基于智慧建造的“華龍一號”鋼筋施工技術(shù)優(yōu)化研究

鄒少俊，屈 璐

(中國核工業(yè)二四建設(shè)有限公司，河北 廊坊 065001)

鋼筋綁扎工作貫穿于整個核電項(xiàng)目工程建設(shè)的全過程，鋼筋綁扎的效率和質(zhì)量成為施工工期、人力投入、質(zhì)量控制管理的重中之重，且我國建筑領(lǐng)域的人口紅利優(yōu)勢正逐漸消退。因此，提高核電領(lǐng)域鋼筋施工效率，實(shí)現(xiàn)核電建造從勞動密集型向機(jī)械化、高效化轉(zhuǎn)變而開展鋼筋施工工藝研究[1]。應(yīng)用人工智能、機(jī)器人等數(shù)字技術(shù)解決現(xiàn)場實(shí)際問題是建筑企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的工業(yè)革命，各建筑單位已廣泛開展鋼筋綁扎機(jī)器人在建筑行業(yè)的應(yīng)用研究[2,3]，主要創(chuàng)新點(diǎn)是利用機(jī)器人代替人工完成水平或立面方向的鋼筋網(wǎng)片節(jié)點(diǎn)的綁扎工作，鋼筋網(wǎng)片綁扎機(jī)器人樣式如圖1所示。

圖1 鋼筋網(wǎng)片綁扎機(jī)器人Fig.1 Reinforcement mesh lashing robot

由于“華龍一號”的特殊性，墻體立筋普遍采用直徑32 mm和40 mm的大直徑鋼筋，且鋼筋密集，施工難度較大。國內(nèi)外在用的鋼筋綁扎機(jī)器人無法滿足核電項(xiàng)目施工的需求，不具備實(shí)用性。針對“華龍一號”鋼筋綁扎施工痛點(diǎn)問題，漳州華龍科創(chuàng)團(tuán)隊(duì)從機(jī)械化、高效化、少人化的創(chuàng)新思路開展前沿技術(shù)研究，解決鋼筋施工工藝難點(diǎn)，達(dá)到降本增效的目的。

1 工程概況及施工難點(diǎn)

“華龍一號”是采用國際最高安全標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)設(shè)計(jì)的、完全滿足三代核電技術(shù)指標(biāo)的百萬千瓦級壓水堆核電機(jī)型。在“華龍一號”重大設(shè)計(jì)改進(jìn)中，將抗震設(shè)計(jì)基準(zhǔn)提高到了0.3g加速度[4]，“華龍一號”堆型核電廠鋼筋量達(dá)到了10萬t，其鋼筋量是M310堆型(二代核電廠)的4倍，墻體立筋普遍采用直徑32 mm和40 mm的大直徑鋼筋，且鋼筋密集，施工難度較大,采用傳統(tǒng)的鋼筋綁扎工藝，施工周期長、效率低。隨著建筑行業(yè)人口紅利的逐漸消失，勞動力緊缺，人工費(fèi)上浮是未來核電建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)。因此，需要優(yōu)化“華龍一號”鋼筋施工工藝來應(yīng)對挑戰(zhàn)。同時，為了提高“華龍一號”的國際競爭力和整體經(jīng)濟(jì)性，也必須優(yōu)化鋼筋施工效率，縮短建造工期。

2 “華龍一號”鋼筋施工工藝優(yōu)化研究

2.1 鋼筋綁扎機(jī)器人技術(shù)

根據(jù)“華龍一號”鋼筋工程的特點(diǎn)，鋼筋綁扎機(jī)器人主要研究思路為利用自動化設(shè)備代替人工完成鋼筋的抓取、旋轉(zhuǎn)等工作。漳州華龍科創(chuàng)團(tuán)隊(duì)共研制了3種鋼筋綁扎機(jī)器人，分別是：墻體立筋上料裝置、墻體水平鋼筋上料裝置、墻體鋼筋抓取機(jī)器人。

