基于BIM的鐵路智能梁場鋼筋智能加工技術應用

1、摘要

本文對一種基于BIM的鐵路智能梁場鋼筋智能加工技術進行應用研究，該技術采用BIM軟件完成鋼筋BIM建模、分析和優化，利用數據接口導入智能梁場管理信息平臺，通過集成化方式與信息化手段實現智能鋼筋加工。在京雄鐵路項目中的應用實踐表明，該技術可提高鋼筋翻樣和加工的效率，減少人工成本，避免施工現場材料浪費等問題，提高綜合管理水平，在鐵路行業應用擁有廣闊前景，具有推廣和借鑒意義。

2、概述

近幾年，我國工程行業展開了現代化的建設革命，建筑施工由傳統勞動密集型過渡到現代工廠化、智能化建造方式，而鋼筋作為工程建設中所必須的原材料，其加工方式也同樣面臨由小型加工廠到大型智能化集中加工廠的技術升級。

工程主體結構所需的原材一般分為線材、棒材，棒材生產通用規格長度為12m和9m?，F場制作時，需要將原材進行截斷彎曲，施工現場對合理利用原材的損耗，需要在加工前對鋼筋下料長度進行套料計算。

目前棒材套料計算方式都是人工來算，很容易出錯，且計算結果易受人的主觀意識影響。在鋼筋集中加工的情況下，需要計算的數據量比分散加工要大得多，人工計算顯得非常困難。除此之外，數據量增多，很有可能出現計算加工錯誤現象，導致原材鋼筋的嚴重受損進行返工，從而降低了生產效率。

在鐵路橋梁工程中，箱梁等預制構件對鋼筋加工有著大量需求。構件內鋼筋存在體量大、數量多、安裝精度高的要求。因此，如何利用信息技術、機械自動化加工技術來提升生產效率、工程質量和自動化程度是一個重要課題。

本文對鋼筋加工一體化技術開展應用研究，實現了BIM鋼筋建模軟件與一體化加工設備硬件結合，整套技術在京雄城際高鐵項目建設生產中得到了實踐的驗證，為鐵路工程智慧梁場簡支箱梁鋼筋智能加工積累了寶貴經驗。

3、梁場鋼筋智能加工技術路線

梁場智能鋼筋集中加工一體化作業，將鋼筋智能加工所有發生的業務都在平臺內完成，使用 BIM 平臺的鋼筋模型數據提交加工需求，實現了辦公室生產任務管理與工廠內鋼筋設備的雙向數據及時通訊，通過網絡信息，將在辦公室處理好的生產任務下發到對應的鋼筋設備上，并將鋼筋設備的生產結果反饋到辦公室進行匯總，實現數字化管理。從而更加高效、準確的實現生產全過程的管理。

梁場智能化生產過程中，以梁體施工鋼筋圖為基準，利用BIM鋼筋建模技術為主導，以智能加工設備為核心，完成基于BIM技術鋼筋優化設計；根據優化設計完成后的鋼筋BIM模型導出鋼筋格式數據，用于物料生產管理系統確認加工代碼單號；智能設備鋼筋加工管理系統通過導入鋼筋代碼單號，自動生成鋼筋加工代碼單，將代碼單號輸入加工設備。通過局域網將智能鋼筋加工設備和辦公網絡連接，實現智能設備鋼筋加工一體化制作。

圖1：鋼筋加工技術應用流程

4、鐵路箱梁鋼筋深化設計及優化

·利用BIM技術輔助鋼筋優化

鋼筋優化設計利用建模軟件Planbar，Planbar鋼筋建模功能突出，且建模精度達到LOD 5.0，可擴展性好，數據轉換格式多樣，比較容易實現與鋼筋加工管理平臺之間數據傳遞?？偨Y利用BIM技術對鋼筋的優化設計，積累經驗的基礎上，形成鋼筋優化設計方案，包括準備工作、鋼筋建模和設計糾偏三大步驟。

在鋼筋優化設計過程中，結合鋼筋加工經驗和實際需求，進一步完善鋼筋的建模流程?；赑lanbar鋼筋數據導出接口，可將鋼筋模型導出系統接收的BVBS數據格式，傳輸至智能鋼筋加工設備進行鋼材加工。

圖2：BVBS數據

·基于BIM的鋼筋碰撞檢查分析

通過碰撞檢測分析箱梁底板、腹板以及頂板鋼筋之間存在的部分鋼筋相互打架，另外對梁體鋼筋與波紋管、支座預埋件、吊點等進行了空間分析并存在著沖突等問題，因此提前對箱梁鋼筋進行優化設計，對有沖突的地方進行設計修改，可以有效避免綁扎過程中二次處理。

此外，結合鋼筋綁扎工藝流程，運用軟件對梁體鋼筋綁扎過程進行模擬，通過三維可視化手段分析和優化綁扎過程，并對工人進行交底，有效提高鋼筋籠綁扎質量。特性相同的箱梁鋼筋綁扎工藝實際過程中需要重復若干次，因此模擬、分析、優化和交底的過程可以結合實際施工情況不斷優化，從而提高工作效率。

