【《基于BIM的UHPC节段预制拼装梁桥工业化生产案例分析》7900字】

基于BIM的UHPC节段预制拼装梁桥工业化生产案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u10250基于BIM的UHPC节段预制拼装梁桥工业化生产案例分析 16991.1UHPC预制节段标准化生产研究 1229121.1.1标准化生产意义 1322791.1.2预制节段生产工艺流程 2156941.2基于BIM+的智能生产技术 3168031.2.1智能生产意义和价值 3214851.2.2智能生产实施路线 4203871.2.3智能生产实施手段 5213641.3特殊生产环节BIM+应用 10304841.3.1节段质量检测系统 108111.3.2高温蒸汽养护系统 15UHPC节段预制拼装梁桥具有结构自重轻，适用环境广泛，装配化施工便捷迅速。但UHPC材料不同于普通混凝土材料，其原材料造价成本较高，养护条件苛刻以及生产质量要求较高等原因，UHPC节段预制拼装梁桥应用推广较为缓慢。因此本章基于第四章的基础上，利用UHPC预制节段梁BIM模型，并结合UHPC材料自身特点和箱梁结构特点，研究UHPC预制节段梁生产标准化、规模化、智能化的生产方法，从而推进UHPC节段预制拼装梁桥在桥梁装配化施工中的应用。1.1UHPC预制节段标准化生产研究1.1.1标准化生产意义UHPC节段预制拼装梁相对于普通混凝土而言，虽然具有结构自重轻，超高的轻度，韧性以及耐久等诸多优点，但其存在的施工工艺要求苛刻以及产品成本造价高的问题一直没有得到很好的处理。解决这两点主要制约UHPC材料在城镇装配式桥梁中的应用最为可行的办法是结合BIM技术建立标准化和规模化的生产制造。利用BIM技术标准化的智能制造UHPC预制节段梁[63]，不仅可以可视化规范施工工艺流程，优化生产步骤，提高生产效率，更能够通过加工质量的智能管控，获得质量优异的UHPC预制节段梁。而规模化的智能制造，旨在通过规模效应，得到持续的经验积累，以及对上游的议价和下游生产成本的控制，获得UHPC预制节段梁质量提升的有利条件，具备与普通混凝土构件经济性相当、富有市场竞争力的产品。1.1.2预制节段生产工艺流程为了进行UHPC预制节段梁标准化生产，实现生产制造规模化效应，生产者应该依据UHPC节段预制梁的施工工艺流程以及构件生产流程的特点，搭建标准化的UHPC预制节段梁生产基地[64]，如图5-1。UHPC预制节段因其材料自身特性，生产工艺不仅不同于普通混凝土，更有着更为严格的质量控制标准。图5-1UHPC桥梁构件生产基地总体布置UHPC预制节段梁的生产工艺主要分为模板与支架安装、UHPC搅拌、UHPC浇筑和预制节段养护四个流程，各个过程工艺特点和工艺要求见表5-1。表5-1UHPC预制节段梁的生产工艺工序模板安装UHPC搅拌UHPC浇筑预制节段养护工艺特点UHPC最大组分为石英砂，其对模板严密性要求较高；模板需采用钢模板，需精细化模板加工控制，从而保证其尺寸精度以及精确的匹配度搅拌过程中，需进行跳桌流动度试验控制其工作性能；采用可靠的降温手段，控制拌合物搅拌完成后温度在UHPC搅拌完成后，考虑预制节段构造、搅拌站拌和能力、运输距离、浇筑时间等因素，选择适当浇筑位置预制构件养护分为静置养护和高温蒸汽养护2个节段；UHPC构件拆除模板后，先进行静置养护工作，然后在封闭的养护棚内进行高温蒸汽养护工艺要求UHPC预制节段梁板件厚度纤薄，对模板加工精度及安装精度要求极高搅拌过程中，需严格控制其工作性能、温度、钢纤维分布情况浇筑过程需连续，间隔时间不宜过长，采用附着式振捣器振捣，不宜采用插人式振捣器。静置养护需将预制节段置于阴凉位置1~2d；高温蒸汽养护按照2d/90°C或3d/80°C的标准。1.2基于BIM+的智能生产技术1.2.1智能生产意义和价值UHPC节段预制拼装梁桥做为现代城镇装配式桥梁发展的重要方向，面临众多生产管控难题和装配质量管控等问题。根据工程的实际，目前UHPC节段预制梁的生产主要有以下几个管控难点：UHPC预制节段梁养护分为静置养护和高温蒸汽养护两个节段，养护温湿度条件苛刻，且养护条件对节段梁力学特性影响明显；UHPC构件较普通混凝土构件尺寸纤薄，对加工模板定位安装质量精度要求高；UHPC在搅拌浇筑过程中时，对其工作性能，温度以及钢纤维分布情况要严格控制，否则严重影响节段质量等等。