華龍一號核電站鋼筋數(shù)字化加工與定位配送研究

孫宇 宋大鵬 黃勇

摘? 要：以漳州“華龍一號”核島土建鋼筋施工模型為數(shù)據(jù)交互載體，將二維設(shè)計(jì)圖紙信息通過三維BIM軟件轉(zhuǎn)化形成標(biāo)準(zhǔn)化的鋼筋料單，改善傳統(tǒng)鋼筋深化設(shè)計(jì)出圖標(biāo)注不統(tǒng)一、形式多樣的問題，融合鋼筋自動加工設(shè)備進(jìn)行BIM數(shù)據(jù)集成，減少人工輸入操作，在鋼筋半成品配送環(huán)節(jié)，開發(fā)與鋼筋管理流程相匹配的鋼筋定位系統(tǒng)，通過系統(tǒng)將鋼筋配送優(yōu)化為線上為主、線下為輔的監(jiān)管模式，降低鋼筋在核島施工復(fù)雜環(huán)境中的丟失率，同時優(yōu)化流程，將鋼筋管理過程中的BIM下料、自動加工設(shè)備和定位配送3個關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程進(jìn)行“數(shù)據(jù)串聯(lián)”，借助可視化技術(shù)提高鋼筋轉(zhuǎn)運(yùn)效率，實(shí)現(xiàn)鋼筋主材成本精細(xì)化管控。

關(guān)鍵詞：BIM下料；鋼筋定位；系統(tǒng)集成

中圖分類號：TP391? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）23-0136-04

Research on Digital Processing and Positioning Distribution of Steel Reinforcement for Hualong No.1 Nuclear Power Plant

SUN Yu， SONG Dapeng， HUANG Yong

（China Nuclear Industry 24 Construction Co.， Ltd.， Beijing? 101601， China）

Abstract： Taking the steel reinforcement construction model of Zhangzhou “Hualong No.1” nuclear island civil engineering as the data interactive carrier， the two-dimensional design drawing information is transformed into a standardized steel reinforcement bill of materials through three-dimensional BIM software， which improves the problems of inconsistent and diverse forms of drawings' annotation in the traditional steel reinforcement in-depth design， integrates the automatic steel reinforcement processing equipment for BIM data integration， reduces manual input operations. In the distribution process of semi-finished steel reinforcement， develop a steel reinforcement positioning system that matches the steel reinforcement management process， and optimize the steel reinforcement distribution into a supervision mode with online as the main line and offline as the auxiliary， reducing the loss rate of steel reinforcement in the complex environment of nuclear island construction. At the same time， optimize the process， and connect the three key business processes of BIM cutting， automatic processing equipment， and positioning and distribution in the steel reinforcement management process with data. Using visualization technology to improve the efficiency of steel reinforcement transportation and achieve precise cost control of steel reinforcement main materials.

Keywords： BIM cutting; steel reinforcement positioning; system integration

0? 引? 言

目前，我國大多數(shù)鋼筋施工管理的項(xiàng)目基本還是采用傳統(tǒng)現(xiàn)場人工加工方式，原材料浪費(fèi)居高不下、鋼筋加工工人勞動強(qiáng)度大、鋼筋加工周期長、現(xiàn)場安全管理困難，鋼筋管理的痛點(diǎn)問題較為突出。未來，先進(jìn)的核電工程鋼筋加工管理將逐漸取代人工操作，向更加信息化、自動化的方式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息可視化、鋼筋定位實(shí)時化。三維場景下的鋼筋放樣與數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)備加工的進(jìn)程會高速發(fā)展，隨著人口紅利的逐漸消失，鋼筋數(shù)字化加工與定位配送已經(jīng)成為核電市場鋼筋智能化發(fā)展的必然趨勢。

