鋼結構工程全生命周期管理平臺在高鐵站房工程中的研究與應用

曹少衛 嚴心軍 董無窮2 鮑大鑫

(1.中鐵建工集團有限公司建筑工程研究院，北京 100070； 2.中鐵建工集團有限公司北京分公司，北京 100070)

引言

隨著我國經濟社會的高速發展，我國大中型城市都陸續建設出了不少具有地方特色、造型優美、復合交通的高鐵站房，成為了城市地標性建筑，如北京至張家口鐵路清河站站房工程、北京至雄安新區城際鐵路雄安站站房工程。兩者基于鋼結構工程，塑造極具文化特色的建筑造型，展現了古典大氣的中國式美。

鋼結構因為具有自重較輕、強度高、抗震性能好、工業化程度高、施工方便、造型設計自如等眾多優點，被大量地運用在高鐵站房的建設當中，鋼結構分部工程從施工體量方面占據了工程的舉足輕重的位置。

在鋼結構工程的建造歷程中，不斷吸納信息化、智能化、綠色化的技術及成果，基于BIM技術、智能制造系統、智能機器人、構件編碼追溯系統等技術，逐步實現了智能數字化鋼構加工生產，推動鋼結構工程成為了智能化建造領域的代名詞。

而要實現鋼結構工程的智能化生產管理，就需要對鋼結構工程從設計階段開始、直到結構交驗階段展開全面而深入的研究。建筑工程研究院自2018年起開始鋼結構全生命周期的研究與應用，經過多個大型站房的實際應用，聯合鋼結構廠商深入技術交流，建筑工程研究院在鋼結構深化設計、原材控制、預制加工、構件及焊縫編碼體系建立、安裝、構件追溯等方面已經具備了較好的基礎和條件，力爭實現全生命周期的管理。

1 工程概況

北京鐵路樞紐豐臺站改建工程推廣應用。該工程站房建筑總面積約40萬m2，車站設計規模為17站臺32線，是我國首座采用雙層立體車場的大型客站(如圖1所示)。

圖1 北京鐵路樞紐豐臺站改建工程

中央站房主體及東西站房均采用框架結構體系，框架柱均為田字形或口形鋼管混凝土柱，西站房及中央站房框架梁采用勁性鋼骨混凝土梁，東站房樓層框架梁采用焊接箱型或H型鋼梁。屋蓋鋼結構分為高速場屋蓋和中央站房進站廳屋蓋兩部分，結構采用鋼桁架加十字形鋼柱體系。進展廳屋蓋南北向主桁架最大跨度41.5m，東西向主次桁架跨度20m，中央站房南北兩側懸挑16.2m。

圖2 北京鐵路樞紐豐臺站改建工程豎向構造圖

中央站房主體采用鋼筋砼框剪結構+防屈曲支撐、矩形鋼管砼+鋼梁+防屈曲支撐，以及矩形鋼管砼+型鋼+鋼筋砼梁結構形式。進站廳屋蓋及高速雨棚采用十字形鋼管混凝土柱+鋼箱梁或鋼桁架結構。鋼結構軸網寬度方向柱間距東西向20.5m，南北向21.5m，框架梁大量采用勁性鋼骨混凝土梁，以及局部采用鋼骨混凝土梁，鋼結構工程量約20萬噸。

圖3 中央站房主體鋼結構框架

2 全生命周期總體方案策劃

本文依托于“北京鐵路樞紐豐臺站改建工程”項目，對鋼結構工程實體進行分析編碼，形成鋼結構構件編碼、鋼結構構件焊縫編碼體系，使得每個構件都有獨立的編碼，作為唯一的身份標識參與到從構件設計到驗收全過程管理； 通過對高鐵站房鋼結構工程建設進行分析，開展鋼結構全生命周期6S管理平臺研究，實現設計、深化設計、預制加工、物流運輸、現場安裝、竣工交驗的信息無縫傳遞[1]，以及鋼結構構件級別的可追溯性，提升了項目精細化管理水平，實現鋼結構BIM全生命周期智能建造新模式。

