集中預制箱梁智能數控裝配線施工工法

曹 妍，王芮文，2，謝國春，曹科旦，游栩之，歐定福，2

(1.江蘇省交通技師學院，江蘇 鎮江 212028；2.江蘇森淼工程質量檢測有限公司，江蘇 鎮江 212028；3.揚州華建交通工程咨詢監理有限公司，江蘇 揚州 225009；4.無錫交通建設工程集團有限公司，江蘇 無錫 214000)

1 集中預制箱梁智能數控裝配線工法簡介

1.1 集中預制箱梁智能數控裝配線工法擬解決的問題

長期以來，我國交通公路工程在橋梁預制施工中，普通存在分散預制、三場建設標準化不完善[1]、工程管理創新不足[2]、質量通病治理活動效果不明顯等問題。該技術是基于傳統預制梁中經常出現的質量與管理薄弱環節而研制的智能化解決方案。

信息技術應用。傳統工藝存在諸多隱患，如，鋼筋骨架制作采用人工方法實現，效率低，加工安裝精度差；預制箱梁臺座使用固定底模，周轉效率低，無法實現規?；咝适┕?；由于模板加工尺寸偏差、人工安裝精度不高而使內外側模板產生錯臺、拼縫過大甚至漏漿、芯模拆除困難；在特殊季節箱梁養生環節控制不佳，出現混凝土早期裂縫甚至影響耐久性；負彎矩張拉力不足，負彎矩孔道壓漿質量控制難度大。

本技術利用信息技術、自動化控制技術和智能技術，實現鋼筋加工智能化建模下料、精準加工、大剛度組合式胎具骨架整體安裝，移動臺座、液壓側模、遠程紅外智能控制，抽屜式機械芯模自動化安拆，附著式振搗器振搗時間自動控制，噴淋噴霧式養生大棚養生條件智能切換，移動式智能張拉臺車智能數控張拉、智能壓漿等。

智能裝配線技術應用。本技術采用的智能裝配線，形成了工作地點不變，工序在各地點流動的功效平衡，保證了標準化、規范化施工，提高了工作效率。實現了新設備，新技術，新理念，新效果，新感受。

將設備、工具控制的自動化控制應用于預制箱梁智能數控裝配線上。在鋼筋加工區，采用了智能鋼筋加工設備，通過鋼筋數據錄入、建模、輸出與加工等過程，輸出料表，精準控制，實現了鋼筋加工過程的可追溯性和提高鋼筋加工的自動化程度；在預制箱梁生成區，采用液壓模板和移動臺座技術，并通過智能化控制系統進行模板安裝和拆除、附著振搗，保證預制箱梁施工質量內實外秀；預制箱梁智能化養生根據環境條件調整養生工藝，保證養生質量；在智能張拉和壓漿區，利用智能張拉設備和壓漿設備，精準地控制張拉力和伸長量，減小伸長量、張拉力的偏差，保證壓漿壓力和保壓時間，做到壓漿密實。

新一代改進型鋼筋智能加工設備。在之前的鋼筋加工時，人工控制加工精度，誤差較大。新設備采用BIM自動化技術對鋼筋骨架進行自動分析判斷，精度高、可追溯性強。設備還可以對邊角料進行分類選擇，并可以判斷是否可再利用。精準、高效、簡潔、自動化、綠色環保等。該設備采用國內領先的操作控制系統，專業化的多界面觸控操作系統，使操作更加方便、快捷，通過設置產品尺寸和角度自動生成圖形，具備超強存儲能力，方便加工隨時調用。無論是加工箍筋還是加工超長的板筋或雙鉤筋，該設備都可以正反二個方向彎曲，可滿足加工多種異形箍筋的生產需求。

組裝式鋼筋骨架胎具。使用高強度微變形鋼材制作而成的鋼筋骨架胎具，鋼筋骨架加工精度顯著提高，保證鋼筋安裝精度控制在2 mm以內。

移動式箱梁底模臺座，電氣化控制系統。軌道式移動臺座，在箱梁澆筑完成后可以立即轉移至養生大棚，保證了混凝土養生時間，并提高了底模周轉效率。移動式臺座頂面箱梁底模采用不銹鋼材質制成，平整光潔無接縫，保證了混凝土外觀質量。