1? 流程優(yōu)化的必要性

對于先進(jìn)的國產(chǎn)華龍一號核電機(jī)組建設(shè)，在不改變資源（人、材、機(jī)）投入量的前提下，改善施工質(zhì)量、優(yōu)化工期的方法主要有兩種：首先優(yōu)化施工管理邏輯，優(yōu)化工藝工序，將串聯(lián)的施工管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫薪徊媸┕さ墓芾矸绞剑s短工期中關(guān)鍵路徑的時間，優(yōu)化技術(shù)方案、工序，從而縮短項(xiàng)目工期；其次根據(jù)當(dāng)前的施工工效，改變技術(shù)路線，提高施工效率，采用新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝、新材料，提高工程管理的工作效率，也可以縮短關(guān)鍵路徑上的持續(xù)時間和作業(yè)所耗費(fèi)的時間，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化工期的目的。通過BIM技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施，將施工管理過程賦能信息化手段，按照融合應(yīng)用的思維方式優(yōu)化研究，尤其是對核電項(xiàng)目鋼筋等大宗材料的管理進(jìn)行有針對性的管理優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)降本增效，最大程度實(shí)現(xiàn)工期的優(yōu)化與建造的數(shù)字化。

1.1? 華龍一號堆型特點(diǎn)

華龍一號核電站主體廠房均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩臺機(jī)組鋼筋用量達(dá)到幾十萬噸，鋼筋直徑6～

40 mm不等，核島鋼筋設(shè)計(jì)圖紙并非采用平法設(shè)計(jì)，尤其核島區(qū)域各種異形鋼筋非一般工業(yè)與民用建筑可比。為此，引進(jìn)先進(jìn)的鋼筋批量生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行批量化生產(chǎn)加工，即便如此，鋼筋不可控的損耗率依然較大。

1.2? 鋼筋管理痛點(diǎn)

對鋼筋入場到鋼筋安裝各個流程進(jìn)行分析，主要存在以下幾方面的問題：鋼筋技術(shù)員下料經(jīng)驗(yàn)不同導(dǎo)致二次深化后的鋼筋料表質(zhì)量存有優(yōu)劣差異，鋼筋料表不規(guī)范及施工高峰期校核工作的草率，致使鋼筋料表中有些錯誤數(shù)據(jù)無法在加工生產(chǎn)前被發(fā)現(xiàn)；此外，鋼筋加工人為失誤產(chǎn)生的廢料以及鋼筋運(yùn)輸過程中“錯拉混用”“堆疊埋壓”“丟失”等不可控因素導(dǎo)致?lián)p耗持續(xù)增加。因此，需要根據(jù)核電特有的鋼筋技術(shù)規(guī)格書，依托鋼筋BIM下料規(guī)范流程，利用數(shù)字化、信息化手段融合鋼筋自動加工設(shè)備，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)備，減少人工干預(yù)，并在運(yùn)輸環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)定位與配送系統(tǒng)的監(jiān)管，達(dá)到下料標(biāo)準(zhǔn)化與過程可視化。

2? 數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)化

2.1? BIM高精度族庫

為提高工效，在華龍一號核電項(xiàng)目實(shí)施了鋼筋BIM下料。目前核電土建施工與設(shè)計(jì)有著密不可分的關(guān)系，施工中設(shè)計(jì)變更時有發(fā)生，現(xiàn)有的核電土建項(xiàng)目鋼筋二次深化設(shè)計(jì)受工程技術(shù)人員的能力經(jīng)驗(yàn)所限，難免會導(dǎo)致低級錯誤發(fā)生，在核電項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖紙上雖然已經(jīng)體現(xiàn)了工程量，但是仍需施工單位的專業(yè)人員手動在二維軟件中校核，費(fèi)事費(fèi)力，受人員的專業(yè)水平和經(jīng)驗(yàn)水平等因素影響較大，而且轉(zhuǎn)化過程由手工操作，進(jìn)而造成了匯總統(tǒng)計(jì)的工程量的準(zhǔn)確程度大打折扣。現(xiàn)如今，BIM三維技術(shù)已經(jīng)日益成熟，亟需一套符合華龍一號規(guī)范的鋼筋BIM下料后臺數(shù)據(jù)庫，經(jīng)“量身定做”的鋼筋BIM下料要精確到每根鋼筋的每個接頭信息（LOD500），如此才能滿足“數(shù)字華龍”的管理理念。

