鐵路混凝土箱梁智能化預制技術研究

郝旭苗

（中鐵十二局集團第一工程有限公司，陜西 西安 710000）

鐵路混凝土箱梁預制施工過程中，各施工環節都需要技術人員參與，并應用自動化或者半自動化的機械輔助施工，智能化程度相對較低。隨著科技的發展，我國智能化設備以及技術已經出現在了鐵路建設過程中，互聯網技術、移動通信技術、大數據以及人工智能等先進的現代化技術正在融入生產、生活以及建設中，甚至已經有部分行業的智能化設備逐漸取代了人工操作。當前我國的鐵路混凝土箱梁預制施工中，傳統施工方式的效率、施工質量較低，并且各種人工以及設備成本的支出較大，這些施工現狀已經和新時期我國鐵路的智能化發展相背離，因此有關研究人員以及建設單位要加強對現代化新興技術的應用，將各種智能化技術應用到鐵路混凝土箱梁施工過程中，對混凝土箱梁預制生產和施工進行智能化革新，促進鐵路混凝土箱梁施工效率的提升，降低混凝土箱梁施工成本，保障鐵路工程建設的質量。

1 現代化新興技術的應用

1.1 預制梁場的智能化設計

鐵路混凝土箱梁施工需要建設預制梁場，各種智能化技術和設備的出現為構建數字化孿生梁場提供了重要的輔助。可以借助無人機的傾斜攝影技術，采用GIS 技術、計算機技術以及相應的GIS 軟件等形成具有真實性、準確性的空間坐標信息，然后將有關數據輸入BIM 軟件中，創建鐵路混凝土箱梁預制梁場的制作區、存放區、材料區、倉庫以及辦公區等區域的模型，在各區域模型中，以預制梁場制梁區為例，借助BIM技術也可以將各種設備模型以及預制箱梁模型進行建設，并對整個預制過程進行模擬，借助虛擬三維模型對現實的智能化梁場建設進行分析，為鐵路混凝土箱梁智能化預制技術的應用奠定基礎。[1]而在對數字孿生梁場打造的過程中，借助模擬可以及時發現各區域以及預制過程中存在的問題，有關的技術人員可以對模型的參數數據按照需求進行針對性的調整。同時智能化預制梁場的設計以及模型可以為企業提供可視化、直觀、真實的梁場布置情況。其次，智能化預制梁場中，會對生產大數據互通技術進行應用，在鐵路混凝土箱梁預制的過程中對各項生產設備以及施工工序的數據收集到大數據平臺中，借助設定程序以及數據的互通去保障各工序的有效銜接以及正常生產，大數據平臺會對收集到的各項參數進行分析并與原定設備參數、預制梁質量參數進行對比和評估，實現對智能化預制梁場生產設備運轉以及施工質量的評估，提升了預制梁施工過程中各工序之間的連接，也可以促進生產效率以及質量的提升。

1.2 預制梁的智能檢測

進行鐵路混凝土箱梁預制時，需要對預制完成的產品進行檢測，在檢測的過程中會借助傳統的測量儀器進行人工檢測和計算，這種檢測的方式不僅效率相對較低，并且最終檢測的數據準確性也存在不足，還會受到檢測人員能力以及素質的影響。各種現代化檢測技術的出現，不僅提升了檢測的效率，質量檢測的準確度也有了顯著的提升。在對預制梁成品進行檢測的過程中需要對外形尺寸、外觀質量以及混凝土箱梁的內部進行檢測，確保成品質量滿足鐵路建設規范、標準的要求。可以將三維激光掃描技術、三維影像技術、混凝土質量智能監控系統等應用到檢測過程中，一方面可以形成三維立體模型，對預制梁成品外部尺寸、質量以及裂縫等進行識別和分析，輸出有關數據為生產以及質量檢測部門提供依據。另一方面，可以對混凝土箱梁內部的質量進行檢測和分析。預制梁智能檢測技術現如今已經在鐵路預制梁施工中進行了應用，并取得了一定的成效，為預制梁質量以及鐵路建設質量提供了保障。