2.1.1 墻體立筋上料裝置介紹

墻體立筋上料機(jī)器人是利用機(jī)械設(shè)備代替人工完成立筋的抓取、調(diào)整等工作。通過操作人員手動操作控制鋼筋至待安裝螺紋連接套的上方；待鋼筋端面與螺紋連接套端面接觸后，機(jī)器人的液壓夾取機(jī)構(gòu)釋放(機(jī)械臂不動作)，人工輔助完成鋼筋螺紋的嚙合連接；操作人員選擇完成指令，機(jī)械臂將自動恢復(fù)至等待任務(wù)姿態(tài)。該裝置實(shí)現(xiàn)了墻體豎向鋼筋綁扎過程中上料、舉升自動化，大大降低勞動強(qiáng)度，且可有效避免鋼筋施工中傾倒風(fēng)險。機(jī)器人重量在5 t以內(nèi)，可通過現(xiàn)場塔吊完成垂直運(yùn)輸，滿足施工現(xiàn)場墻體施工工作面要求，示意圖如圖2所示。

圖2 墻體立筋上料裝置示意圖及實(shí)施流程圖Fig.2 Schematic diagram of wall reinforcement feeding device and implementation flow chart

2.1.2 墻體水平筋上料裝置

“華龍一號”墻體鋼筋水平段鋼筋標(biāo)準(zhǔn)斷料長度達(dá)到8.95 m，直徑40 mm鋼筋標(biāo)準(zhǔn)長度重量單根達(dá)到88.35 kg。由于墻體水平段鋼筋上下間距為200 mm，比較密集，鋼筋作業(yè)人員體力消耗過大，相對應(yīng)的間歇頻次和時長增加，一定程度制約現(xiàn)場鋼筋施工效率。

針對人工消耗量、勞動強(qiáng)度、效率等方面對作業(yè)工序進(jìn)行分解，找到對墻體鋼筋綁扎進(jìn)度影響最大的水平段鋼筋綁扎環(huán)節(jié)，發(fā)明了一種便于墻體鋼筋綁扎的上料裝置，實(shí)現(xiàn)水平段鋼筋自動化上料。作業(yè)人員只需進(jìn)行鋼筋綁扎，無需人工上料、舉升，極大的降低勞動強(qiáng)度，并且減少作業(yè)人員數(shù)量，提高現(xiàn)場鋼筋綁扎施工效率。該裝置通過正反向電動機(jī)驅(qū)動鏈條勻速傳動，舉升高度人為控制上下可調(diào)，降低勞動強(qiáng)度，減少人工成本30%以上。裝置規(guī)格尺寸較小，滿足施工現(xiàn)場墻體施工工作面要求，操作簡單快捷，示意圖如圖3所示。

圖3 墻體水平筋上料裝置Fig.3 Wall horizontal reinforcement feeding device

2.1.3 墻體鋼筋抓舉機(jī)器人

在營利性養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)里，入住老年人不僅需要日常生活照顧、疾病診治、身體康復(fù)訓(xùn)練，還需要健康咨詢、心理安慰、營養(yǎng)指導(dǎo)、臨終關(guān)懷等，因此需要有大量的專業(yè)人才來提供專業(yè)服務(wù)。但是目前廣西此類人才相當(dāng)缺乏，具有養(yǎng)老護(hù)理職業(yè)資格證書的服務(wù)人員更少。目前廣西養(yǎng)老機(jī)構(gòu)服務(wù)人員多數(shù)為40歲以上婦女，她們的文化程度普遍較低，沒有受過正規(guī)的專業(yè)護(hù)理培訓(xùn)，提供的服務(wù)基本屬于簡單的日常照料和護(hù)理。

核電鋼筋抓舉機(jī)器人系統(tǒng)主要由履帶移動平臺、液壓升降平臺、六軸機(jī)器人、鋼筋液壓夾取機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)組成。鋼筋抓取的研究難點(diǎn)在于鋼筋液壓夾取機(jī)械臂技術(shù)，漳州華龍科創(chuàng)團(tuán)隊(duì)充分利用“外腦”和專業(yè)化公司的專業(yè)能力來攻克技術(shù)難點(diǎn)，利用專業(yè)化知識解決了機(jī)械臂的抓舉難點(diǎn)問題。鋼筋抓舉機(jī)器人用于核電建造現(xiàn)場鋼筋的輔助安裝，可替代人工完成鋼筋的抓取、舉升和定位，減輕工人勞動強(qiáng)度、提高工作效率、降低作業(yè)風(fēng)險。鋼筋抓舉機(jī)器人如圖4所示。

圖4 墻體鋼筋抓舉機(jī)器人Fig.4 Wall reinforcement grasping robot

2.2 鋼筋模塊化施工技術(shù)

