技術應用，通常是對物理實體模型建立一個對應的包含其完整信息的數字孿生體，通過傳感元件或監測設備反饋的數據更新，可以在虛擬數字孿生體中完成對物理模型全方位實時仿真。簡而言之，數字孿生就是一個動態可操作的數字模型。數字孿生技術具有物理量多、尺度全面以及功能多樣化的特點，因而被應用于產品的設計、制造、服務等領域[1]。在數字孿生體中反映的實際數據，設計人員不但可以實時觀察物理模型的動態運行情況，監控各種運行數據，還可以通過計算機技術對其進行仿真分析，優化生產方式，最終反饋給物理模型，以實現最大化的生產線產能和人員設備利用率，從而提高生產效率，加快生產進程。

數字孿生技術在智能建造領域的應用具有非常良好的前景，近年來，許多學者對數字孿生驅動車間生產的技術進行了思考和研究。陶飛等[1-2]提出了未來數字孿生驅動車間生產的技術難題，并從不同維度對信息物理融合的要點進行了研究分析。胡秀琨等[3]提出了實作裝配體模型的概念，通過數字孿生技術驅動，可以提升裝配要求高、生產周期短的車間的生產效能，為數字孿生技術改進產品裝配模式提供了可行性技術方案。郝博等[4]研究了基于數字孿生的智能裝配車間管控模式，通過算法進行資源調配，提高復雜產品裝配效率和質量。魏一雄等[5]提出了基于實時數據驅動的數字孿生車間模型框架和技術路線，闡述了異構多源數據采集與管理、真實物理行為的虛擬仿真環境、面向事件響應的數據實時驅動方法等關鍵技術。設計了原型系統，并通過車載防撞雷達組裝生產線成功驗證其可行性，為數字孿生技術在智能制造領域的應用提供了關鍵支撐。

目前國內外針對數字孿生技術驅動車間生產的理論研究越來越多，但是在應用層面的技術應用還較為缺失。本文以京雄高速SG5標段的“智慧”預制梁場為背景，闡述了數字孿生技術在預制梁場中的應用。

1 工程背景

本文依托的實際工程項目，該項目全稱為北京至雄安新區高速公路河北段主體工程5標，跨越保定市白溝新城、高碑店市東馬營鎮，全長6.833 km，京雄高速線路圖如圖1所示。由于本地區屬于平原地區，地勢相對較為平坦、開闊，地形起伏較小，人口較為密集。所以項目橋梁占比高達99.5%，為了圓滿完成橋梁架設工作，需要完成2750片預應力鋼筋混凝土T梁的預制工作。

圖1 京雄高速線路

為按期圓滿完成該預應力鋼筋混凝土T梁預制任務，使后續橋梁架設和橋面施工任務如期跟進，項目組利用數字孿生技術，就地組建智能預制梁場，梁場全景，如圖2所示。該預制梁場的數字孿生體能夠監測梁場整體生產運行情況，通過現場反饋的數據分析，可以優化施工過程，使工作更加科學智能、材料使用更加合理節約。與此同時，智能化的預應力張拉、預留孔壓漿和混凝土養護系統，也極大地提高了預制T梁的生產效率和施工質量。在數字孿生平臺合理部署下，預制T梁質量和效率不斷提高，最終如期完成了T梁預制任務。

圖2 預制梁場全景

2 數字孿生的建立

數字孿生預制梁場的建立，關鍵之處在于數據的實時性和準確性，通過孿生數據對預制梁場的實時反應，根據實際生產情況進行生產優化，以提高質量和生產率。利用數字孿生指導預制梁場的運行流程如圖3所示。

圖3 “智慧”梁場的運行

2.1 預制梁場的布置

預制梁場的合理布局是實現智能化生產的基礎，建設方案需因地制宜，不僅要實現T梁的快速預制，同時要保質保量，并且應立足安全適用、經濟合理、綠色環保的原則。本預制梁場按照“工廠化、專業化”標準進行規劃建設，統籌考慮各功能需求，如整體使用面積、梁板占地空間、工期規劃、交通道路、水電設施布置等。預制梁場主要由兩區域組成，包括生產區(制梁區、存梁區、生產保障區)和輔助生產區(倉庫、材料堆放區)，平面布置如圖4所示。

圖4 預制梁場平面布置

2.2 預制梁場的建設

預制梁場的工作空間主要由鋼筋綁扎區、制梁區、存梁區和堆料區四部分組成。制梁區配備智能液壓模板、支撐臺座、起重設備、智能養護設備、智能張拉設備和智能壓漿設備等基本設施。所有設備的數據于線上協同管理平臺建立聯系，通過線上協同管理平臺這個“大腦”進行統一指揮和生產。預制梁場生產實景圖如圖5所示。

圖5 預制梁場工作實景

2.3 數字孿生平臺

預制梁場的數字孿生體，是整個“智慧”梁場最重要的部分。本文依托中交三局自主開發的智慧管理平臺來調配預制梁生產，如圖6所示。它可以實時掌控整個梁場生產情況，該預制梁場數字孿生體能夠監測梁場整體生產運行情況，通過現場傳感器和檢測系統反饋的數據，包括車間的空間使用率、已完成進度、工人飽和情況和預制梁的合格率等數據，可對施工過程進行合理調配和優化，使工作更加科學智能、材料使用更加合理節約。通過協同管理平臺的合理調配，梁場用工可以最多達到430個，近30臺龍門吊同時工作，生產質量和效率大大提高，為施工工期的順利完成提供了強有力保障。同時，數字孿生平臺監控下的智能化預應力張拉、預留孔壓漿和混凝土養護系統，也極大提高了預制T梁的生產效率和施工質量，最終如期完成了T梁預制任務。