信息技术发展日新月异，带来人工智能、物联网、大数据、区块链技等现代技术不断革新，给智能化、标准化、数字化的现代智能UHPC预制梁厂的构想建设成为一种可能。BIM技术作为建筑工程行业的信息技术基础平台，不仅能够整合构件三维信息模型以及加工工艺和生产信息数据，并且可以实现各个生产工序相互协调的智能化管理技术，是UHPC预制节段梁生产和工序管理的重要支撑。为了提高UHPC预制节段梁加工质量以及优化加工流程，以BIM技术为基础，利用大数据、云技算、移动互联网和人工智能等最新信息技术与预制桥梁生产技术相结合，设计基于BIM技术的UHPC节段预制拼装梁桥智能生产实施路线，对提高节段生产质量，优化生产过程，进而达到智能化的标准化和规模化UHPC节段梁的生产，从而达到进一步的降低UHPC生产成本（见表5-2），推进UHPC节段预制拼装梁桥在桥梁装配化施工中的应用。表5-2基于BIM技术UHPC预制梁智慧制造的商业价值商业价值类型潜在的商业价值节段质量提UHPC节段生产总体质量，降低不合格率预测并快速发现UHPC节段质量缺陷趋势控制UHPC节段生产质量漏洞，判断容易出现质量问题的生产环节设备成本了解UHPC节段生产设备配置，优化生产效率运营成本优化UHPC节段设计，有效提高生产工艺提升UHPC节段生产设备性能减少生产操作与流程反复变化记录保存与节段编码创建UHPC节段生产的数字档案，记录UHPC节段生产信息及UHPC节段编号，添加UHPC节段质量控制标准以及UHPC节段生产工艺要求，从而更有效的追踪UHPC节段生产质量问题源头1.2.2智能生产实施路线UHPC节段预制梁厂智能生产以梁厂的智能化、信息化、标准化、规模化为目标，构建思路是以BIM技术为核心，同时集成各类最新的现代智能化信息技术，其实现需要架构集合，系统、应用、管理和优化为一体，发挥感知、分析和决策策的综合智慧能力，形成人、梁场和环境相互协调的综合智能UHPC节段生产梁厂。UHPC节段预制梁智能制造基本原理[65]-[66]如图5-2。图5-2基本原理基于BIM技术的UHPC节段预制梁智能制造，综合利用BIM技术及其他相关技术，并结合UHPC节段工厂生产的特点，创建以BIM技术为基础平台，节段生产进度智能管理模块、模具支架精度智能控制模块、UHPC材料浇筑振捣智能管理模块、节段质量智能检测模块、智能蒸汽养护模块和运输存放智能管理模块等6个主要UHPC节段梁生产主要内容的子模块。通过利用第四章搭建的UHPC预制节段梁BIM模型，将UHPC预制节段梁生产阶段的各种要素，诸如原材料、生产设备、生产工艺和工序要求，通过数字化的手段集成在一个紧密协作的生产过程中，并根据具体的节段梁生产过程与规则自动完成不同条件组合下的操作，实时智能自动化的节段梁生产。与此同时，在预制节段梁生产的过程中，记录生产过程的各类数据信息，为后续的质量优化和节段质量溯源提供可靠的依据。UHPC预制节段梁的数字化智能生产路线的实施，不仅提高预制节段梁的工艺流程，生产效率以及节段质量，带来更多的价值是UHPC预制节段梁相对造价成本的降低，从而更有利于UHPC节段预制梁桥在城镇装配式桥梁中的推广。其基本的实施路线如图5-3。图5-3基于BIM技术的UHPC标准预制节段梁智能生产实施路线根据智能制造的基本原理和基于BIM技术的UHPC节段预制梁智能建造实施路线的设计思路，UHPC节段预制梁的智能生产整合了管理学和信息技术的手段，将标准化的UHPC预制梁的生产先进的管理思想固化为信息化的管理手段，整个实施路线应用了BIM技术、物联网技术、数据传输存储技术等，包含了UHPC预制节段梁的所有作业环节，每个生产岗位，所有生产设备的生产全过程数据实时感知、传输、存储和处理分析，从而满足UHPC节段预制梁的生产管理和质量控制专业化、信息化、工厂化和标准化的要求。1.2.3智能生产实施手段基于BIM技术的UHPC标准预制节段梁智能生产实施路线实施路径有：信息数据的实时感知与过程数据采集、BIM信息数据库技术、信息管理分析、智能控制、UHPC预制节段梁厂实体层。1.实时数据感知与过程数据采集实时数据感知与过程数据采集是实施路线得以运行的基础。UHPC预制节段梁智能建造需要感知需要信息数据内容庞大，除了生产进度、实时工时、机械设备以及人员状态等用于优化生产流程和进度以安生产全风险防控这类信息以外，最受关注的是用于节段生产制造工艺管理需要感知信息内容。UHPC预制节段梁的生产质量管控信息按大类来分主要包含几何特征信息和材料力学信息两大类。