智慧橋梁預制構件廠建設實踐

［摘 要］在國家大力推進智能建造與建筑工業化協同發展的大背景下，建筑行業預制構件生產轉型升級迫在眉睫。廣州公路工程集團有限公司立足粵港澳大灣區核心廣州南沙，依托南中高速公路項目，利用云計算、大數據、物聯網、人工智能等新一代數字技術，建成迄今為止國內領先、規模最大的智慧橋梁預制構件廠，并引入和改進環形生產線， 搭建起基于BIM 技術和數據驅動的智慧構件廠管理系統，實現了預制構件生產智能化及全過程數字化管理，為橋梁全預制裝配施工提供了可借鑒的樣本。

［關鍵詞］建筑工業化；智能建造；預制構件生產

一、公司簡介

廣州公路工程集團（簡稱“集團”）成立于1984年，原隸屬于廣州市公路管理局，2009 年“大部制”改革時成建制移交廣州交通投資集團有限公司。2021 年6月，集團圓滿完成公司制改革。

經過40年的發展，集團目前已成為集路橋施工、市政工程、道路養護、試驗檢測、設計咨詢、預制裝配等于一體的交通基礎設施綜合服務商，是廣東省路橋建設龍頭企業。

作為廣東省公路施工建設的排頭兵和主力軍，廣州公路工程集團現有注冊資本5.6億元，具有國家公路工程施工總承包特級資質、公路行業甲級設計資質、市政公用工程施工總承包一級資質，橋梁工程、路基工程、路面工程專業承包一級資質、養護工程全類從業資質及公路工程綜合乙級試驗檢測資質，主要從事各等級的公路工程施工總承包、工程總承包，市政公用工程施工總承包，公路市政養護保潔和工程試驗檢測業務，是目前廣東省唯一一家擁有公路工程施工總承包特級資質的地方國有企業，同時也是廣州市應急搶險戰備的重要力量。

集團自成立以來，已參加100 余條國家、省市重點高速公路建設項目和200余條國道、省道的建設，多次斬獲中國土木工程詹天佑獎、國家優質工程金獎、李春獎及全國優質工程金獎等公路行業最高級質量獎項，為構建現代化國家綜合立體交通網奉獻了強有力的筑路先鋒力量。

截至目前，集團已連續11年榮獲廣東省公路施工企業信用評價最高等級AA企業，連續13年榮獲廣東省“守合同、重信用”企業，并連續3年獲國家交通運輸部認定公路施工企業全國綜合信用評價最高等級AA級。集團還相繼獲評中國建筑行業AAA級信用企業、AAA級誠信企業、“十二五”高速公路建設優秀單位、全國公路建設施工企業重點工程勞動競賽優勝單位、廣東省法治文化建設示范企業、廣州市思想政治工作先進單位、廣州市建筑業優秀企業、廣州市安全文化示范企業等，并獲得全國工人先鋒號、廣東省五一勞動獎狀、廣東省青年文明號、廣州市創先爭優先進基層黨組織、廣州市先進集體、廣州市國資系統先進基層黨組織等榮譽。

二、實施背景

（一）基礎設施建設綠色發展的需要

黨的二十大報告提出，“優化基礎設施布局、結構、功能和系統集成，構建現代化基礎設施體系”“推動綠色發展，促進人與自然和諧共生”。這為新時代推進基礎設施建設綠色發展指明了方向。

作為基礎設施建設重要組成部分，交通基礎設施建設必須以云計算、大數據、物聯網、人工智能等新一代數字技術為支撐，改變傳統粗放式建造模式，加快綠色、低碳、智能發展。其中，推動裝配式、工業化建造是重要突破口。

對此，國家專門出臺一系列政策，大力推動智能建造與建筑工業化協同發展。珠三角成為重點推進地區。廣東省政府、廣州市政府也先后出臺相關政策，全面推動預制裝配式建筑發展。

近年來，隨著粵港澳大灣區等一大批國家發展戰略布局的重點工程項目在珠三角落地，廣東省的基礎設施建設與改造也進入新一輪高速發展期。如何在交通基礎設施改造過程中實現預制構件（尤其是裝配式橋梁）快速、環保、綠色發展，面臨著巨大挑戰。