液壓腹翼板模板抽屜式內芯[4]。應用智能液壓側模和抽屜式機械芯模可以精準地進行模板定位，減小模板拼縫不嚴而帶來的漏漿、錯臺、平整度差的質量通病，抽屜式機械芯模還可以有效避免拆除時對混凝土內腔的破壞。

智能型養生大棚?？梢詫崿F對外界環境條件的自動判斷，及時對棚內溫濕度進行判定調整，養生質量得以提升。

鋼絞線張拉與孔道壓漿新技術[5]。新一代智能張拉和壓漿設備可以在保證張拉力和循環壓漿質量的同時，進行張拉、壓漿數據的分析，積累經驗，提升質量。

建設項目集中預制。傳統施工分標段預制，成本投入大，工期不能保證，采用了建設項目集中預制，將小規模零星生產改為大規模標準化集中預制，提高了效率，保證了工期，確保了安全生產。

先進的管理應用技術。采用了智能裝配線平衡管理技術，科學地組織施工，實現了完全的質量、安全、成本和工期的統一。體現了前瞻性的工程管理思維和管理理念[6]。裝配線平衡技術是世界上最先進的流水施工管理方法，它是對整個流水線上的各道工序進行調整，使各工序的工作時間實現最佳組合，消除工序之間的不平衡以及效率損失。

1.2 關鍵工藝技術

針對傳統施工工藝在箱梁預制中的缺點，集中預制箱梁智能數控裝配線設計的技術模塊有鋼筋智能加工模塊、智能數控移動臺座、液壓模板模塊、抽屜式機械芯模模塊、智能養生模塊、智能張拉與壓漿模塊，并以此來控制箱梁施工各環節質量。

基于傳統施工中鋼筋加工尺寸偏差大的問題，使用新一代鋼筋智能加工設備，通過輸入鋼筋設計參數，自動計算鋼筋下料尺寸，輸出列表，實現鋼筋加工尺寸精準控制；針對傳統施工鋼筋安裝尺寸偏差大，導致保護層厚度控制不均，采用組合式骨架胎具，胎具由高剛度鋼材制成，變形小，胎具尺寸精確，保證了施工質量。

針對傳統工藝中預制臺座固定，周轉效率不高的問題，設計了移動臺座，一方面提高了周轉效率，另一方面通過遠紅外遙控設計實現了遠程操控，更利用安全生產。移動臺座上鋪設不銹鋼板底模，平整度好，剛度大，不變形，焊接接縫平順，對預制梁外觀質量提升起到了極大作用。

針對預制梁模板接縫漏漿、錯臺、不平整的問題，設計了液壓式可遠程控制側模以及抽屜式機械芯模，液壓式側模和抽屜式側模加工精度高，拼縫小，無錯臺，平整度好，剛度大，周轉次數高。使用遠程紅外控制系統，保證安全操作。自控式附著式振搗器提升了振搗質量。

針對特殊季節養生問題，設計了可自動控制的養生大棚，根據環境溫度和濕度調整棚內養護條件，保證養生質量，減少裂縫出現。

新一代智能張拉和壓漿系統利用原有設備，加入了數據采集分析體系，將張拉壓漿數據傳入電腦后可以進行數據分析，找出持續改進點，提高質量控制水平。

1.3 關鍵管理技術

集中預制是本工法另一特點，通過集中預制可以有效配置資源，縮短工期、減少浪費并提升質量。

在規?；?、標準化程度較高的集中預制場，可以采用先進的管理技術進行工期和資源的優化。如采用固定節拍網絡計劃技術優化工期，合理組織資源，利用裝配線平衡技術分配工作單元，組織最合理的技術和人力，提高效率。

2 工法的操作要點

2.1 裝配線設計

裝配線設計是確保工程按期完成的關鍵，其內容包括裝配線數量確定和裝配線平衡與效率的計算。在裝配線設計之前應先確定預制箱梁的施工流程，然后對箱梁制作工藝流程進行簡化，組合合并流程中工序作業時間短的相鄰工序。對工藝流程簡化后重新繪制流程圖。