几何特征信息感知主要是应用在模具精度控制以及节段质量检测这两个生产步骤，而在材料浇筑振捣，构件蒸汽养护和运输存放生产工艺流程需要感知材料力学信息和环境信息。伴随信息内容感知多样，需要信息感知手段多样且全面，需要卫星定位技术、传感器技术、射频识别技术、zigbee技术等多样技术综合协同处理。对于质量管控环节来说，高精度的传感器是整个系统运行的基础。传感器的分布和传感器网络构建以规范、快速、安全为原则，通过各类高性能的传感器采集节段生产各类物理信息。信息传输的关键点在于信息的实时性和安全性。搭建快速可靠的信息传输网络是实施路线是否能够顺利运行的重要一环。随着传感器水平的迅速提升，大量微机电系统传感器日趋低成本化和高集成度，高带宽和低成本的无线传输得到普遍应用。除了蒸汽养护和浇筑振捣工序会用到温度传感器和湿度传感器比较传统的工程传感器以外，对于最重要的模具精度控制和节段质量检测等直接控制UHPC预制节段质量的生产工艺关键环节来说，高精度的高性能的以及具备信息共享能力的外形轮廓测量系统需要被选择。对于节段起吊运输存放以及装配吊装过程中来说，节段截面的应力状态也值得关注，需要先进的适合数字工业生产的材料力学变形测量系统，见表5-3。表5-3适用于UHPC预制节段梁生产的传感系统系统名称三维光学摄影测量系统DIC三维全场应变测量系统产品样式测量原理向被测对象物体发射大量激光束，接受反射信号，计算被测对象表面点的三维坐标，记录反射率以及纹理等信息，可以在极短的时间内获得被测物表面的三维扫描数据。采用的基本原理是数字图像相关算法（DIC），通过跟踪（匹配）物体表面变形前后两幅散斑图像中同一像素点的位置来获得该像素点的位移向量，从而得到试件表面的应变。产品特点测量范围大：可测0.3mm~30m范围物体高精度：最高精度可达±0.015mm/m速度快：计算速度快，测量结果快自动化：自动化计算分析多种坐标转换功能：321方式、参考点方式、全局点转换方式实时性：实时进行3d全场应变测量的计算和结果显示以及计算结果的实时输出系统配置灵活：支持多种相机接口，系统软件控制模块可支持在线同步采集扩展接口丰富：支持多相机组同步测量，可以同步测量多个区域的变形应变应用工序2.BIM信息数据库基础BIM信息数据库基础是实施路线的核心环节。生产者从预制构件库取出的BIM模型是最基本的三维设计模型。模型携带信息除了三维模型本身的构件几何尺寸信息以外（如图5-4），仅包含节段的身份标识信息，如节段名称，节段编号，材料属性等。显然对于用于节段制造阶段的BIM模型不仅在精度上存在缺失，包含的产品制造信息也是不够充分。因此实现想要将信息模型用于节段生产，需要构建一个包含“节段三维设计模型+节段产品制造信息+关联属性”的预制节段BIM模型。不仅如此，对于具体的生产工艺需要补充建立三维工艺设计信息模型以及所需的标准数据库，如模具智能安装工艺需要模具本身信息模型和数据库，进而实现基于BIM模型的工艺规程（工艺信息模型，三维工艺仿真动画，关联工艺文字信息数据库），从而最终实现BIM模型在智能制造阶段的应用。图5-4标准构件库BIM模型及尺寸信息UHPC预制节段生产数据库创建标准主要依据《四川省城镇节段预制超高性能混凝土桥梁技术标准》中的关于施工、检验预验收、管养与维护相关条文。数据库主要包括身份标识信息、生产工艺信息、生产资源信息、质量标准信息等。（1）身份标识信息：节段名称、节段编号、节段长度等；（2）生产工艺信息：UHPC浇筑振捣工艺，UHPC高温蒸汽养护工艺等，如图5-5所示；图5-5养护工艺数据库信息（3）生产资源信息：生产过程中所需的机械设备、生产材料、投入人员等；（4）质量标准信息：模具制造允许偏差、模具与支架安装允许偏差（如图5-7）、UHPC预制节段质量允许偏差（如图5-6）等质量标准。图5-6节段质量标准数据库图5-7模具精度数据库将预制节段梁携带各种生产要素的数据库分阶段分类别的载入到三维设计模型BIM模型，生成携带生产节段各种信息用于制造阶段的BIM模型。从而为通过数字集成手段的生产过程提供最为重要的支撑。3.信息管理分析模块信息管理分析模块主要是对各种集成的信息处理与分析。包含业务平台基础和业务平台具体模块两个部分。业务基础平台是以用于制造节段的BIM模型为基础，并包含UHPC预制节段信息分类标准和云存储平台。UHPC预制节段信息分类标准和云存储平台参考《公路工程信息模型统一标准》相关规定进行。UHPC预制节段信息模型数据存储结构，基于最新的IFC4X1国际标准，以模型架构和分类编码为基础，采用属性和实体相结合的扩展方法。