作為珠三角的龍頭城市，廣州市城市空間的承載限度現已變得越來越小，基礎設施建設已不像以前那樣擁有相對開放、寬敞的施工場地，原有的現澆施工法無法滿足施工空間和交通保暢的要求。采用全裝配式施工方法，成為城市基礎設施建設的必然選擇。

（二）預制構件生產轉型升級的需要

全裝配式施工主要依托預制構件廠來展開。當前，雖然傳統預制構件廠仍然是橋梁構件施工的主要場所，但是隨著經濟社會和行業的發展，其弊端日益凸顯。

傳統預制構件廠通常都是隨著項目建設進展進行建設或拆除，造成了極大的資源浪費。特別是傳統預制構件廠存在空間需求高、生產工藝及生產設備落后、自動化程度較低、臺座利用效率低、制造周期長等缺點。主要體現在以下幾個方面：

一是傳統預制構件廠需要較大的預制臺座和存放臺座空間，這對于城市有限的土地資源來說是一個巨大的挑戰。

二是傳統預制構件廠采用的是固定臺座，預制構件生產占用時間長，臺座周轉效率低。

三是傳統預制構件廠一般采用拼裝式鋼模板，構件外觀質量和精度難以控制，同時采用吊裝料斗進行布料，容易造成混凝土離析且安全隱患較高。

四是傳統預制構件廠各道工序需要大量的工人，由于品質工程創建需要及人工成本逐漸高漲，由自動化設備代替人工生產大勢所趨。

在“雙碳”戰略實施、國家大力推行標準化生產和工業化建造的背景下，高資源消耗、高人工成本投入、生產效率低的傳統橋梁預制構件生產模式必然會被淘汰。因此，進行預制構件生產數字化、智能化轉型升級迫在眉睫。

三、主要做法

2021年初，廣州公路工程集團依托南中高速公路項目，建成了迄今國內領先、規模最大、占地面積為350畝的智慧橋梁預制構件廠。智慧橋梁預制構件廠主要為南中高速公路項目廣州段提供7468榀預制構件生產服務（混凝土總量28萬立方米），其中包括7379榀預制小箱梁和89榀預制T梁，生產工期為30個月。（如圖1所示）

智慧橋梁預制構件廠位于廣州市南沙區萬頃沙鎮，依據預制構件生產工序流程合理布局，分為辦公研發區、生活區、混凝土加工中心、預制構件環形生產車間、預制構件常規生產區、小型預制構件生產區、試驗檢測中心、構件存放區共八個功能分區。當前，預制構件年設計產能為15萬立方米，日設計產能為22 榀。其中，預制構件環形生產車間（8條環形生產線）日設計產能為8榀，預制構件常規生產區布置固定臺座130個，日產能為14榀，可滿足20～40米各種類型的預制小箱梁以及40～50米各種類型的預制T梁施工。

為改變傳統預制構件生產線生產工藝、生產設備落后、自動化程度較低、生產效率低、占地面積大、制造周期長、臺座利用率低等問題，智慧橋梁預制構件廠按照智能化、數字化要求，引入并改進了“環形生產線”，建立了基于BIM技術和數據驅動的智慧預制構件廠管理系統，實現了橋梁預制構件生產智能化及全過程數字化管理。（如圖2所示）

智慧橋梁預制構件廠的生產模式可逐步拓展到裝配式橋梁其他構件生產中，如預制立柱、預制蓋梁、預制防撞護欄等，可為橋梁全預制裝配施工和裝配式橋梁行業發展提供借鑒參考。

（一）“永臨結合”建設模式

智慧橋梁預制構件廠采用“永臨結合”方式高標準建設，地塊租期為12年，用地許可結合持續承接項目進行續期，一次建設即可長期服務周邊項目建設。另外，通過區域服務型智慧預制構件廠的拓展推廣，可將構件生產服務輻射至廣州市其他城區及東莞、中山、佛山等地，覆蓋以智慧預制構件廠為中心、周邊80千米為半徑的區域，可以省去臨時構件預制場地重復建設，減少對土地的破壞和占用，提高土地利用率。目前，預制構件廠已為中山市金字山互通立交工程、中山市南外環道路改造工程、廣州市七星崗互通立交工程提供過預制構件生產服務。