鋼筋籠模塊化施工技術(shù)主要思路如圖5所示，利用模塊化、機(jī)械化的理念將鋼筋綁扎的工作轉(zhuǎn)移到地面提前預(yù)制，通過垂直運(yùn)輸設(shè)備完成吊裝，與現(xiàn)場預(yù)留的鋼筋通過特制的機(jī)械接頭連接，從而將鋼筋綁扎工作移除關(guān)鍵路徑，達(dá)到縮短主線工期的目的。

圖5 總體思路示意圖Fig.5 Schematic diagram of the general idea

2.2.1 鋼筋籠模塊化施工技術(shù)可行性分析

(1)鋼筋籠連接方式選擇

常用的鋼筋連接方式包括螺紋接頭、套筒擠壓接頭，搭接連接。考慮對接精度的控制及整體性的要求，選擇套筒擠壓接頭連接。接頭由2個錐套、3片鎖片、1個保持架組成，將待連接鋼筋插入鎖片兩端、對中頂緊保持架；將錐套套入鎖片的兩端，用專用工具將兩錐套沿其軸向(內(nèi)夾)壓緊靠攏，從而利用錐角作用將鎖片向內(nèi)緊緊夾住鋼筋，實(shí)現(xiàn)連接鋼筋的目的。套筒擠壓接頭如圖6所示。

圖6 擠壓套筒連接示意圖Fig.6 Schematic of the extrusion sleeve connection

(2)鋼筋籠模塊對接就位分析

鋼筋籠模塊制作完成后如何保證豎向鋼筋與施工現(xiàn)場預(yù)留的鋼筋精確對接，是實(shí)現(xiàn)模塊化施工的關(guān)鍵，為了解決此關(guān)鍵技術(shù)問題，制作定位加固工裝對現(xiàn)場預(yù)留豎向鋼筋進(jìn)行加固。所有定位加固工裝制作完全一樣的兩套，一套用于現(xiàn)場插筋加固，另一套用于模塊制作，保證模塊豎向鋼筋的位置與現(xiàn)場鋼筋對應(yīng)。定位加固工裝示意圖如圖7所示。

圖7 定位加固工裝示意圖Fig.7 Schematic diagram of positioning reinforcement tooling

(3)模塊預(yù)制分析

為了保證鋼筋籠的整體穩(wěn)定性，并控制變形量，鋼筋籠模塊采用豎向預(yù)制，在模塊四周搭設(shè)雙排操作架進(jìn)行作業(yè)。同時，設(shè)置保證整體穩(wěn)定性的預(yù)制工裝，如圖8所示。

圖8 鋼筋籠操作架示意圖Fig.8 Schematic diagram of the reinforced cage operating frame

(4)模塊吊裝分析

根據(jù)鋼筋籠預(yù)制位置，設(shè)計(jì)合理的吊車運(yùn)行路線和起吊方式。為節(jié)省吊裝時間，預(yù)埋在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)的墻體插筋在鋼筋籠吊裝前需提前安裝雙螺套下套，鋼筋籠下方安裝雙螺套上套，并將雙螺套上內(nèi)套與外套擰至端部齊平。鋼筋籠底部四端設(shè)置溜繩，并在兩側(cè)立筋外側(cè)綁扎木方，防止套筒損壞。吊裝示意圖如圖9所示。

圖9 模塊吊裝示意圖Fig.9 Schematic diagram of module hoisting

2.2.2 鋼筋籠模塊化施工技術(shù)現(xiàn)場實(shí)施

漳州華龍科創(chuàng)團(tuán)隊(duì)選擇反應(yīng)堆廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)一個獨(dú)立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋼筋模塊化施工技術(shù)的實(shí)施應(yīng)用。

(1)吊裝工裝設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

為保證鋼筋籠順利吊裝，利用BIM(建筑信息模型)技術(shù)對鋼筋籠進(jìn)行1∶1繪制模擬，如圖10所示，將鋼筋籠涉及的物項(xiàng)荷載按設(shè)計(jì)圖紙位置完成加載，利用有限元分析鋼筋籠理論重心，進(jìn)而確定吊裝工裝的吊點(diǎn)位置，最后通過對工裝的吊耳計(jì)算、模塊偏擺計(jì)算、有限元計(jì)算、邊界條件分析等措施，確定吊裝工裝結(jié)構(gòu)形式。并采用BIM(建筑信息模型)技術(shù)對整個施工流程進(jìn)行了全過程模擬，通過BIM(建筑信息模型)技術(shù)真實(shí)地模擬施工過程中遇到問題和解決方案。