圖4 鋼結構全生命周期管理平臺

編碼管理是鋼結構管理的核心，也是追溯構件及焊縫信息的基礎，構件編碼必須唯一，才能有助實現鋼結構全生命周期管理平臺對鋼結構構件級別的管理。根據高鐵站房的特點，構件編碼由五部分組成，各部分用“-”連接，部分字段可以為空。“分區”是指區域劃分； “定位”是指對樓層及屋面區域進一步細分； “分段”是指在對“鋼柱”分節后，進一步細分段； “構件類型”是指鋼結構實體進行劃分，如“鋼柱”、“鋼梁”、“鋼樓梯”、“屋面桁架”等； “分節”或“順序號”是指對某種類型的鋼構件的一種劃分方式，分節對應于鋼柱； “流水號”是指某種構件類型的構件具有多個相同或類似構件，需要增加流水號加以區別。

表1 鋼結構構件編碼示例

3 鋼結構全生命周期6S管理

鋼結構全生命周期管理(以下簡稱6S管理)包括：設計階段、深化設計階段、預制加工階段、物流運輸階段、現場安裝階段、竣工交驗階段[2]。

圖5 6S管理階段

各階段的模型構件以不同顏色區分，在平臺上能總體顯示鋼結構的總體進度情況，當前構件的詳細信息，以及6S階段信息，平臺共建設8個模塊，覆蓋鋼結構從設計、加工到現場安裝等6個階段16個環節管理，無縫拓展至運維階段，降低管理成本，提高管理效率[3]。

3.1 設計階段

設計階段，主要管理內容有圖紙管理、圖紙會審以及設計變更管理。為方便用戶快速查找和使用圖紙，建立圖紙管理系統對圖紙進行有效的組織管理[4]，并自動對同一存儲節點下相同名稱圖紙進行版本管理，且支持用戶對最新版本的圖紙文件自動打包、壓縮包下載，實現便捷的圖紙標準化資源共享。

圖6 設計階段模型

為保證施工階段BIM應用工作順利開展，在設計階段就對設計BIM模型、成果進行審核，由施工總包組織設計院、監理單位、BIM顧問等相關方聯合審核，在平臺中形成審核記錄[5]，并搭建一套以變更為核心的管理模塊，從變更信息至設計變更各流程，通過對變更信息的綜合管控，讓變更的每一個環節都可控，可回溯。

圖7 6S管理階段

3.2 深化設計階段

深化設計階段建立在深化設計工作的基礎之上，主要包含深化模型建立環節和圖紙確認環節[6]。

平臺記錄深化模型構件的詳細深化成果及其完成時間，完成對深化成果的認證，并發布為管理工作的基礎數據，并且單獨將每一個構件的高精度模型與GIS/BIM場景中構件通過構件編號進行掛接，實現了具體構件的高精度模型在線查看及操作瀏覽。

圖8 深化設計階段

圖紙確認環節，由施工總包組織設計院、監理單位、BIM顧問等相關方聯合對深化成果的圖紙進行審核，并對深化圖紙簽認。

圖9 鋼柱節點深化圖紙

3.3 預制加工階段

預制加工階段中，通過與鋼結構工廠建立戰略合作，制定數據交換標準，根據設定的頻次或由平臺主動發出指令之后，工廠生產管理系統通過數據庫接口及協議向平臺傳輸數據，平臺能夠訪問鋼結構工廠生產管理系統數據庫，獲取運原材料進場、加工等信息，實現全過程可追溯。

圖10 預制加工階段的數據追溯

在預制加工階段，界面中顯示整個項目鋼結構構件的整體信息，整體信息包括智能下料、智能切割、智能焊接等。智能下料能夠顯示當前工程鋼結構構件生產數量、耗材數量，當前下料利用率是多少； 智能切割則突出顯示經過智能切割設備切割后的構件，構件綁定智能設備切割本構件的照片； 構件智能焊接欄綁定智能設備焊接本構件的過程照片。