同時，通過引進環形生產工藝，將傳統的固定臺座轉化為移動臺座，將各道施工工序集成到流水化的生產線上，可大大減少臺座占地面積，實現智慧預制構件廠總體用地節約。

（二）設備自動化升級改造

在橋梁大型構件生產過程中，工裝設備發揮著關鍵性作用。目前，預制構件環形生產技術尚在發展完善階段，環形生產線各工裝設備性能及相互之間的使用配合還不成熟，還有諸多問題需要解決。

通過對環形生產線進行升級改造，有效解決如生產線存在諸如魚雷罐輸送效率低、作業時布料機與工人相互干擾、生產線空間布置不合理等方面的問題。

1.混凝土環形運輸系統及桁架布料系統

現階段，傳統預制構件廠在日常生產中采用混凝土運輸車配合簡易料斗進行運輸及布料。該作業方式效率低、混凝土品質易波動、作業環境差、安全風險大。

部分預制構件廠對魚雷罐運輸系統及桁架布料系統進行初期應用，尚有一些缺陷亟須改善。一方面，當前使用的單通道魚雷罐混凝土運輸系統無法形成循環回路，且魚雷罐從拌合站到澆筑區需要爬坡，運輸效率低，設備磨損大；另一方面，布料系統布料時不能升降，因布料高度過大引起的混凝土離析問題、工人作業空間與布料機桁架相互干擾問題無法同時得到解決。

智慧預制構件廠以現代化、信息化、智能化、環?；慕◤S理念為出發點，自行規劃設計出一套混凝土環形運輸系統及桁架布料系統，實現了全封閉式作業和混凝土運輸及澆筑全過程的自動化。

該系統由一臺HZS180攪拌機、魚雷罐、魚雷罐環形閉合軌道、布料機、布料機桁架運行軌道等幾部分組成。攪拌機將攪拌好的混凝土注入魚雷罐中，魚雷罐通過環形軌道，運行至預制構件澆筑區，布料機通過遙控操作運行至魚雷罐下方進行接料，布料機通過運行軌道將混凝土運送至液壓模板上方，進行預制構件混凝土的均勻布料，放料完的魚雷罐沿環形閉合軌道回轉至攪拌機接料口，形成一個循環的接料與放料過程。（如圖3所示）

該系統具有以下幾個創新點：

（1）攪拌機加高改造

為配合環形閉合魚雷罐運輸軌道，解決傳統魚雷罐從攪拌站出料口至布料機處軌道坡度較大、運輸速度較慢等問題，本系統充分考慮液壓模板高度、工作空間、布料機高度、魚雷罐高度等因素，對攪拌機采用定制化加高設計，出料口高度為8.48米，比常規攪拌機加高了4.28米。（如圖4所示）

（2）將傳統魚雷罐單通道改為環形閉合通道

區別于現有的單通道魚雷罐運輸軌道和混凝土罐車，預制構件環形自動化生產線采用環形的魚雷罐運輸系統代替，進一步提高預制構件生產中混凝土澆筑工藝的自動化程度。

不同于傳統單通道魚雷罐運輸軌道一次只能用一個魚雷罐運輸混凝土，魚雷罐環形運輸軌道可同時懸掛多個魚雷罐進行接料和放料，滿足多條生產線同時進行預制構件澆筑，在提高施工效率的同時，實現大批量、工期短的預制構件快速制造。（如圖5所示）

（3）布料機液壓伸縮裝置

為解決布料機桁架與作業工人相互干擾的問題，每臺布料機上配備了4個80厘米長的液壓升降桿，最大伸縮量為60 厘米，實現混凝土澆筑時布料斗能下放到離構件頂面30 厘米距離內，可有效避免因布料高度過大引發的混凝土離析問題?？蛰d時能提升布料斗，從而解決運輸過程需要工人避讓等安全問題。（如圖6所示）

通過混凝土環形運輸系統及桁架布料系統，可實現預制構件混凝土自動化運輸及澆筑，混凝土運輸及布料用工需求可減少75%；使用電力替代柴油驅動，不僅可降低成本58%，還減少對環境的污染，具有良好的經濟效益和社會效益。另外，這套系統可有效降低作業人員工作強度，避免廠區混凝土運輸車與作業人員的相互干擾，保證安全生產。系統獲第三屆全國公路微創新大賽金獎。