圖1 簡化后的工序銜接圖

對圖1中的流程各環節消耗的時間進行分析，指出工序的瓶頸時間。對預制箱梁各操作工序的流程圖分析可以看出，預制箱梁的工作瓶頸時間(即最影響生產效率的工作時間)為箱梁養生時間。對養生工序瓶頸，可以通過增加養生中心區域恒溫養生大棚的箱梁容量相對減少養生時間。

根據工程總體進度計劃，分解到每個月生產的箱梁數量，使用裝配線平衡技術計算所需的裝配線數量，并計算裝配線效率。具體方法為：

(1)確定第1條預制箱梁智能數控裝配線施工的節拍CT大小?？砂词?1)進行。

(1)

式中:OT表示計劃工作的時間段內的工作時間，比如1個月中的有效工作日，1 d 中的有效工作時等；Q表示在計劃工作時間段內，預制箱梁的施工生產數量[7]。

(2)確定完成預設箱梁產量的情況下，最少投入的裝配流水線數量Nmin。必須要投入的裝配線最少數量按式(2)計算。

(2)

式中:∑t為完成一片箱梁所用的時間。

(3)按圖2中流程圖順序給智能裝配線分配工序任務，按圖2由左向右進行。

(4)分配工序任務應明確該工序是否夠資格參與進入至裝配線，其標準為：①該工序跟我的所有的前道工序均得以分配。②所要分配的工序任務在通常情況下的持續施工時間必須要小于整個裝配式流水線上所有工作的被分配后的剩余時間。③若不滿足分配要求，則將該工序任務安排到下一條裝配線。

(5)每當一個作業分配以后，計算出該裝配線的剩余時間，剩余時間等于節拍減去裝配線上總的作業時間。

(6)如果兩個工序情況都一樣時，可以采用下列方法之一解決。

a分配時間最長的工序；b選擇工序任務的后續工作數量最多的予以分配，若數量一樣，則任意選擇。

(7)繼續下去直到所有作業都已經分配到各個裝配線。

(8)計算裝配線效率指標。

2.2 鋼筋智能加工與胎具法鋼筋骨架的拼裝

智能加工鋼筋，胎具法拼裝骨架，整體吊裝入模。

2.3 遠程紅外控制移動臺座和液壓側模安裝

預制箱梁移動式底模和液壓式側面就位安裝。

2.4 鋼筋骨架吊裝與抽屜式芯模的安裝

骨架制作后整體吊裝，且采取放彎曲措施[8]。骨架提升或橫移時，兩臺龍門吊保持同步，不得出現較大的錯位偏差。為提高鋼筋骨架的整體剛度，除在預應力管道處設置加密定位網外，在腹板處設置加強筋，并與主筋焊接。

在固定的場地對抽屜式機械內芯進行組合緊固，然后采用吊裝設備整體移運。安裝時拉動鉸接拉桿將鋼芯模完全展開，并用端頭壓板固定，兩節內芯模采用螺栓連接，固定后在模板接縫處貼雙面膠進行找平。

2.5 頂板鋼筋骨架吊裝

頂板鋼筋骨架同底、腹板鋼筋一致，采用胎架綁扎，整體吊裝。

2.6 混凝土澆筑

混凝土澆筑應連續進行，并做好振搗工作。

2.7 脫模與養生

拆除模板的順序按照模板安裝順序的逆向進行，先拆除頂板負彎矩鋼模板，再拆除芯模及端頭模，最后通過液壓機構拆除側模。

側模拆除后由移動臺座將預制箱梁運輸至養護棚內，對箱梁頂板及腹板進行噴淋灑水養護，同時在箱內蓄水養生，濕養7 d。

2.8 智能張拉與壓漿

采用智能化張拉和壓漿設備進行張拉壓漿，保證張拉力和伸長量滿足規范要求，確保孔道壓漿密實度。

3 應用案例

3.1 平廣高速公路橋梁集中預制簡介

滬陜高速公路平潮至廣陵段擴建工程起自平潮北樞紐互通式立交西側，經南通市通州區、如皋市、泰州市、靖江市、泰興市，止于既有廣陵樞紐互通式立交東側，接已擴建的滬陜高速公路廣陵至江都段。全線采用雙向八車道高速公路標準擴建，設計速度120 km/h，路基寬度42.0 m。新建橋涵設計汽車荷載等級采用公路一級，利用既有橋涵沿用原荷載標準。

