大直徑盾構隧道管片智能化生產應用研究

徐昕，田雨，張曉行

（1.東南大學土木工程學院，南京 211189；2.中鐵十四局集團房橋有限公司，北京 102400；3.上海魯班工程顧問有限公司，上海 200433）

1 引言

近年來，智能建造技術越來越多地應用到城市建設中，信息化和智能化是未來工程建設發展的必然方向。而對于大直徑盾構隧道項目管片生產而言，智能化的發展長期以來屬于較為初級的狀態，存在業務系統分散、產品力較弱、信息真實度低、過程不可追溯等問題[1]。BIM技術、智能裝備等生產方式可為盾構管片生產管理帶來極大的改善，形成一套可視化、信息化、智能化的生產管理體系。

BIM技術在隧道工程領域應用已有10余年，最早可追溯到2008年，同濟大學的鄭路[2]對盾構隧道進行數字化建模并進行數據組織及管理的理論研究。如今，參數化建模、基于BIM的協同管理平臺、隧道智能化監測等技術已被較為廣泛地應用。而智能裝備、智能生產的應用亦逐步開展。本文依托某大型盾構隧道項目，聚焦于管片自動化、智能化生產及管理進行論述及分析，旨在研究智能建造在盾構隧道項目中的應用。

2 生產區集約化

管片廠規模根據盾構掘進高峰期月平均強度確定，拌和站、廠房、生產線、操作室、起重設備、養護窯等區域均采用BIM建模一體化設計，重點關注3個方面的要求：（1）空間優化，安全、節地、環保。每個小區域在設計時，采用參數化的方式限定最小尺寸比例，在整個廠區規劃時，先以最小尺寸比例排布方案，然后根據空間余量適當調整。（2）設備、人員、物料都有獨立的通道，以利于生產節奏的掌控。利用BIM進行設計時，可模擬分析通道使用的可行性，如通道尺寸是否足以通過廠區較大的設備，物料通道的路徑是否最優，各工序之間的通道長度是否合理等，保證建成后的使用效率最優化。（3）設備設施的尺寸、位置精確排列，不浪費任何空間和土地。利用BIM模型的精確性，可實現1∶1的模擬，精確定位設備。

3 生產線自動化

3.1 鋼筋智能加工

采用鋼筋智能化生產技術，可以使鋼筋加工、運輸、吊裝、綁扎、焊接過程中做到少人化、無人化。鋼筋進場后采用手持設備錄入信息并生成對應的二維碼，在入庫、出庫時作為身份信息進行管理，并建立鋼筋材料電子化臺賬進行統一管理。鋼筋檢驗合格后，通過智能調直機、智能切斷機進行調直、切斷，隨后經鋼筋彎曲機、彎箍機加工制成半成品。

3.2 模具3D智能測量技術

模具3D智能測量采用一種三維結構光掃描技術，即利用結構光技術、相位測量技術、計算機視覺技術的復合三維非接觸式測量技術。測量時，通過光柵投影裝置投影數幅特定編碼的結構光到待測物體上，成一定夾角的兩個攝像頭同步采得相應圖像，然后對圖像進行解碼和相位計算，并利用匹配技術、三角形測量原理解算出兩個照相機公共視區內像素點的三維坐標。采用3D成像技術完成生產線模具的精度測量，測量精度可達0.05 mm。

3.3 機械臂抹面技術

管片外弧面自動抹平設備主要由桁架、雙軸機械臂、智能控制系統、PLC控制系統等組成。該設備可在5 min之內完成單塊5.4 m×2 m管片外弧面的抹面工作，至少替代4個操作工。（1）平整度方面：依靠機器人行走軌跡程序，在仿真環境中通過虛擬示教操作運動。通過導入CAD文件自動生成空間平面內軌跡；導入G代碼自動生成空間刀路軌跡；根據軌跡點位置姿態數據自動計算機器人運動程序數據，進行后置處理。（2）光滑度方面：主要為鋼抹刀、鋼抹叉、鋼抹盤、特氟龍抹盤等抹盤材料的研發。（3）效率方面：由控制程序運行速度、抹盤轉速和機械臂運行速率決定。

3.4 全自動溫控系統

管片蒸汽養護方式有連續窯和獨立窯的方式，均可以實現養護自動控制。在管片養護區內埋設溫度和濕度傳感器，建立統一管理系統。蒸汽閥門分區控量獨立設計，開關選用溫控電磁閥開關，控制器上設定溫度上下限，電磁閥開關將自動調節蒸汽的進氣量。另外，管片在進入降溫區時，由于自身水化熱開始增高，一般降溫難度大，可以采用幾組恒溫恒濕養護控制箱進行降溫，達到降溫目的。