2. 智能控溫蒸養箱

構件脫模后移動至蒸汽養生區。蒸汽養生區由兩個相鄰智能控溫蒸養箱組成，可同時滿足兩榀構件的蒸汽養生需求。智能控溫蒸養箱由蒸養箱、變溫蒸養設備和智能控溫系統組成，蒸養箱采用試驗恒溫養護室標準建設，外包隔熱保溫層。智能控溫蒸養系統可根據預設的蒸養制度自動調整升降溫速度、恒溫時間、空氣濕度等，提升混凝土早期強度及彈性模量增長速度，節省張拉前養生時間。（如圖7所示）

3. 預應力整束送束設備

為解決預制構件預應力離散問題，引進應用卡瓦式鋼絞線整束送束機，該機械可模擬人手握裹鋼絞線，通過PLC控制實現自動穿束，極大地提高了整體穿束效率。（如圖8所示）

4. 自行式臺車自動打磨清理設備

智慧預制構件廠引進了自行式臺車自動清理機，將其安裝在環形生產線回轉通道上，自行式臺車在回程途中即可完成自動打磨清理。（如圖9所示）

5. 自行式臺車附著式振搗設備

插入式振搗器難以觸及預制構件底板，導致底板混凝土振搗效果差。

通過在自行式臺車底模下加裝附著式振搗器，解決了預制構件底板混凝土振搗不密實等問題。（如圖10 所示）

（三）創新工藝技術研發

1. 綠色環保施工技術

首先，地基處理大面積采用生態減沉樁，可減小對土地的傷害?？蒲谐晒秹K石墊層+竹樁復合地基減沉關鍵技術及施工技術》，通過綠色環保的竹樁和易取得的塊石，解決了南沙軟土地區地基加固的難題，施工成本相對管樁每畝可節省約6萬元，具有良好的經濟效益，榮獲第二屆全國公路微創新大賽銀獎。（如圖11 所示）

其次，采用清潔能源天然氣進行蒸汽養生，實現了最大限度的綠色環保。

2. 環形生產線施工工藝技術

當前，傳統預制構件生產工藝存在生產效率低、占地面積大、制造周期長、臺座利用率低、產品質量不可控、受環境影響大等問題。為了有效保證產品質量、加快生產進度、節約臨時用地，智慧預制構件廠開創性地引入與改進預制構件環形生產線施工工藝技術。

環形生產線施工工藝流程為定位胎具鋼筋綁扎→自行式臺車就位→自行式臺車縱移至澆筑區→安裝液壓側?！跹b鋼筋及安裝箱形構件內?！惭b頂板鋼筋→混凝土運輸（魚雷罐）→混凝土澆筑（布料機）→自行式臺車縱移至智能控溫蒸養箱養生→自行式臺車帶構件縱移至張拉區張拉→橫移擺渡車帶構件橫移至存放區→提構件門吊提構件至存放區存放→橫移擺渡車帶自行式臺車橫移至專用回轉通道，各道工序通過自行式臺車緊密串聯形成閉合環線。（如圖12 所示）

環形生產線施工工藝的應用使得生產效能顯著提升，每條生產線預期產能可達每天1片；臺座周轉效率大大提高，整體節約用地約30%。

3. 養生用水循環處理技術

傳統預制構件廠對于預制構件的養護用水均為一次性用水，不僅造成了水資源的浪費，而且排放的養護用水也會對環境造成一定污染。處理方法為在養護用水蓄水池中進行絮凝沉淀處理，將污水中的膠體和細微懸浮物凝聚成絮凝體使其沉淀。該處理方法不但可以去除污水中的粒徑為10-6到10-3毫米的細小懸浮顆粒，而且還能夠去除色度、油分、微生物、氮和磷等富營養物質、重金屬以及有機物等，經水質檢測機構監測后該級處理的水樣已達到最新版《公路橋涵施工技術規范》JTG/T3650-2020對預制構件養護用水的標準，可再次應用于構件養護。