預制加工階段進一步細分為：原材入庫環節、下料切割環節、虛擬預拼裝環節、交驗環節。選中單個鋼結構構件后，自動顯示選中鋼結構構件的數據到當前最新環節。

原材的入庫環節展示當前構件的鋼板合格證以及鋼板檢測報告、入庫時間。

圖11 預制加工階段構件信息

圖12 預制加工階段詳細信息(及鋼板合格證、鋼板監測報告

下料切割環節展示當前構件的下料切割設計，包括圖紙以及切割視頻，以及實際下料切割完成時間。

圖13 鋼結構構件下料切割

虛擬預拼裝環節：為保證鋼結構拼裝的正確性、降低返工率[7]，實行虛擬預拼裝，虛擬預拼裝的主要形式為加工實體構件的三維掃描模型和設計模型比對、工廠虛擬預拼裝，并對過程留存影響資料作為過程資料。

交驗環節展示當前構件出廠合格證、構件粘貼二維碼的照片、驗收時間。

3.4 物流運輸階段

物流運輸階段是指鋼結構構件已經處于裝車運輸階段。6S管理中實行全過程跟蹤，主要體現在運輸過程中的車輛狀態和運輸過程記錄，包括過程影像資料、運輸材料和工具信息以及材料驗收記錄。并且通過在運輸車輛搭載定位裝置，平臺還能實時獲取到車輛位置信息，以及車輛運輸的軌跡。

圖14 構件運輸GPS追蹤

當構件處于已進場狀態時，由施工技術人員對構件進行進場驗收，在驗收過程中，記錄驗收的照片和視頻。

3.5 現場安裝階段

現場安裝階段，是記錄和管理鋼結構工程現場安裝作業的重要階段，6S管理平臺在該階段中，顯示整個項目現場安裝階段鋼結構構件的整體信息，主要體現在智能預拼裝、智能焊機、焊縫監控、安全管理以及質量管理等方面。

3.5.1 智能預拼裝

在鋼結構工程現場拼裝前，可以通過6S管理平臺獲取到相應的鋼結構節點拼裝資料，作為鋼結構構件合格的取證，并為現場拼裝作業提供專業的拼裝指導。選中構件，可以查看到在預制加工階段上傳的關鍵構件虛擬預拼裝的三維掃描視頻和照片素材，并且界面上有該構件實體與設計模型的色差圖結果，以及兩個相鄰構件的預拼裝結果，使拼裝工作有技術依據支撐。

圖15 鋼結構節點拼裝資料

構件實體與設計模型的色差分析結果是經過嚴格的檢測流程進行評定的。該項工作主要通過現場掃描儀器掃描構件形成點云文件，繼而通過與Tekla鋼構件模型進行軟件對比分析，最后形成報告結果。

圖16 色差分析過程影像記錄

圖17 色差分析流程

圖18 色譜分析報告

3.5.2 智能焊機

智能焊接全部納入平臺管理之中，并通過不同的顏色標識焊機的狀態：灰色表示未用狀態，綠色表示正常狀態，黃色則表示報警、故障狀態。平臺上可查看當前工作焊機的設定參數、實時電流以及電壓值。對于有焊機中報警提示的項，通過查看具體報警情況從而對設備進行有針對性的維修，極大地增長焊機的使用壽命，且保證了焊機的使用率[8]。

圖19 智能焊機設備監控模塊

圖20 智能焊機焊接場景

3.5.3 焊縫監控

平臺的焊縫監控模塊，對鋼結構現場焊接環節收集的數據進行匯總分析，并設置預定的預警提醒，當到達觸發條件時，平臺自動發出預警信息，通知相應人員執行具體動作。例如，焊縫管理中，一些焊縫班組的合格率在一個時間段低于設置的閾值，平臺發出預警，將收集的數據通過圖表形式多維度展示出來。

圖21 平臺焊縫管理數據展示

檢測通過超聲波探傷儀器進行焊縫的質量分析，并將每道焊縫的檢測過程照片、檢測人員和檢測結果形成記錄進行上傳，構件出廠時也將附帶檢測過程資料和檢測報告，使得每一個出廠的鋼結構構件焊接都有質量保證，并且資料真實且具有可追溯性。