2 智能工藝應用

鐵路混凝土箱梁預制的過程中采用智能化技術，可以轉變傳統人工操作的工藝流程，實現智能化、無人化施工，降低人工成本，提升生產效率。

2.1 鋼筋智能施工技術

鐵路混凝土箱梁預制的過程中需要對鋼筋按照規格進行加工和運輸，這一過程中就可以運用鋼筋智能施工技術，實現對鋼筋儲存、運輸、加工、綁扎等全過程的無人化或者少人化管理，降低了這一階段的人工成本。[2]預制梁鋼筋加工過程中，生產企業可以運用鋼筋智能加工系統，對鋼筋的出入庫、運輸、生產、質量等進行管理，智能化加工系統可以對生產任務進行排單，也可以根據設定參數對材料進行切割加工，對加工過程中產能、損耗、質量等數據進行分析。鋼筋智能加工系統在進行運用時，需要運用手持設備對進場的鋼筋標簽進行掃描，生成對應的二維碼，并將鋼筋數據錄入智能化庫存管理系統中，可以對不同型號、批次的鋼筋進行規范化、標準化、智能化的管理。鋼筋的加工環節，則是根據預制梁的各項設計以及工藝參數，運用AI 智能算法對鋼筋的斷料、下料等進行優化，可以顯著地提升鋼筋的利用效率，降低生產過程中出現的鋼筋損耗。

在鋼筋運輸以及安裝綁扎上，當下已經研制出AGV 小車，AGV 小車內存在電磁或光學等自動導航裝置，技術人員可以借助計算機對AGV 小車行駛的路線進行設定，或者對行動軌跡進行遠程操控，將鋼筋運輸到相應的儲存、加工等位置。鋼筋智能安裝綁扎系統，可以對智能程序進行設計，結合紅外線技術、自動化機械臂，智能綁扎機器人去對預制鋼筋進行自動地抓取、安裝以及綁扎工作。對于一些智能化系統無法操作的部位，可以在人工的輔助下進行綁扎和安裝。

2.2 混凝土智能澆筑工藝

智能化預制梁場可以采用拌合站至制梁臺座高空輸送混凝土的新工藝，需要搭建立柱、橫梁以及運輸軌道，配備智能澆筑魚雷罐。[3]混凝土在拌合完成后倒入魚雷罐中，裝滿后通過預定軌道進行運輸，到相應的制梁臺后，可以通過設置自動對準腹板位置，打開控制開關按照設定的澆筑速度進行澆筑，在魚雷罐內的混凝土澆筑傾倒完成后，自動進行下一次混凝土的運輸，以此實現混凝土的智能澆筑。運用混凝土智能澆筑工藝時，會設置循環軌道，多個魚雷罐同時運輸，可以避免澆筑間隔時間過長導致預制梁中的混凝土出現凝固等情況?；炷林悄軡仓行Ы档土巳藶橐蛩貙τ诨炷翝仓|量的干擾，提升了澆筑的效率，實現了少人化管理以及澆筑。

2.3 內模智能打磨、噴涂脫模劑技術

智能洗車原理的出現為鐵路混凝土箱梁的模板施工提供了方向，現如今在鐵路混凝土預制梁施工中，采用了移動半封閉框架模式，內模在自動進入骨架之后，機械臂會按照設定的程序對內模進行打磨和清洗，然后在清理的過程中去自動噴涂脫模劑，有效提升了內模的施工效率以及速度，為鐵路混凝土箱梁預制效率以及質量提供了保障。

3 智能化設備研發

3.1 智能焊接設備

焊接定位網鋼筋應用的是半自動化技術，需要人工對胎具進行更換，這個過程中由于人員疏忽經常會出現孔道位置偏差的情況，導致焊接質量以及效率出現降低，智能焊接設備的研發和應用，可以設定定位網片焊接的系統平臺，進行智能化胎具的切換，在系統中設置人員可以將各種定位網胎卡具體現在一個平臺中，然后將各種型號的定位網坐標等輸入系統中，通過智能控制系統，對焊接的定位網進行選擇，智能焊接設備就會對胎具進行自動地切換。[4]借助定位網片焊接智能系統，對鋼筋自動下料、布料、定位、焊接、碼垛等工序，實現定位網的智能化、自動化焊接。這種智能化的焊接設備，可以按照設定參數進行統一焊接，通常焊接網片的尺寸偏差不會大于一毫米，相比于傳統的手工焊接方式，極大程度地提升了焊接的效率以及質量，并且在焊接的過程中也不會對鋼筋造成損害，影響到預制梁的質量。