圖3：連續梁鋼筋（部分）

·物料生產管理系統

根據建設單位工廠化、智能化、數字化建設要求，項目部和鋼筋智能設備廠家提出需求，共同研發了針對鋼筋智能加工中心數字化管理，該物料生產管理系統支持BVBS鋼筋參數格式，利用BIM技術鋼筋建模導入物料管理平臺，進一步復核優化鋼筋的彎曲弧度和尺寸，從而降低智能加工的成品尺寸誤差。通過該平臺形成了系統性的管理手段，實現了智能生成管理一體化制作管理。

5、智能梁場鋼筋配置

·軟件配置

（1）BIM建模軟件

筆者采用德國Nemetschek公司的PlanBar軟件，進行箱梁鋼筋建模。

首先通過BIM軟件把整孔梁進行建模，將預制箱梁模型中每個型號的鋼筋、尺寸等生成導出下料單（二維碼、條碼下料單），直接與智能鋼筋加工設備接口連接。在預制箱梁建模的過程中，可以對設計圖紙工程量的審核；在施工過程中碰撞檢查；實現施工進度模擬等。

圖4：利用PlanBar 進行箱梁鋼筋建模

（2）物料生產管理平臺

為支持鋼筋加工中心對鋼筋智能加工任務進行訂單、生產、材料和倉儲的信息化管理，梁場鋼筋加工采用了物料生產管理平臺。該平臺包括鋼筋模型BVBS數據導入、鋼筋生產任務計劃、鋼筋加工單生成、加工過程監控等模塊。

智能鋼筋加工設備鋼筋數據接口通過解析Planbar模型導出的鋼筋數據格式，接收鋼筋型號數據信息后，自動生成鋼筋加工任務單，并將關鍵數據信息儲存數據庫。

圖5：導入平臺鋼筋型號下料單

·智能梁場鋼筋加工設備布置

針對雄縣制梁場工程龐大的任務量，施工周期長的特點，根據大型智能鋼筋加工設備，需要對鋼筋加工場集中加工的整體布局，集中生產，按照不同型號規格進行分類輸送到鋼筋綁扎區進行使用。

結合現場各區域布局設置，智能鋼筋加工設備設置于梁場極便于運輸使用鋼筋綁扎附近，智能鋼筋加工中心配備磁吸自動上料識別、多根剪切機械、四機頭、雙工位彎曲中心、彎箍、調直一體機等加工機械設備如下圖6所示。場地內設備及區域布置如下圖7所示。

圖6：鋼筋加工場實拍

圖7：鋼筋智能加工廠布置

6、智能梁場鋼筋智能加工技術

·技術簡介

雄縣智能梁場2018年8月1日開工建設，計劃竣工日期2019年12月30日。主梁場預制梁任務包括單線箱梁212孔（32m200孔，24m12孔），雙線箱梁132孔（32m126孔，24m6孔）。根據施工進度安排，梁場平均一天加工約130t鋼筋半成品。

在施工前期，利用建模軟件Planbar依據施工圖紙，將不同類型的箱梁鋼筋模型繪制出來，在此過程中技術人員可以加強圖紙記憶，對圖紙的理解更為透徹！繪制完成鋼筋模型以后，對箱梁鋼筋模型進行碰撞檢查，按照碰撞檢查結果，對箱梁鋼筋進行優化。

在應用過程中發現部分鋼筋尺寸不符合現場實際使用，比如32m雙線箱梁N33-1鋼筋尺寸過長，N33-2過短。對此，按照實際情況，對圖紙進行優化。因此減少了人力、材料等資源的浪費。

·工藝流程

針對梁場的鋼筋智能加工規劃，配套數控鋼筋成型設備、輔助信息化管理系統的設計理念，以成型鋼筋加工工藝路線為基礎，系統規劃、統籌管理，實現生產廠房的流水化物料流轉的高效生產。

一方面，以數控成型裝備為基礎，顯著提升產品質量的把控能力；另一方面，則是通過全程的信息化綜合管控，構建全程可追溯的質量管理體系。以此來實現工廠內的高效管理和銜接，保證成型鋼筋部品的品質和供應。

（1）首先根據鋼筋智能加工設備支持的數據BVBS格式，選用適合支持鋼筋深化設計模型創建的BIM軟件， Planbar鋼筋建模功能突出。同時Planbar可擴展性好，數據轉換格式多樣，能夠實現與鋼筋加工管理平臺的數據傳遞。

圖8：鋼筋加工場實拍

（2）通過軟件學習培訓后、對工作經驗豐富的的專業建模工程師根據設計單位已下發的設計施工圖進行箱梁鋼筋翻模，如1榀32m簡支梁箱梁需要建112種不同尺寸和規格型號的鋼筋模型，包括預應力管道鋼絞線、模具等，為確保建出的模型尺寸和弧度質量，整體建模任務量非常龐大，將建好的箱梁模型進行下一步優化。

