基于BIM技術的鋼筋智能化加工技術研究

胡 勇 邸克孟 馮 銳

(中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，西安 710032)

引言

鋼筋是建筑工程行業必不可少、十分重要的材料，占到結構工程的35%到40%左右。由于其價格高昂，使用量大，是項目控制成本的重點之一[1]。目前鋼筋加工主要有兩種方式，一種是分散加工，即每個單體工程建一個小型加工棚，這種方式鋼筋加工設備簡單、效率低下、質量參差不齊，尤其是浪費較為嚴重，據不完全統計，分散加工的鋼筋損耗率一般在10%以上。另一種是鋼筋集中加工，項目建立統一的鋼筋加工廠，這種方式采用數控鋼筋加工設備，標準化程度較高，提高了鋼筋加工質量和效率，但是鋼筋翻樣仍采用人工翻樣，下料順序僅在單構件中組合，工人在下料時僅是手動操控依次下料，同樣產生大量的鋼筋余料，并且各數控設備相互獨立，未實現鋼筋智能自動化加工。

近幾年，隨著建筑業轉型升級，鋼筋工程的管理方式逐漸由粗放式管理轉變為精細化、信息化管理[2]，如何利用BIM、二維碼等信息技術實現鋼筋智能化加工，最大限度利用余料，降低鋼筋成本是我們研究的重點，而從鋼筋BIM建模，導出鋼筋下料單，到自動優化鋼筋下料方案實現綜合套裁，再到與數控鋼筋加工設備之間無縫銜接是實現鋼筋智能化加工的關鍵。

1 項目背景介紹

新建京張鐵路北京動車所包含房屋25座，建筑面積59 712m2(其中六線檢查庫建筑面積29 292m2)，圖示鋼筋用量5 764t。項目建設一座鋼筋智能化加集中加工廠，利用BIM技術，結合鋼筋數控加工設備，進行鋼筋智能化加工技術研究。

圖1 鋼筋智能化加工管理系統流程圖

系統流程：首先利用BIM鋼筋翻樣軟件進行鋼筋翻樣建模，復核鋼筋數量，然后將生成的配料單導入系統進行自動下料優化、綜合套裁，系統在保證最大限度利用余料的情況下，自動計算各型號鋼筋剪切數據，并將最終下料單生成二維碼，最后數控加工設備通過識別二維碼，自動進行剪切、彎曲加工。

2 鋼筋翻樣軟件選擇及接口設計

隨著信息技術的發展，鋼筋電子翻樣代替手工翻樣已成必然趨勢[3]，它以其速度快、精度高、操作便捷等諸多優勢已在建筑行業大規模推廣。通過表格導入、構件法、BIM建模法等多種方式實現各種構件的翻樣計算，并輸出想要的鋼筋下料單，由于BIM技術具有三維可視化的優勢，既可直觀核算鋼筋數量，還可對鋼筋進行精細布置和優化，所以本文主要采用BIM建模法。

目前，國內可實現鋼筋翻樣的BIM建模軟件眾多，包括廣聯達、魯班、Revit等。考慮到Revit鋼筋建模較為復雜，并且在導出的鋼筋明顯表中無法包含鋼筋大樣圖。魯班和廣聯達均能實現鋼筋快速建模，但魯班更側重于精度和算量，廣聯達更側重于方便易用性，市場占用率更高，應用更為廣泛，因此本課題選擇以廣聯達導出的鋼筋明細表作為標準數據進行研究。

圖2 廣聯達鋼筋翻樣建模并導出明細表

由于廣聯達導出的鋼筋明細表為Excel格式，故針對Excel文件格式進行導入接口設計。

此外，因廣聯達BIM鋼筋翻樣軟件[4]是通過對照平法圖集規范來創建模型，主要適合于房建工程。為了應用的廣泛性，我們針對無現成鋼筋明細表的橋隧、涵洞等工程，設計了手動輸入的數據接口。在系統中預先設計了橋涵鋼筋工程常用信息的鋼筋明細表，建立了橋涵的鋼筋大樣圖庫，用戶通過手動輸入鋼筋信息并綁定大樣圖，可起到廣聯達模型導出鋼筋明細表同樣的作用。

本研究現階段以上述兩種接口為主，并留有備用二次開發接口，待其他BIM軟件、算量插件成熟后，軟件及時進行接口對接，也可適用于其他同等功能的BIM軟件及其鋼筋明細表。