圖22 焊縫監控平臺

圖23 鋼結構構件探傷檢測

3.5.4 安全管理

隨著高鐵站房鋼結構工程建設規模的不斷擴大，施工難易程度以及施工危險性都相對增多[9]，施工面積較為集中，機械設備和材料的轉運頻率高，人員流動性大，管理系統將鋼結構工程的安全管理進行平臺化，實時盯控施工安全要點，嚴守安全技術交底，在“安全管理”模塊中顯示鋼結構整體安全狀況，首界面展示安全技術交底份數、安全問題分類餅狀圖、近期下發的安全管理相關資料，對高發頻發問題實施預警并紅色展示。

3.5.5 質量管理

平臺會展示鋼結構整體質量狀況，如技術交底份數、施工工藝視頻總數、焊接工藝評定總數； 質量問題分類餅狀圖，對高發頻發問題實施預警并紅色展示。

每一個單獨構件自動綁定質量資料，查看選中構件的技術交底、施工工藝、焊接工藝評定、質量檢查與驗收信息等。在選中的構件上錄入或批量錄入技術交底、施工工藝視頻、焊接工藝評定、質量驗收等資料。查看近期下發的質量管理相關資料。

圖25 安全管理

圖26 質量管理

3.6 健康監測

豐臺站全生命周期管理在研發期，基于無線傳感網絡技術，制定了在鋼結構領域的健康監測應用計劃，并投入開發應用。根據項目特點及監測方式劃分為人工監測、自動監測及聯合監測，實現了對設備的實時數據監測，達到監控鋼結構生產質量的目的。

圖27 監測方式

3.6.1 焊接健康監測

為規范和監控鋼結構焊接質量問題，在工藝管理中，以聯合監測的方式，設置焊接規范設計、焊接規范分配、焊接規范下發、焊接履歷報表及焊接波形查詢等管理模塊，其中焊接波形查詢為焊機設備的工作狀態進行健康監測，通過監測焊機設備的焊接電流、焊接電壓，根據電流及電壓的波形確定焊縫質量及設備運行狀態。

圖28 焊接過程

平臺與設備間通過物聯網技術實現了作業班組、設備ID、焊接時間記錄、焊接規范符合率、焊接電流及電壓的均值和波形等數據的實時監測[10]。

圖29 設備電流電壓監測

3.6.2 鋼結構安裝健康監測

為規范和監控鋼結構構件生產質量問題，在預制加工工序中，以聯合監測的方式，確定各階段的三維掃描方案，并根據掃描方案的范圍，實行鋼結構構件的三維掃描，并通過軟件對掃描模型及Tekla標準模型進行比對分析，實現鋼構件質量的監測。

圖30 鋼構件現場掃描

圖31 鋼構件掃描監測結果

4 結論

豐臺站全生命周期管理開啟了鋼結構管理的新方式，克服了傳統鋼結構工程施工管理過程中信息流傳遞缺失、可追溯性差以及工期緊任務重的管理困難。從設計、深化設計、工廠加工、物流運輸、現場安裝、結構交驗實現了完整統一的信息化管理，與土建、機電、內外裝修、幕墻等專業密切配合。嚴格有序把控、記錄每道施工工序，實現施工各方線上協作管理。并且隨著國家5G技術的快速部署和全面應用，云處理技術、大數據分析技術、人工智能技術等新基建的應用，模型輕量化會進一步優化、便捷，數據傳輸速度大大加快，全生命周期管理模式在鋼結構信息化管理方面將體現出越發明顯的優勢，鋼結構全生命管理必將有廣闊前景，必將促進鋼結構工程更加機械化、工業化、綠色化、智能化，值得大力推廣。

鋼結構的全生命周期管理平臺還集BIM技術、GIS技術、智能設備、二維碼技術、IOT技術以及云計算等技術于一身，并且依托加工基地的智能全光網及設備間的多種通訊技術，達到智能建造的目的，實現了包含智能套料、智能切割、智能焊接、智能預拼裝、智能焊機等一系列智能施工應用，以及施工中視頻、環境、塔吊、基坑、大體積混凝土和人員等監控監測生態管理，是融合施工先進技術的綜合型應用。