2.2? 鋼筋接頭匹配

通過BIM技術(shù)改變以往固化的二維交底思維模式，直觀面對三維仿真模型，降低機(jī)械繪圖的勞動強(qiáng)度，增強(qiáng)交底與模型算量精準(zhǔn)度。通過過程研究與測試，優(yōu)化了標(biāo)準(zhǔn)套筒、正反套筒、變徑套筒、錨固塊、正反絲頭等百余條參數(shù)化條目，通過精準(zhǔn)對接，將BIM后臺數(shù)據(jù)庫與核電多項(xiàng)目管理系統(tǒng)鋼筋圖形庫匹配，包含各類鋼筋型號、重量、彎曲調(diào)整值等信息，針對鋼筋設(shè)計(jì)變更模型的維護(hù)可以快速修改完善相關(guān)信息，如圖1所示。

建筑信息模型BIM包括項(xiàng)目建筑物多個階段的不同專業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)屬性信息，其優(yōu)勢是在應(yīng)用平臺上將數(shù)據(jù)有效共享與專遞，縮短時間和空間上的信息差，將分階段、零散的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行串聯(lián)，數(shù)據(jù)孤島數(shù)據(jù)之間建立有效的連接渠道，保證數(shù)據(jù)的一致性，解決項(xiàng)目各方的數(shù)據(jù)互通，把基于項(xiàng)目各階段工作的數(shù)據(jù)交換成為BIM的核心應(yīng)用內(nèi)容。基于華龍一號核電鋼筋三維模型數(shù)據(jù)庫，確定數(shù)據(jù)接口格式后，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動加工設(shè)備進(jìn)行信息交互，設(shè)備識別數(shù)據(jù)加工（下發(fā)任務(wù)）完成接口通信，在此過程中重點(diǎn)解決加工設(shè)備的通信問題和加工任務(wù)數(shù)據(jù)“譯錄”，實(shí)現(xiàn)“少人干預(yù)”，提升生產(chǎn)工效及標(biāo)準(zhǔn)化，如圖2所示。

3? 配送監(jiān)管系統(tǒng)

鋼筋定位系統(tǒng)開發(fā)遵循特定的執(zhí)行規(guī)則、順序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，通過數(shù)據(jù)傳感器對鋼筋信息的自動識別與感知，采集鋼筋“物”的唯一身份ID位置信息以及所攜帶的物理幾何信息，并將采集的數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)銜接進(jìn)行共享和傳遞，方便過程管理。通過RFID技術(shù)，將所有物品聯(lián)網(wǎng)整合成一個整體，每一件物品都相當(dāng)于擁有一個姓名，想要了解其來歷、用途、作用時，只需掃描電子標(biāo)簽。基于人工智能技術(shù)，人們能控制運(yùn)行每一個設(shè)備，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備自動化，節(jié)省人力資源，并且操作簡單。

3.1? 建立監(jiān)管機(jī)制

通過需求調(diào)研與系統(tǒng)集成研究，利用現(xiàn)場資源匹配架設(shè)鋼筋定位信號基站，通過網(wǎng)絡(luò)將鋼筋加工廠與現(xiàn)場鋼筋堆場之間的數(shù)據(jù)通道“接通”，鋼筋在核電施工現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境中有序配送形成閉環(huán)，在規(guī)劃的配送范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)鋼筋管理“盲區(qū)”可視化，監(jiān)控鋼筋“物”的位置信息和狀態(tài)信息，同時實(shí)現(xiàn)板車在廠區(qū)內(nèi)從“人尋”升級“系統(tǒng)+遙控”的管理狀態(tài)，鋼筋定位配送一目了然。