3 基于BIM的鋼筋綜合套裁方法

綜合套裁方法的優劣會直接影響鋼筋損耗率及鋼筋工程的造價成本。基于前期的BIM模型和兩種接口導入的鋼筋工程數據，建立一個完善的鋼筋綜合套裁方法是核心技術之一。

3.1 影響鋼筋綜合套裁工況分析

(1)鋼筋彎曲調整值

鋼筋在彎曲過程中，內皮縮短，外皮伸長，中心線不變，彎曲處變成圓弧，而鋼筋下料尺寸是每根鋼筋切斷時的直線長度為中心線尺寸，并非圖示尺寸。為確保鋼筋套裁的準確度，鋼筋下料長度需充分考慮鋼筋強度等級、鋼筋直徑、彎曲形式等諸多因素進行鋼筋單長修正。

圖3 Excel導入和人工錄入接口設計

圖4 彎曲調整值設定

表1 彎曲調整值默認設置

廣聯達軟件已具備自動進行彎曲調整值修訂功能，可直接使用導出數據，本次研究根據《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》(TB10424-2010)和《鋼筋混凝土結構工程施工質量驗收規范》(GB50204-2015)規定加入彎曲調整功能以便手動輸入數據或后續BIM軟件接口設計。

(2)定尺選擇

鋼筋定長度直接影響鋼筋下料損耗率，以全排列算法角度分析，一般定尺越長，組合方案越多，優化的約束條件也隨之增加，同時優化效果也會更好，目前市場上鋼筋定尺長度通常為9m或12m，因此需要設計為可選擇定尺長度。

(3)規范要求

原則上首先對導入或手動輸入的鋼筋明細表中，按照強度等級、直徑進行分類，優先對同規格的鋼筋進行套裁組合、優化處理。針對部分規范許可的情況，允許鋼筋以大代小，進一步提高鋼筋原材料的利用率。

3.2 優化算法

要進行鋼筋綜合套裁，確定下料順序，實現長短搭接的最優化，最核心的技術就是優化算法的選擇。在國內外學者關于鋼筋下料優化的相關論文中，采用啟發式算法的學者占較大的一部分[5-8]。啟發式算法比較容易實現并行化。但是，也存在一定缺陷：如參數難以設置調整，算法模型隨機性較大、容易早熟導致結果不佳等。

為在更高的精度范圍內求解出最優的鋼筋下料方案，研究中未采用遺傳算法、模擬退火算法等啟發式算法，而采取改進整數規劃算法來進行求解，整數規劃求解的效果及精度遠高于啟發式算法。傳統整數規劃算法在鋼筋下料中應用較少，其主要原因在于鋼筋下料優化屬于大規模優化問題，傳統整數規劃在建立數學模型時，容易陷入NP完全問題而無法建立出完善的數學模型，導致后續求解無法進行。我們對傳統整數規劃算法進行了優化改進，首先通過設定方案閾值，保障鋼筋下料優化數學模型建立精度，并針對在有限時間內無法建立數學模型的鋼筋批次，提出了拆分方法，綜合考慮了時間自由度與空間自由度，使得在有限的時間內建立出質量精度較高的數學模型，再分別通過單純形法和割平面法進行求解。

3.3 鋼筋綜合套裁方法驗證

為了驗證算法的實用性，將通過參考文獻中的算例進行試算對比。文中所計算的例子均在主頻為3.50GHz，內存為4GB的計算機上完成。

案例：原材料長度L=1000，原材料數量足夠，所需要切割的鋼筋成品長度和數量如下表所示，求最優下料方案(不考慮切口損失)[8]。

表2 案例數據

表3 本文算法計算結果

由計算結果可以看出，本文所用算法總共使用鋼筋原材料15根，對原材料的綜合利用率為97.4%，使用AB分類法[9]進行計算，使用了17根原材料，對原材料的利用率為85.9%； 此外，用啟發式算法[10]和模擬退火算法[11]均使用原材料共16根，對原材料的利用率為91.3%。整體而言，本文所提出的鋼筋下料方法效果最佳。

3.4 鋼筋綜合套裁方案經濟比選

目前，市場上鋼筋主流定尺長度一般有12m或9m，不同定尺長度鋼筋單價不同，如每噸9m定尺的鋼筋材料價格比每噸12m定尺的價格高50～100元不等，因此考慮鋼筋損耗的同時，還需綜合考慮降低損耗的經濟效益，必須對9m和12m定尺的套裁方案結合用戶輸入的鋼筋單價，進行經濟比選、方案推薦，最大限度使鋼筋成本降到最低。