圖6 數字孿生平臺

3 數字孿生的應用

橋梁預制場制梁流程如圖7所示，包括清理底膜、施工放樣、綁扎肋板鋼筋、預留張拉管道、安裝模板、綁扎頂板鋼筋、澆筑梁體混凝土、梁體養護、張拉壓漿等工藝。其中安裝側模、澆筑梁體混凝土、梁體養護、張拉壓漿都由機械實現自動化操作，由如圖6所示的線上協同管理平臺統一指揮?，F將數字孿生技術管理的流程一一介紹如下。

圖7 T梁預制流程

3.1 智能模板安裝

T梁模板由專業廠家加工成型，采用智能液壓系統進行裝模、封模。T梁模板用液壓油缸和滑移軌道移動、安裝。在澆筑前同樣需要進行試拼，檢查模板性能及尺寸。試拼無誤后對其面板，用鋼絲刷進行打磨、涂油，清理干凈，防止銹蝕。側模需進行編號，以實現數據錄入，便于記錄和調整生產。智能液壓平臺對全套側模拼裝完畢并檢查合格后，開始錨固裝置，液壓模板安裝系統如圖8所示。

圖8 液壓模板示意圖

3.2 智能養護系統

蒸汽養護棚可實現預制梁的智能化養護，密閉的蒸汽養護棚可令梁體周圍的溫度和濕度相對穩定，養護棚如圖9所示。該養護棚主要由溫度監測系統，自動噴淋系統和排水系統等組成。棚底設置導軌，以實現預制梁精準入場。制梁區設置自動噴淋養護系統，自動噴淋養護系統包括儲水池、送水泵、入水管、出水管及噴灑頭等。預制梁兩側布置噴淋管，噴淋管上布置兩列噴頭，一排噴頂板一排噴側面。預制梁蒸汽養生采用框架式移動養生棚，配備蒸汽鍋爐、鋪設蒸汽管道(保溫)、燃料、檢測器材等設備。該系統可以自動調節噴淋流量和使用間隔。養護棚內的溫度、濕度等所有的現場數據均上傳至線上數字孿生平臺進行實時監測跟蹤。

圖9 智能養護棚

3.3 智能張拉系統

該系統由數字控制的電動油泵、帶有傳感器的千斤頂和具備人機交互功能的中央處理平臺共同構成，如圖10所示。該智能張拉系統可以實現張拉步驟自動化，無需手動參與，通過張拉設備自動操作，完成預應力鋼絞線的張拉施工。這種自動張拉工藝，可以自動實現既定的張拉程序。拉力穩定，精度高，誤差率低，工藝先進，可以提高施工質量，在一定程度上增加橋梁結構的耐久性。張拉步驟如下:

(1)預應力筋制作：鋼絞線按編束編號，綁好后掛牌堆放，將編號記錄到數字孿生平臺進行自動統計和管理。在穿束之前先要用清孔器進行自動孔道清理，穿束采用穿索機自動穿筋。

(2)安裝千斤頂、油泵：在安裝千斤頂、連接油泵之前進行校準，以提高張拉精度；千斤頂的噸位和工作性能都要于錨具相匹配，否則應更換相應的千斤頂或錨具。

(3)正式張拉：按照如下既定程序進行自動張拉，首先進行10%的初張拉，再分別進行20%和100%的張拉，每步張拉完持荷5 min，張拉完及時錨固。

圖10 智能張拉系統

3.4 智能壓漿系統

智能壓漿系統能夠實現自動壓漿和自動保壓工作。當預應力張拉完48 h內進行管道壓漿，梁端封錨采用細石混凝土。智能壓漿系統如圖11所示，由高速制漿機、低速儲漿桶、自動加水裝置、高壓清洗裝置、螺桿泵和電氣智能控制系統等組成。該系統可以實現智能連續壓漿，壓漿前設備檢查過后，啟動循環智能壓漿設備，即可進行自動上料、自動上水、自動攪拌等一系列工作。

圖11 智能壓漿系統

該系統可實現自動化操作，降低人工成本，且高速制漿機可使粉料和水得到充分攪合的同時大幅減少壓漿粉塵污染，并實時檢測壓漿劑質量，最大限度保障梁體預制孔道內漿體的飽和與密實。電氣控制系統可自動完成壓漿量、供水量、上料的計算，也可以維持壓力穩定，攪拌數據可溯源。

4 結論

京雄高速是連接雄安新區和首都北京的重要交通渠道，其中的SG5標段橋梁占比高達99.5%，需要大量預應力鋼筋混凝土T型梁。為完成工期，建立了“智慧”梁場和數字孿生的線上協同管理平臺。借助平臺的有效協調，梁場用工最多達到430人在場作業，29臺龍門吊同時工作，實現了產能翻番，保持月均生產T梁超600片的記錄。本文依托實際工程背景，闡述了數字孿生技術在預制梁場中的應用，以期為數字孿生技術在制造領域更加精細化的應用提供參考。