4. 智能控溫蒸汽養生技術

目前，環形生產線施工工藝在預制構件施工中應用越來越廣泛。通過自行式臺車的循環流轉，各道工序施工效率均得到了顯著提升。但是，制約環形生產線流水生產的關鍵工序是養生，傳統養生方式為覆蓋灑水養生，養生時間不少于5天，且強度和彈性模量不低于設計強度和彈性模量的80%時，方可進行張拉壓漿作業。灑水養生不僅工作效率低，而且對預制構件外觀質量影響較大，在橋梁預制構件工業化生產過程中已不再適用。

針對這一問題，智慧預制構件廠以實際需求為出發點，引入蒸汽養生工藝，并根據混凝土配合比情況試驗并研究出一套滿足環形生產線流水生產的蒸汽養生工藝技術，采用50 攝氏度高溫蒸養，并嚴格控制其升溫、降溫速率及恒溫時間，將總體養生時間控制在36～48小時內，確保每條環形生產線每天可流水生產1榀預制構件，大幅提高養生效率，混凝土后期收縮小，構件外觀質量顯著提升，具有較好的經濟效益及社會效益。（如圖13所示）

（四）數字化構件廠管理平臺

智慧預制構件廠按照智能化、數字化要求，引入并改進了“環形生產線”，同時建立了基于BIM技術和數據驅動的智慧管理系統，實現了預制構件生產智能化及全過程數字化管理。

針對預制構件生產管理，智慧預制構件廠開發的基于BIM技術的智慧管理平臺，包含物聯網設備對接、UE4大屏展示、MES系統、ERP系統、KM系統、BIM數據庫、生產計劃、質量安全、材料管理系統等模塊，將生產管理全面信息化、數字化，可實現預制構件生產排產、鋼筋余料優化、生產過程信息自動記錄、構件存放位置算法推薦和可視化構件尋找等一站式管理。同時，針對預制構件生產，開發定制微信小程序，配合貼在預制構件上的二維碼，可實現預制構件工序全面信息化，同時可完成構件存放數字化、構件尋找便捷化。

四、實施成效

（一）經濟效益

1.相較于傳統生產線工藝，采用環形生產線可節約22%的人工投入（測算節約成本800萬元）， 真正實現了以機械化換人、以自動化減人的目的。

2.移動臺座的使用，提高了臺座周轉效率，節省了約30%的施工占地，節約成本450 萬元。

3.針對軟土地基開發的生態減沉技術，其施工成本相對管樁每畝可節省約6萬元，預估節約成本2100 萬元。

4.蒸汽養生工藝的應用，使張拉前養生時間從傳統的5天縮短至2天，生產效率提高了150%；蒸汽養生工藝的使用，提高了施工效率和施工質量，降低了整體施工成本。

5.標準化胎架、整體液壓模板的使用，有效提高了預制構件的品質。

6.建設區域服務型智慧預制構件廠，可充分發揮其對周邊項目的服務輻射能力，減少臨時預制構件廠的重復建設，節約臨建投入約5000 萬元。

（二）社會效益

1.節約用地：由于該工藝生產效能顯著提升，提高了臺座周轉效率，整體節約用地約30%。

2.綠色低碳：利用清潔能源天然氣進行蒸汽養生，可避免普通鍋爐產生的粉塵污染，助力綠色可持續發展。

（三）業內評價

自區域服務型智慧橋梁預制構件廠建成以來，受到了上級領導及同行的廣泛關注和學習。

2021 年11 月29日， 在廣東省交通運輸廳組織召開的全省公路水運工程質量安全現場會上，智慧預制構件廠作為其中一處觀摩點，現場展示了智慧建造、科技創新、科技強安、綠色環保等方面的亮點與典型做法，并獲得了各級領導及同仁的一致好評。

2023 年4月19日，國家交通運輸部部長帶隊蒞臨智慧橋梁預制構件廠指導，并給予了高度評價。

五、下步思考

（一）建設預制構件自適應生產線

目前，環形生產線能生產的預制構件基本為標準構件，構件首尾端及端橫梁基本固定，變化幅度受限，無法適應梁型變化。建設預制構件自適應生產線，把梁端及端橫梁模板改造成液壓可調節的方式，將是下一步智慧預制構件廠持續提升的方向。

（二）增加設備及硬件設施的物聯監測

隨著智慧橋梁預制構件廠運營時間的增加，廠房內的大型設備可能會出現故障，下一步將重點增加設備及硬件設施的物聯監測，及時消除設備故障和安全隱患，確保作業安全。