目前，鋼筋定位配送系統(tǒng)依據(jù)實(shí)施方案和審批流程已形成可控可管的狀態(tài)，結(jié)合鋼筋定位系統(tǒng)，在移動手機(jī)端進(jìn)行功能延伸，在鋼筋管理成本目標(biāo)的控制下，利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)對勞務(wù)班組安裝量與配送量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，監(jiān)管勞務(wù)班組報(bào)審的任務(wù)單工程量“不準(zhǔn)確”的問題，增強(qiáng)成本精細(xì)化管控。

3.2? 定位系統(tǒng)開發(fā)

在研究過程中針對功能需求，重點(diǎn)解決鋼筋位置難查找、現(xiàn)場鋼筋堆疊埋壓易丟失的問題，整個系統(tǒng)包含：硬件（定位數(shù)據(jù)的采集與識別）+軟件（數(shù)據(jù)的邏輯判斷與應(yīng)用呈現(xiàn)）系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成+入/出庫管理功能，如圖3所示。

4? 數(shù)據(jù)集成與通信

整個流程中數(shù)據(jù)集成是實(shí)現(xiàn)鋼筋可視化、精細(xì)化管理的核心，從系統(tǒng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)接口研究通用格式參數(shù)，快速實(shí)現(xiàn)聯(lián)動與自動化批量生產(chǎn)，同時將可視化定位系統(tǒng)融合到鋼筋管理流程，啟動全過程數(shù)據(jù)治理，如圖4所示。

數(shù)據(jù)集成與通信在統(tǒng)一部署下分4個階段進(jìn)行：

1）標(biāo)準(zhǔn)化鋼筋BIM下料后臺數(shù)據(jù)庫，將核電鋼筋規(guī)范內(nèi)置BIM軟件中，實(shí)現(xiàn)BIM軟件數(shù)據(jù)庫與下料規(guī)范統(tǒng)一，根據(jù)現(xiàn)場鋼筋需求計(jì)劃，在鋼筋加工前利用BIM軟件三維放樣，形成標(biāo)準(zhǔn)化的屬性信息三維可視化模型，提取數(shù)據(jù)“一鍵導(dǎo)入”核電多項(xiàng)目管理系統(tǒng)，替代人工逐條輸入，將此過程效率提高50%以上，通過系統(tǒng)內(nèi)置算法進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，監(jiān)管流轉(zhuǎn)加工前審批環(huán)節(jié)。

2）確定鋼筋加工設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式，保證數(shù)據(jù)傳遞的有效性和完整性，同時在系統(tǒng)內(nèi)生成鋼筋加工料牌，鋼筋加工設(shè)備經(jīng)過掃碼進(jìn)行數(shù)據(jù)識別與信息傳遞。

3）圍繞鋼筋定位配送業(yè)務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)功能研發(fā)與設(shè)計(jì)，以核電多項(xiàng)目管理系統(tǒng)為數(shù)據(jù)輸出中心，從定位系統(tǒng)內(nèi)逐條“拉取”鋼筋加工計(jì)劃數(shù)據(jù)，鋼筋定位系統(tǒng)融合廠區(qū)電子地圖，將具有定位功能的RFID標(biāo)簽與鋼筋料牌同步綁定，形成定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)位置標(biāo)識，鋼筋加工區(qū)、堆場等區(qū)域按10 m×10 m網(wǎng)格化區(qū)域布設(shè)基站，利用RFID射頻識別技術(shù)與標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸式的數(shù)據(jù)通信，并在鋼筋轉(zhuǎn)運(yùn)過程中存儲移動軌跡，同時，鋼筋定位信息同步至移動手機(jī)終端，與電腦端鋼筋定位系統(tǒng)形成功能互補(bǔ)，從而提高鋼筋堆疊密集區(qū)盤查與轉(zhuǎn)運(yùn)的效率。