（3）利用BIM建模軟件自帶的設計糾偏功能，將整體箱梁所配置的物料材料進行碰撞校核，通過碰撞檢查報告得出的結果，一些簡單的鋼筋打架沖突問題可以提前告知鋼筋綁扎作業人員，如有不好處理的碰撞沖突問題將以書面報告傳送給設計單位進行優化。

圖9：鋼筋碰撞糾偏

（4）確定鋼筋模型的尺寸、角度和弧度沒有問題時，將箱梁鋼筋導出BVBS格式，傳輸至物料生產管理平臺，平臺的功能會自動生成任務單。

鋼筋加工控制信息平臺可以根據鋼筋場加工能力、加工需求和生產計劃進行統一的調度安排，實行訂單式管理模式，可以做到“統一采購，統一生產，統一堆場，統一出廠”。信息平臺通過合理規劃加工訂單，制定最佳加工次序。

精確控制智能加工生產：通過信息平臺導出的加工單，上面附有各種類型鋼筋獲取編號，鋼筋自動加工設備通過輸入相應編號可以自動將鋼筋信息錄入后進行鋼筋的精準加工。確認無誤后，通過場內局域網傳輸至智能加工設備進行鋼筋加工。

（5）生產管理流程以加工任務信息化下發為起點，根據鋼筋的具體加工需求將任務指派給具體的生產設備后啟動生產，加工完成后的成型鋼筋由綁扎工人完領用后按照任務圖紙進行綁扎并對成品進行掛料排操作，最后根據按照庫區設計完成入庫操作等待領用。

BIM 模型生成的鋼筋加工任務數據，通過 TCP協議與接口程序進行通訊。BIM 導出鋼筋加工任務文件，由接口程序主動到指定文件夾內進行任務獲取。直接向鋼筋智能加工設備接口程序發送下發任務、回取數據的接口請求，然后通過智能鋼筋加工設備接口的中轉實現對各機臺鋼筋設備的遠程操作。

圖10：基于BIM的鋼筋智能加工一體化整體應用流程

7、 總結與展望

智能梁場鋼筋智能加工技術的組成；本技術利用 BIM 技術為手段進行鋼筋的三維翻樣，數據的自動處理并與智能鋼筋加工機械的無縫對接，有效提高鋼筋的加工質量和效率、降低勞動強度、材料浪費及能源消耗。

京雄城際鐵路五標項目部雄縣制梁場預制箱梁( 總體長度約12.1 km )的施工過程中，鋼筋加工部分采用了基于BIM的鋼筋一體化加工工法，目前共加工生產鋼筋半成品7595t，日均加工鋼筋52.653t，鋼筋原材加工利用率在99. 5% 以上，經濟效益率 28. 8% ，取得了較好的應用成果。具體成果如下：

（1）在預制箱梁建模的過程中，可以對設計圖紙工程量的審核；在施工過程中碰撞檢查；實現施工進度模擬等。

（2）利用BIM建模軟件高精度建模（LOD 5.0）導出下料單上傳至物料管理平臺，指令設備加工，從而減少了工人在鋼筋加工過程中出現錯誤。

（3）比以前的鋼筋廠降低了一大半人工的投入，三臺智能設備只需要五至六人就能滿足整孔梁的加工制作。

（4）智能鋼筋廠實現了智能流水線制作，提高了信息化、機械化、智能化、管理標準化，滿足了建設單位的要求并得到了認可。

圖11：鋼筋自動化加工設備

鋼筋一體化加工目前處于應用發展階段，除智能設備本身穩定性有待提高等技術問題外，還存在以下問題：

（1）根據梁場生產任務對建鋼筋場的整體考慮，智能加工設備占地面積大，鋼筋加工場空間也大，對于小型工地，智能設備投入必要性不大，普通型號加工設備占地空間小，方便與靈活挪動，小型工地使用率高。

（2）機械設備前期需要人工進行參數設置，優化模型鋼筋數據。

（3）鋼筋模型需要人工建立，過程中容易出現人為錯誤導致鋼筋數據不準確。

基于 BIM 技術的鋼筋加工方法，利用Planbar建模軟件對施工圖進行翻模，智能設備加工易上手，一般人都可以操控，積極發揮智能化對資源經濟效益，通過高新技術推動成本管控，提升了智能化生產能力，為今后鋼筋智能集中加工奠定了基礎。同時避免了傳統鋼筋場環境差，加工設備多，場地亂等問題，不但能提高企業在市場上的科技實力和綜合競爭力，而且可以進一步促進經營開發的發展，帶來更好經濟效益和社會效益。

現代鐵路工程趨向于智能化、信息化、標準化、裝配化的建設理念，對設計施工各個環節提出更高的要求，鋼筋加工作為生產施工中的重要環節在自動化、精細化的進程中將率先作出貢獻，相信該技術也將為我國鐵路工程乃至工程行業帶來參考和借鑒。