全線橋梁采用集中預制的方法，共需預制箱梁1 645片。

3.2 裝配線平衡技術確定場地

平廣高速公路預制場地占地面積170畝，按常規的場地規劃經驗和工作量情況，箱梁預制各工序所在的工作地分散布設，作業區分成鋼筋加工區、混凝土澆筑區和養生區三個，并且，各區域之間距離較遠，不方便作業，物料通過平車移運。混凝土澆筑區內共有三套底模，固定不動，作業空間狹小。養生區無規整的場地，張拉壓漿作業不方便。由于底模數量少，在計劃工期內完工存在較大困難。

通過合理布局，采用智能數控流水線工藝，并用4.1的方法對場地進行布局規劃，這些問題得以解決。

(1)使用以產品為原則的裝配線平衡運營系統設計，將原預制箱梁各工序設計成流水線工序，采用4.1的方法計算工作地數量。經計算，在保證工期前提下，每個月生產的箱梁應達到90片。此時，最少投入的流水線應達到8條，底側模需達到12套；工作區需達到4個，即鋼筋加工安裝、箱梁制作區、養生區、張拉壓漿區，且，養生區為瓶頸區，對養生區的智能養生棚擴充，應能容納8片梁同時養生；各工作區之間采用運輸軌道連接，物料的傳遞使用龍門吊通過軌道水平運輸。

(2)為各工作區分配工作任務，并計算任務分配后各工作區的空閑時間，然后計算各裝配線閑置時間百分比(見式3)，并按式(4)計算裝配線的功效。

閑置時間百分比=每節拍內的閑置時間/(裝配線數量×節拍)×100%

(3)

裝配線效率=100%-閑置時間百分比

(4)

平廣高速公路集中預制場裝配線平衡后，裝配線數量為8，節拍為3 d，每節拍內閑置時間為3.386 d，閑置時間百分比為14.1%，裝配線效率為85.9%，比采用常規預制方法的場地利用率提高了33.3%。表明，裝配線利用率已經達到較高的水平。

3.3 裝配線的其它效率指標

在效益方面，節省工期約18%，節省材料消耗約4.9%；節省設備使用費約22%；工序銜接緊湊，減少人員等待損失占總人員成本的25%。

3.4 采用智能裝配線工法施工質量情況

集中預制箱梁智能數控裝配線施工工法為推進公路工程精益化管理和六西格瑪管理奠定了基礎。因該工藝自動化和標準化程度高，質量參數波動影響因素小，生產穩定可控，可以實現公路工程精益生產和六西格瑪管理的實施[9]。

試驗檢測數據表明，胎具法鋼筋骨架制作精度達3.5西格瑪水平，過程能力指數達到1.17；鋼筋保護層厚度達到3.2西格瑪水平，過程能力指數達到0.97；張拉力控制精度達到6西格瑪水平，過程能力指數達到1.36；組合分裝式移動臺座、超精細自動化控制液壓腹翼板模板、抽屜式芯模安裝精度達4.6西格瑪水平，過程能力指數達1.59；實現了孔道壓漿缺陷率1.5%以內。

4 結 語

數字化智能裝配線工法，通過數字化智能裝配線的使用，解決了預制箱梁施工中長期未能解決的質量問題，如混凝土外觀質量問題、模板漏漿問題、模板拆除造成混凝土破損問題、混凝土養生問題、張拉力偏差問題、孔道壓漿不密實的問題等；推進了預制箱梁施工規范化和標準化；提高了工程效益，如減少了材料的消耗4.9%、降低了人工成本25%、提高了裝配線的利用率33%等，從而工期得以縮短13%；工法通過數字化智能裝配線的使用，全部工序采用標準操作，工序操作專業化強，降低了安全風險，確保了安全生產；工法通過數字化智能裝配線的使用，降低了建筑垃圾的產生和污水的排放，保證了環境清潔，減少了污染。