4）在應(yīng)用界面，將鋼筋配送計(jì)劃推送至定位系統(tǒng)中加載顯示，電腦端與手機(jī)端同步顯示鋼筋加工計(jì)劃信息，鋼筋加工計(jì)劃反饋到出、入庫管理人員手機(jī)移動端，建立鋼筋入庫身份（標(biāo)簽中寫入唯一ID號），同理，利用手持終端進(jìn)行查收、識別，掃碼裝車完成鋼筋出庫，并轉(zhuǎn)運(yùn)至現(xiàn)場上墻安裝，實(shí)現(xiàn)配送和接貨人員獲取鋼筋運(yùn)輸情況，保證鋼筋各個流程狀態(tài)在系統(tǒng)內(nèi)得到實(shí)時監(jiān)管，優(yōu)化鋼筋管理過程中的“痛點(diǎn)”。

5? 應(yīng)用成效

基于BIM技術(shù)的一體化集成應(yīng)用專項(xiàng)方案，于實(shí)體工程開工前1～2個月內(nèi)做好充足的BIM技術(shù)準(zhǔn)備，經(jīng)過多次優(yōu)化施工方案預(yù)判施工問題，順利實(shí)現(xiàn)核島筏基FCD等重要施工進(jìn)度形象節(jié)點(diǎn)。另外，從鋼筋二次深化效率方面對比分析，傳統(tǒng)CAD方式每人工日預(yù)計(jì)可完成20噸左右鋼筋下料，應(yīng)用BIM方式每人工日可完成的鋼筋噸數(shù)相比傳統(tǒng)CAD綜合工效顯著提升，依據(jù)規(guī)范流程進(jìn)行鋼筋3D翻樣，從源頭控制額外消耗，例如：損耗按1%計(jì)，從項(xiàng)目總的戰(zhàn)略角度分析，兩臺機(jī)組總的經(jīng)濟(jì)效益預(yù)計(jì)在千萬元以上。

目前基于統(tǒng)一的核電BIM系統(tǒng)，拓展數(shù)據(jù)治理思維，開發(fā)鋼筋定位系統(tǒng)并打通數(shù)據(jù)接口，通過定位基站數(shù)據(jù)信息采集的自動化，極大地優(yōu)化了管理流程，節(jié)省了溝通成本。

在實(shí)現(xiàn)鋼筋BIM數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)化的同時開展現(xiàn)場鋼筋、安裝物項(xiàng)交叉施工管理，持續(xù)不斷進(jìn)行數(shù)字化管理創(chuàng)效，為施工提供合理的決策依據(jù)，在BIM施工智能建造技術(shù)等方面進(jìn)行了集中攻關(guān)和深入應(yīng)用，逐步形成核電工程建造BIM技術(shù)體系。

同時，公司通過多個核電堆型的建設(shè)，積累數(shù)字化管理經(jīng)驗(yàn)，建立數(shù)字化應(yīng)用工作標(biāo)準(zhǔn)和管理程序，有效支撐同類堆型的“數(shù)字建造”之旅。華龍一號作為我國首個具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電堆型，通過開展核電鋼筋自動加工與智能配送技術(shù)首堆示范研究，為華龍后續(xù)機(jī)型精益化建造提供信息化、數(shù)字化的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。

6? 結(jié)? 論

通過創(chuàng)新管理思路成功將核電工程鋼筋技術(shù)準(zhǔn)備與數(shù)字化管理進(jìn)行了融合，華龍一號鋼筋施工管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)初露鋒芒，在國內(nèi)新形勢BIM數(shù)字化技術(shù)浪潮的推動下，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是企業(yè)乃至核電建設(shè)的必經(jīng)之路。但就目前而言，鋼筋定位在整個實(shí)施路線中雖已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”，但是并沒有完全取代手工機(jī)打料牌，鋼筋全鏈條信息化、智能化管理仍需完善。下一步將繼續(xù)依托中核數(shù)字建造工程技術(shù)研究中心聯(lián)合推動上游單位正向延續(xù)深化設(shè)計(jì)成果，真正為鋼筋二次深化“減負(fù)”，實(shí)現(xiàn)一圖到底，為核電建設(shè)賦能。

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作者簡介：孫宇（1983.03—），男，漢族，遼寧鐵嶺人，黨委副書記、紀(jì)委書記、工會主席/研高，本科，研究方向：信息化、工程技術(shù)管理。