业务基础平台以BIM模型为引擎驱动对信息进行分类分区域处理，包含节段生产进度数据管理、浇筑振捣数据管理分析、节段质量管控数据分、智能蒸汽养护数据分析等。4.智能控制智能控制是实施路线的最终环节。智能控制的目标生产质量管控、安全风险防控、生产进度管控三个方面，如图5-8所示。生产质量管控主要是对原材料管理、过程控制、质量检验以及成品梁验收的全过程全要素进行管理。安全风险防控应用主要从安全检查和节段生产环境条件开展。依据梁场进度管理的需求，可选择任意时间段内的计划进度与实际进度进行统计分析，比如总进度、年进度、月进度或者任一选定时间段的进度。若出现梁场于某个时间段内生产进度与计划偏差较大的情况，即可通过分析该时间段内生产每片梁的进度曲线，找出影响梁场施工生产的工序及原因。图5-8UHPC预制节段智能生产应用架构智能控制的手段根据不同应用场景具体实施主要的智能算法有神经网络算法、遗传算法、计算机深度学习算法等。1.节段预制实体层节段预制实体层是梁体生产的区域，除了包含生产设备外，还应该包含用于信息感知的设备，信息对接设备，以及反馈调节设备等等。1.3特殊生产环节BIM+应用上一小节给出了基于BIM技术的UHPC节段预制梁智能建造实施路线，本章将以50m标准跨径跨中标准预制节段S8（如图5-9所示）的生产来具体阐述智能生产的步骤与关键环节，由于篇幅有限，本文仅以节段质量检测系统和高温蒸汽养护系统来具体阐述。图5-9S8预制节段位置1.3.1节段质量检测系统UHPC预制节段质量智能检测旨在以三维激光扫描技术为测量技术，BIM技术为支撑平台，通过利用BIM技术带来的可视化监控、闭环控制体系以及全面质量管理等先进思想指导，达到提升工艺精度，提高质量检测效率以及节约成本的目的[67]。从而解决传统方法存在的UHPC预制节段质量不达标、质量检测效率低下以及检测过程中信息存储、传递受限等问题。UHPC节段质量检测系统控制参数信息是节段轮廓三维坐标。三维坐标的获取宜通过三维光学摄影测量系统获取[59]。节段质量检测实施流程如图5-10所示。图5-10质量检测实施流程图（1）建立节段BIM模型UHPC预制节段BIM模型，作为UHPC预制节段设计的理想模型，不仅为节段质量智能检测提供对比模型，还是进行可视化交底、生产模拟、虚拟拼装等可视化管理的基础。本文在第四章详细介绍了BIM模型参数化建模流程，搭建了50m标准跨径预制节段BIM模型库，节段质量检测时，直接从中取出所需的BIM模型，如图5-11为50m跨径跨中标准节段S8BIM模型。图5-11S8预制节段BIM模型（2）点云数据的获取本文采用的三维光学摄影测量系统产品样式、测量原理、产品特点以及测量精度等参数在本章1.2.3小节有具体阐述。在跨中标准预制节段S8质量检测现场布置激光反射标靶，用三维光学摄影测量系统对布置好标靶的S8节段段进行扫描，获取实测点云数据。测量系统测得的点云数据为初始数据，利用Cyclone软件进行点云数据匹配，利用Geomagic软件进行数据预处理和模型建立。通过测量系统测得的S8预制节段初始点云数据的去噪、拼接、降低数据密度等方法建立现场实测S8预制节段的点云模型。（3）实施流程步骤示例UHPC预制节段质量检测，通过三维光学摄影测量系统获取节段三维坐标，并在线感知、智能识别；智能计算实测数据的控制点三维坐标和BIM的设计理论模型，将两个模型通过特征点、特征线等方式对齐；反馈调控，对三维比对结果进行分析决策，在软件中进行三维比较，可根据差值色谱图观察到偏差大小区域范围，根据分析报告查看最大偏差值和最小偏差值及其所在位置。当误差大于允许范围时，对构件进行修整以满足要求。检测的目标是保证每一个UHPC预制节段加工制造的质量，达到零返工、高效率、准时供应。图5-12UHPC标准节段质量检测的实际实施情况（4）结果分析由于S8预制节段实际测得的点云数据庞大，此处的数据处理仅举断面控制节点数据处理，断面控制节点及编号如图5-13、图5-14所示。通过与信息基础数据库中UHPC节段质量允许偏差标准信息对比，判断预制节段加工尺寸精度是否达到标准。图5-13S8节段质量检测BIM模型控制点布置图5-14S8节段质量检测断面BIM模型控制点编号S8预制节段BIM模型坐标数据与三维激光扫描系统测量数据见表5-4。