3.2 梁面智能激光整平機

隨著我國鐵路的高速發展，無砟軌道的運用也越來越多，無砟軌道對混凝土箱梁的梁面平整度要求相對較高，為了滿足這一需求，提升鐵路出行以及運輸的效率，研制出了梁面智能激光整平機。梁面智能激光整平機在運用的過程中借助激光接收位移傳感器和激光掃平儀，可以將梁面情況傳輸到計算機中，計算機會自動對數據進行整合和計算，結合預留反拱的需求，對升降機的升降數據進行控制，有助于實現梁面平整度的有效控制，為提升鐵路運輸速度、安全性以及鐵路出行的舒適性奠定了基礎。

4 鐵路混凝土箱梁智能化預制管控系統

4.1 物聯網技術下的預制梁場智能管理系統

鐵路混凝土箱梁智能化預制技術應用的過程中，需要對生產的各環節進行管理，就是要對生產材料、設備、過程、進度、安全性以及質量進行管理，物聯網技術下，結合移動電子設備以及相應的客戶端軟件，構建了智能管理系統，實現了線上線下的有效結合管理。第一，生產材料管理。可以實現對鋼筋、粗細骨料等原材料證書、檢測以及儲存等方面的智能化統一以及管理，并設置了預警功能，一旦材料不足或者臨近保質期時，會進行預警，為實現智能化庫存管理提供了保障，實現了生產原材料的動態化管理。第二，工序管理。對各工序的數據進行錄入、收集和分析，確保各工序的合理開展，保障鐵路混凝土箱梁生產質量。第三，進度管理。根據鐵路混凝土箱梁制作周期要求，智能管理系統可以對生產過程中各項數據進行收集和分析，對生產過程進行模擬，可以快速發現生產過程中存在的影響進度的因素和環節，保障了制梁計劃的順利開展，也可以避免影響鐵路工程建設進度。[5]第四，安全質量管理。預制梁場智能管理系統可以對生產過程以及作業情況進行查詢，對材料以及成品質量進行檢測。一方面，通過對作業人員狀況進行監控和查詢，可以確保生產過程嚴格按照安全生產規范開展，并且智能化系統也會檢測到人員的位置信息，避免人員在操作的過程中設備對工作人員的安全產生影響，保障了生產的安全性。另一方面，可以及時發現生產過程中材料以及預制梁的質量問題，并對智能生產系統進行更改，確保預制箱梁滿足鐵路建設以及運營的質量標準。第五，數據集成管理。可以對生產各環節的數據進行集成管理，實現了數據的采集、統計和分析，為各項工作的開展提供了重要的數據支撐。

4.2 現代化信息技術的應用

現代化信息技術為混凝土箱梁智能化預制管控系統提供了重要的支撐，并形成了信息化的智能控制平臺，可以對梁場實現實時監控，對梁場的生產系統進行管理。信息化的智能控制平臺中包含了設備物聯網信息系統、環境監測及太陽能照明系統等。其中設備物聯網信息系統主要是應用大數據技術、機電裝備在線監測技術、生產設備實時跟蹤管理平臺等，對預制梁生產過程中運用到的各種生產設備進行管理和監控，可以及時發現生產過程中設備存在的各種問題以及故障隱患，可以實現對設備的能耗分析，為節能減排、安全生產提供了保障。環境監測及太陽能照明系統等，則是利用了空氣質量檢測設備、無線感光設備等對梁場的生產環境進行檢測。確保在生產過程中產生的揚塵不會對周圍的環境以及設備造成影響，也可以借助無線感光設備對照明系統進行控制，梁場中應用太陽能照明系統，并配備蓄能電池，在一定程度上實現了綠色生產。[6]

進入信息化、智能化時代，鐵路建設的要求以及標準也在不斷提升，混凝土箱梁作為現代鐵路建設中不可缺少的重要組成，傳統預制方式使得施工質量以及生產效率無法得到有效的保障，生產和施工的過程中，需要進一步加強智能化設備以及技術的研究和應用，促進鐵路混凝土箱梁智能化預制技術的發展，提升鐵路混凝土箱梁預制的水平，為鐵路建設的可持續發展奠定基礎。