圖10 吊裝工裝有限元分析及BIM技術(shù)模擬Fig.10 Finite element analysis of lifting tooling and BIM technology simulation

(2)鋼筋籠吊裝

正式吊裝前進(jìn)行吊裝試驗(yàn)，檢驗(yàn)吊裝工裝的可靠性。吊裝試驗(yàn)分兩步進(jìn)行，第一步為額定荷載起升落地，第二步為1.25倍起吊重量起升落地，完成后對吊裝工裝進(jìn)行無損檢查驗(yàn)證吊裝工裝可行性。按照設(shè)計(jì)的吊點(diǎn)將吊具下部的吊索與模塊上對應(yīng)的吊點(diǎn)連接，檢查無誤后，起升吊鉤收緊鋼絲繩，逐步加載使之處于微受力狀態(tài)。由司索工檢查鋼架吊具下部與鋼筋籠模塊之間的花籃螺栓受力情況，對拉緊后的花籃螺栓逐一搖曳，若發(fā)現(xiàn)可晃動，則通過調(diào)整花籃螺栓長度，使每根花籃螺栓受力均勻，吊索具調(diào)整完畢后即進(jìn)行正式吊裝，如圖11所示。

圖11 吊裝示意圖Fig.11 Schematic diagram of lifting

(3)實(shí)施效果

大型鋼筋模塊施工技術(shù)創(chuàng)新，打破原有的施工方法，實(shí)現(xiàn)了由“人工”向“機(jī)械”的轉(zhuǎn)變，將核電建造“模塊化”“機(jī)械化”由理想變成了現(xiàn)實(shí)，同時避免建安交叉，減少了安全風(fēng)險。采用鋼筋籠模塊化施工技術(shù)后，現(xiàn)場實(shí)際工期消耗只考慮吊裝時間及現(xiàn)場接頭連接時間，同標(biāo)高、同部位進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋摻钅K化吊裝工效提高約62%。

2.2.3 存在問題及進(jìn)一步優(yōu)化思路

該施工技術(shù)目前主要存在的問題有：鋼筋模塊與結(jié)構(gòu)預(yù)留的鋼筋對接精度要求高；模塊預(yù)制工裝無法周轉(zhuǎn)重復(fù)利用。因此，后續(xù)對鋼筋模塊化施工技術(shù)研究的方向主要是提高工藝的通用性，將工裝設(shè)計(jì)成組裝式，能周轉(zhuǎn)循環(huán)使用，進(jìn)一步降低工藝的成本。同時，對鋼筋連接工藝進(jìn)行進(jìn)一步研究，選擇最優(yōu)連接形式，進(jìn)一步降低施工難度。根據(jù)上述思路，漳州華龍科創(chuàng)團(tuán)隊(duì)以異形結(jié)構(gòu)鋼筋模塊化施工技術(shù)攻關(guān)為標(biāo)桿模式開展直墻鋼筋模塊化施工技術(shù)研究，攻克了工裝周轉(zhuǎn)使用和套筒連接的難點(diǎn)，進(jìn)一步提高了工藝的通用性和經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)論

采用鋼筋綁扎機(jī)器人技術(shù)和鋼筋模塊化施工技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋綁扎工藝，縮短了主線工期，降低了施工難度，提高了施工效率，為類似結(jié)構(gòu)類型工程建設(shè)提供借鑒，取得了一定的經(jīng)濟(jì)和社會效益。其可以作為核電建造領(lǐng)域應(yīng)對人口紅利消退的重要應(yīng)對措施，必將會為各個核電建造參與方帶來很大益處，增強(qiáng)企業(yè)的競爭力，從而使企業(yè)在日益激烈的競爭中獲得更好的生存環(huán)境。另外，建議施工單位與設(shè)計(jì)單位形成聯(lián)動，從源頭優(yōu)化鋼筋工藝，在設(shè)計(jì)階段就確定需要進(jìn)行鋼筋模塊化施工的區(qū)域，并確認(rèn)各項(xiàng)輔助措施，減少施工單位的工作量，確保工藝的安全高效。