表5-4控制节点坐标初始数据（单位：mm）控制点编号BIM模型坐标XBIM模型坐标YBIM模型坐标Z实测数据坐标X实测数据坐标Y实测数据坐标ZA0010.0006600.0001620.0007.1256602.1821624.151A0020.0007350.0001470.0006.9747351.8831474.531A0030.0007350.000450.0007.0517351.700451.059A0040.0007100.000200.0007.0517102.022201.380A0050.0001900.000200.0007.0511902.477201.380A0060.0001650.000450.0007.0511652.798451.059A0070.0001650.0001470.0006.9741652.6161474.531A0080.0002400.0001620.0007.1252402.3171624.151A0090.0009000.0001800.0007.2789002.8271801.409A0100.0009000.0001620.0007.2789002.8271624.254A0110.0008250.0001620.0007.1338252.2951624.141A0120.0007500.0001520.0006.9667502.5941524.529A0130.0007500.0000.0007.2787502.8274.254A0140.0001500.0000.0007.2781501.6724.254A0150.0001500.0001520.0006.9661501.9041524.529A0160.000750.0001620.0007.133752.2041624.141A0170.0000.0001620.0007.2781.6721624.254A0180.0000.0001800.0007.2781.6721801.409将三维激光扫描系统测得的数据向BIM模型数据对齐，本次数据处理将A018实测数据X、Y、Z坐标均向BIM模型A018坐标对齐，如图5-15所示。图5-15实测数值对齐BIM模型坐标计算得到的数据及节段偏差见表5-5。表5-5控制节点坐标对齐模型数据及偏差（单位：mm）控制点编号BIM模型XBIM模型YBIM模型Z节段误差X节段误差Y节段误差Z对齐模型观测值X对齐模型观测值Y对齐模型观测值ZA0010.0006600.0001620.000-0.1530.510-1.258-0.1536600.5101618.742A0020.0007350.0001470.000-0.3040.211-0.878-0.3047350.2111469.122A0030.0007350.000450.000-0.2270.028-0.350-0.2277350.028449.650A0040.0007100.000200.000-0.2270.350-0.029-0.2277100.350199.971A0050.0001900.000200.000-0.2270.805-0.029-0.2271900.805199.971A0060.0001650.000450.000-0.2271.126-0.350-0.2271651.126449.650A0070.0001650.0001470.000-0.3040.944-0.878-0.3041650.9441469.122A0080.0002400.0001620.000-0.1530.645-1.258-0.1532400.6451618.742A0090.0009000.0001800.0000.0001.1550.0000.0009001.1551800.000A0100.0009000.0001620.0000.0001.155-1.1550.0009001.1551618.845A0110.0008250.0001620.000-0.1450.623-1.268-0.1458250.6231618.732A0120.0007500.0001520.000-0.3120.922-0.880-0.3127500.9221519.120A0130.0007500.0000.0000.0001.155-1.1550.0007501.155-1.155A0140.0001500.0000.0000.0000.000-1.1550.0001500.000-1.155A0150.0001500.0001520.000-0.3120.232-0.880-0.3121