4 管理模式信息化

4.1 BI M技術應用

4.1.1 管片精細化建模

通用楔形環的管片，精度要求0.4 mm，采用二維設計軟件誤差較大。相對于傳統二維設計方法，3D建模最大的優點在于其可視化的效果，能夠直觀地展示設計者的設計意圖，如圖1所示。通過虛擬裝配，還可以提前發現錯誤，避免了設計上的失誤。

圖1 管片模具模型

4.1.2 鋼筋碰撞分析

管片安裝的高精度特點，需求對管片的模具、管片結構、鋼筋進行精細的分析，主要體現在校核設計、碰撞模擬等方面。通過BIM三維建模，建立管片結構模型和鋼筋模型，進行空間對比，提出圖紙會審合理化建議、并相應調整施工方法，從而快速地找出鋼筋施工尺寸，嚴格照圖施工。

4.1.3 工藝模擬

基于管片結構模型、鋼筋模型，結合管片預制加工方案、施工工藝要求，對鋼筋焊接、預埋件安裝、模板擰緊順序及要求等進行工藝模擬，制作施工方案動畫，以可視化的形式進行技術交底，固化工作流程，指導工人生產。

4.2 智慧管理平臺

4.2.1 平臺概述

管片生產智慧管理平臺的主要功能目標是實現工序自動化、庫存動態化、信息可視化。該平臺主要采用了4項新技術：（1）采用自動采集及數據管控技術，打通工廠信息孤島，實現人-機-物信息互聯互通；（2）基于后臺數據庫進行統一集中管理，實現了整體生產流程自動化管控，使生產管理集約化，同時提高了生產管理效率；（3）與物聯網等先進技術結合，打通了生產、運輸、拼裝等環節信息壁壘，實現了動態庫存管理和管片拼裝定位追蹤；（4）研制了性能先進、操作簡單的手持PDA移動作業設備，實現生產全過程的可視化動態管理。

4.2.2 系統架構

系統架構分為4個層級，如圖2所示。

圖2 管片生產智慧管理平臺系統架構

1）數據采集來源層：從拌和站、地磅、轉閘、流水線等設備獲取設備數據，并從管理人員移動端獲取骨架、成品、質檢、庫存、物流等生產數據。

2）數據處理層：對數據進行清洗、規整工作，包括數據的去重排查、丟失校驗，初步清洗后進行數據的標準化加工。

3）數據存儲層：雙重存儲，即云端的數據庫和本地的數據庫，定期留存歷史版本，以防服務器遭遇未知風險而丟失數據。最后存入面向終端使用者的MES服務器。

4）數據應用層：經過標準化加工的數據會帶有各類業務子系統的標簽，通過系統內置的數據分析流程，將成果流轉到車間管理、生產中控中心、人員動態管理、流水線動態管理、溫濕度監控管理等應用場景。

4.2.3 應用模式

信息化平臺實現了技術的數字化管理，將圖紙、工藝細則、制度、技術交底、計劃指令等進行在線管理和可視化展示，使技術實時積累、更新，并使生產指令可實時發布。此外，還將各質檢崗位的質量信息、人員信息、時間信息等形成了完整數據鏈，通過RFID芯片、二維碼、NFC功能進行信息調用、更新及存儲[3]。

智能化生產管理平臺的管理模式是數據通過自動分析和歸類，主要包含人員管理、技術管理、生產計劃管理、質量管理、工程管理、安全管理、物料管理等，形成各類管理信息平臺看板信息，以便于管理人員隨時掌握現場的生產信息，并隨時發布生產指令。

在信息互通和展示方面，智能化生產管理平臺通過控制中心展示大屏，和工序關鍵位置展示屏，隨時更新生產工藝動態，為施工生產提供及時的生產信息，保證生產的正常進行。

在實現管片質量追溯的功能時，可采用RFID芯片、二維碼等技術手段。管片生產從原材料進場、鋼筋加工、灌注前檢驗、成品中實現了信息互通和流程控制，最終的生產信息反映到管片芯片上，可以由手機隨時查閱管片生產信息。

5 結語

管片生產創新的方法：（1）依靠智能化工業設備實現生產操作，減少人為因素；（2）是依靠智能控制系統程序實現工業設備的控制和管理；（3）依靠智能信息控制程序實現生產工藝流程的管理、信息反饋、質量追溯。

未來的智能化生產階段會采用人工智能控制生產線，它是通過機器學習形成各工序的專用人工智能精確管理每一個工藝工序，并利用全局人工智能協調各個工序模塊、總體控制與管理。企業應當提前進行智能化布局，開展人工智能、智能建造等相關業務的研發。