随着桥梁工程规模越来越大、结构日益复杂,从设计、施工到通车运营,参与的单位众多,容易导致信息传递失真和失误,信息化技术的重要性也随之凸显。
BIM是最大程度整合项目信息的数据库,为业主、设计方、制造方、施工方、材料供货商等提供所需的信息,提高项目完成的效率, 提升工程人员对项目的控制能力。
钢结构桥梁由于自重轻、建造速度快等优势,越来越多地被应用到现代桥梁。钢桥制造中应用BIM 技术也日益得到重视。本文旨在探讨BIM技术在钢桥制造中的成熟运用与推广。
3D信息模型的必要性
传统制造模式是采用二维绘图组织生产,所需要的材料清单都要通过人工,从施工图纸中提取整理后才能获得。绘图工程师和车间工人的识图能力,是保证产品制作质量的关键。随着工程项目美观性的要求越来越高,图纸的复杂程度也越来越大,采用二维图纸表达复杂结构或曲面越来越困难,甚至无法表达清楚和全面。三维模型建造模式越来越受到制造企业的关注,三维建模软件在制造中的应用十分必要。
三维模型建造方式的应用主要体现在三维模型能够实现所见即所得的效果,直观反映出项目建成后的结构特点,使工程师对项目结构特点有更全面和详细的了解,避免因看图不全面而引起总体结构把握上的失误。三维建模软件可以实现高效建模、自动图纸更新、自动清单生成、干涉检查、数控设备自动化等工作。
BIM信息模型是BIM技术应用的基础。其在复杂形体的模型创建与构件加工中的优势,为桥梁行业带来了更多的可能性。
图1 三维信息模型应用
三维加工一体化
传统的生产准备工作模式,是在施工图纸绘制完毕前进行钢板采购,根据设计图纸进行初步套料或简单手工排版确定钢板采购规格,实际生产的排版要在施工图纸完成后进行。材料利用率完全受已采购钢板规格限制,无法达到最大化。该操作模式以人工为主,效率低,出错率高, 材料利用率低。
以BIM信息模型为基础,通过工艺余量添加程序的开发,实现对TEKLA三维模型导出的NC文件进行批量处理,自动生成可直接应用于套料软件的数据文件,自动生成切割代码进行钢板切割,实现设计与工艺的有机结合和衔接, 形成三维加工一体化作业模式,完整数据链,减少重复工作和人为差错。利用套料结果指导钢材采购,准确控制钢材的采购数量,提高了材料的利用率。该操作模式能够实现数字化和信息化操作,节省人力,工作效率、准确性和材料利用率都有所提高。
目前,数字化余量添加及套料系统,已在沪通长江大桥、虎门二桥、小干二桥、铺前大桥等多个项目上成功应用,取得了明显的实用效果。
图2 数字化套料系统整体架构
焊缝信息可视化管理系统
钢桥制造加工过程中,焊缝信息的管理是一项重要工作,对项目的成本、进度和质量起着关键作用。传统项目执行过程中对于焊缝信息的管理主要存在如下问题——
①焊材采购方面。粗略预估,分批采购,不断修正, 对人员要求高,库存积压大。
②焊缝追踪方面。手工编制焊缝地图,费时费力、信息传递性差、逆向查询性差。
③车间生产方面。在实际车间使用时,质检员需要参照图纸、焊缝地图、焊接工艺评定等多份文件,工作量大、效率低、出错率高。
④施工结算方面。根据项目类型和吨位结算,计算粗略,对工作量的计算不够精准。
为改变以上传统方式,利用BIM信息模型实现焊缝信息的可视化管理,通过对三维建模软件Tekla的二次开发,在模型中实现对焊缝的快速编号和属性定义。同时实现对焊缝信息的统计,精确统计焊材消耗量、焊接工时和探伤检验工时等,实现焊缝精细化管理,提高企业的生产力。
焊缝信息可视化管理方式改变了以往粗放型的模式, 将精细化管理理念引入到项目的资源管理中,促进项目管理水平的提高,降低资源消耗,提高企业效益。在钢桥制造行业中引入该焊缝管理方法,进一步提高桥梁制造行业的数字化和智能化水平,是BIM技术的可视化应用及精细管理的体现。未来在BIM平台的基础上,实现三维模型直接通过焊缝信息的方式,驱动焊接机器人进行作业,实现生产的集中远程控制。
图3 焊缝信息在模型中的集成
虚拟预拼装技术的研发
传统的钢桥梁节段预拼装受到设备起重能力、场地、运输、现场架设等诸多因素制约,生产安排很容易受到制造车间长、宽、高的影响,由此造成节段间连接板加工周期长、人工消耗大、制造成本高。同时,现代桥梁设计过程中逐渐融入造型理念,桥梁结构越来越复杂,传统的钢桥梁制造技术很难满足生产需要。
精确测量和虚拟预拼装技术将打破传统钢桥梁制造瓶颈。依据先进、精确的数字化测量设备,实现对已制造钢桥梁节段控制点的精确测量。通过对测量数据处理,模拟生成三维实测模型。然后,将理论设计模型和实测模型在软件中进行精确比对,找出钢桥梁节段在制造过程中出现的问题,并给出最佳修正方案。再利用合格节段的实测模型进行虚拟预拼装模拟,检验各节段间的接口匹配关系。进而保证现场架设质量,减少现场工作量,提高产品质量,降低建造成本。
图4 杆件精度分析
目前,该项技术已经在沪通铁路桥的精度分析及预拼装中进行应用,对产品的精度改进和现场实体预拼装起到较大的指导作用。与实体预拼装相比,虚拟预拼装可以极大地节约成本并缩短工期,对于大型复杂工程和施工条件恶劣的工程尤其如此。随着数字化测量技术的逐步发展、计算机技术的逐步提高,数字模拟预拼装具有良好的前景和广阔的工程应用空间。通过虚拟预拼装技术的成果应用和业界的认可,逐步实现虚拟预拼装代替实体预拼装,为桥梁建造节约成本和缩短工期。
图5 整体预拼装示意图
物料跟踪管理系统的研发
构件追踪及进度管理是生产管理的一项重要内容,大多数生产管理系统都会涉及此内容。传统生产追踪方法采用手工操作、手工记录为主的低效率模式,可阅性及可视化程度较低。特别是建筑、桥梁等大型工程涉及的工程量大,需要追踪的信息量大,图表众多,使得以上问题更加明显。
为改变传统生产进度及产品跟踪的滞后性和不直观性,物联网技术研究及应用将成为一种有效手段。通过二维码作为信息载体,智能手机+专用APP的方式收集杆件生产进度及状态数据,通过无线网络实时反馈信息,将其进度信息通过不同颜色显示于三维数字模型中,以信息化、数字化手段进行高效自动采集、传输和处理。该项技术已经应用于沪通桥项目,和该项目的BIM平台实现对接,并且已在沪通桥所有钢结构制造单位中应用。
智能桥梁制造的展望
图6 进度信息的可视化展示
未来钢桥制造将在BIM技术应用成熟的基础上,实现生产信息的平台化管理。通过信息模型驱动生产中的数控设备,实现自动化和流水化作业;通过局域网及物联网的应用,实现生产信息和设备状态的自动反馈;通过可视化平台的应用,实现生产状态与平台进度模拟的同步显示, 使业主或管理者能够在异地进行项目的总体管控和资源协调,降低工程造价,保证工程质量,缩短建造周期。“智能造桥”概念将深入每个桥梁建设者的内心,分别从材料、设计、施工、装备和养护等全产业链进行技术升级。未来,BIM技术的应用将在智能造桥中发挥越来越大的作用。
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