圖5 經濟比選結果

4 數控鋼筋加工設備數據接口設計

鋼筋綜合套裁后確定的鋼筋下料順序最優方案以Excel格式輸出保存，數據包含切割所得的每根鋼筋具體的使用標段、單位工程、樓層、構件名稱、直徑、鋼筋大樣圖、單長、根數、總長和總重等有效信息，以便于技術人員和鋼筋工隨時查閱。

圖6 鋼筋大樣圖

圖7 加工信息編碼標準

要實現智能自動化加工，還需要將鋼筋下料方案與數控鋼筋加工設備無縫對接。目前市場上已有部份鋼筋加工設備廠家設計研發了智能數控加工設備，但是不同廠家、不同設備接收的數據格式和數據傳輸方式各不相同，通過研究多個廠家所生產數控鋼筋加工設備，分析底層數據運作機制，結合下料方案中鋼筋加工信息的數據特點，我們采用了基于二維碼技術的鋼筋加工信息編碼標準。

數據接口標準合計660個0-9純數字字符，其中，首端4位綠色為圖形標號，最大300， 4位紅色數字字符代表加工數量， 4位藍色字符代表鋼筋直徑， 4位褐色代表加工類型， 4位紅色區域代表底邊長度，綠色區域代表左邊鋼筋段長度，黃色區域代表左邊角度，緊鄰藍色為左邊長度補償，灰色為左邊角度補償； 粉色區域為右邊鋼筋段長度，藍色區域為右邊角度，緊鄰藍色為右邊長度補償，灰色為右邊角度補償。

圖8 輸出鋼筋下料二維碼并掃碼加工

基于上述鋼筋加工信息編碼標準，結合鋼筋大樣圖，通過計算機視覺技術，提取鋼筋大樣圖中的信息，并按照順序儲存在編碼中。結合預先設定的圖形標號、加工數量、鋼筋直徑、加工類型等參數，便可生成660位鋼筋加工信息編碼，后將編碼儲存為二維碼，生成二維碼料單，鋼筋數控加工設備通過掃描二維碼實現鋼筋自動加工，也可將鋼筋數據存儲到云端數據庫，通過物聯網技術與數控鋼筋加工設備無縫對接，供數控鋼筋加工設備下載掃碼加工。

5 鋼筋加工銘牌設計

最后，為便于鋼筋成品的分類存放及統一配送管理，實現鋼筋加工配送精細化管理，結合工程需求，為系統開發了鋼筋加工銘牌自動生成功能，系統通過提取導入鋼筋明細表中的鋼筋型號、使用部位、編號、根數、大樣圖等信息，以預定的格式批量導出鋼筋加工銘牌。

圖9 鋼筋加工銘牌

6 應用效果分析

我們以北京北動車所施工進度相同的信號樓、運轉整備綜合樓及垃圾樓三座房屋為例，通過對HRP400Φ22鋼筋加工單構件組合和綜合套裁后的鋼筋損耗情況進行對比分析，結果如表4：

表4 單構件鋼筋套裁數據統計分析表

通過表4可知，單構件套裁優化后鋼筋平均最低損耗3.385%，優化效果比較明顯； 在分析統計過程中，我們綜合考慮了鋼筋采購單價及降低損耗率兩項指標。

通過表5可知，多構件鋼筋綜合套裁后，鋼筋損耗為0.89%，遠小于單構件鋼筋套裁損耗3.385%，說明構件鋼筋綜合套裁有效地降低了鋼筋損耗率，節省成本。

表5 鋼筋套裁數據統計分析對比表

7 結論與展望

通過利用BIM、二維碼等前沿信息化技術，結合智能加工設備，徹底解決了現階段鋼筋工程中鋼筋損耗嚴重和智能化水平低的問題，既提高了工作效率，又減少了鋼筋浪費，使鋼筋損耗率控制在1%以內，極大地節約了鋼筋成本。

本研究現階段主要以市場上最成熟的廣聯達鋼筋軟件為切入點，設計對應接口，后期隨著Revit、魯班等軟件針對鋼筋翻樣功能成熟后，會開放對應的API，實現多軟件、多表格、多格式的無縫對接； 在優化綜合套裁方面，引入機器學習技術，實現更加智能、更加優化的鋼筋綜合套裁； 在智能加工方面，將完善數控設備掃碼、無線網互聯、云平臺操控等功能，進一步實現滿足工程要求的鋼筋智能加工。

隨著鋼筋集中加工及配送技術不斷發展，鋼筋集中加工綜合套裁在降低鋼筋損耗，節省成本方面將有廣闊的應用前景。