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    智能建造技術在京雄城際鐵路的應用
    2021-05-18  

      依托京雄城際鐵路,以數字化、信息化為手段探索智能建造、精細管理的新模式

      基于BIM的三維設計

      可行性研究、初步設計階段

      建立北京新機場至雄安站全部工程結構的LOD2. 0地理模型和地質模型,為方案比選、結構布置以及施工圖精度模型的建立提供基礎數據,利用三維GIS功能,實現虛擬踏勘,同時利用低精度模型輕量化的特點,進行設計方案的快速比選,輔助方案設計。

      施工圖設計階段

      利用衛星影像、航空攝影以及無人機攝影數據,疊加全線、全專業LOD3. 0模型,重點工程LOD4. 0模型,建立全線的三維可視化場景,實現線位兩側200 m范圍地形地貌和鐵路設施設備的精細化展示,包含河流、房屋、高速公路和國道信息。

      將大型臨時設施、施工便道設計成果以三維模型的形式展示,并建立信息查詢目錄,方便設計成果的查看。利用三維GIS的分析計算功能,結合施工組織設計,輔助開展大型臨時設施、施工便道選址設計等,完成棄土場、梁場等大型臨時設施選址20余處。

      

      大型臨時設施場地布置模型

      針對雄安特大橋七線并行段存在線間距小、設計邊界條件復雜、多線橋共基礎且多線橋間施工組織困難、橋面板懸臂切割工藝復雜等問題,采用三維BIM模型準確模擬橋梁結構相對空間關系,既可以指導多線橋曲線布置、輔助橋面設計,又可優化多線橋施工組織方案。

      在機場2號隧道出口的路隧過渡段、隧道洞門與路塹主體結構之間、隧道邊仰坡防護結構與路塹邊坡防護結構之間施工和系統排水設計均非常復雜,開展三維BIM設計,校核結構方案。

      

      雄安站為橋式站?;贐IM技術優化站房結構與橋梁結構之間、橋梁結構與站臺梁之間、站房內部各專業結構之間的位置關系,規避不必要的沖突。站場咽喉區道岔梁多且布置困難?;贐IM技術對站場布置方案進行設計,優化多線之間、道岔梁與相鄰橋梁之間的位置關系,實現站場方案的優化。

      協同管理

      基于BIM+GIS一張圖的建設管理系統

      利用BIM+GIS技術,綜合三維設計信息、線路周邊環境信息和工程現場施工數據,匯總形成京雄城際鐵路建設管理綜合數據庫,并根據業務層級(領導層、執行層)、崗位設置(工程部、安全質量部、物資部、計劃財務部、綜合部)和管理維度(進度、成本、質量、安全、投資)分類形成標準數據模塊,為建設管理提供指導和依據。

      基于BIM+GIS一張圖的建設管理系統主要面向各級建設管理者。數據內容主要包括衛星航拍影像數據、無人機實測數據、BIM模型數據,以及工程管理平臺1. 0匯集的各類質量、進度、安全動態數據等。利用BIM+GIS技術形成多維度的可視化的數據視圖,制定不同比例尺下模型和信息的展示標準,實現宏觀、中觀、微觀的快速切換和室內室外的自然過渡。主要的建設管理功能如下:

      1)具備進度、質量、安全、投資、環保等管理功能,其中進度管理為實際進度和計劃進度的比對情況,以及影響進度的關鍵卡控點信息;質量管理方面為原材料試驗結果以及工程實體、大型臨時工程、施工作業質量和質量報檢結果的分級分類展示;安全管理方面為主要風險管控點的分級分類展示。

      2)通過設計交付模塊實現設計成果的存儲、展示和轉發。

      3)統一定義了項目、工程實體、組織機構、人員等信息的基礎編碼,為施工管理系統提供數據接口,通過數據接口實現與施工管理系統的數據共享。

      基于BIM的施工管理

      為更好發揮各施工企業在智能建造領域的自主創新性,首次在全路嘗試采用“建設管理+施工應用”兩級系統。施工應用主要服務施工單位的日常管理,使用建設管理系統統一的基礎數據編碼,將施工現場的主要信息通過數據接口提交至建設管理系統;主要功能包括施工標段的進度、質量、安全管理等。各標段結合自身的管理需求和工程特點,在滿足統一技術要求的基礎上,發揮自身能動性研發施工應用。通過統一登錄認證,接入到建設管理系統,有力推動了標段精細化管理進程。

      基于文檔系統的在線協同

      文檔系統的目標是實現建設過程中各類文件的線上管理,同時實現各類過程文件的數字化管理,為后續數字化歸檔奠定基礎。若有些資料按照建設項目檔案管理辦法不具備電子歸檔條件,可采用機打手簽的方式進行紙質歸檔管理。

      文檔系統主要包括文檔模板管理、文檔實例支撐服務和工程資料庫管理3部分。其中,文檔模板管理主要實現鐵路工程建設過程中表、文的格式管理,統一建設過程中格式文檔的版式;文檔實例支撐服務為各個業務系統提供統一的文件存儲服務、文件流轉服務、快速的格式轉換服務、全文檢索服務、文檔簽章服務;工程資料庫管理主要提供面向個人的文件柜和面向各級建設管理機構的資料庫和歸檔庫。在京雄城際鐵路試點應用過程中,有效提升了文檔流轉辦理的效率,同時避免了文檔分散在個人電腦上,造成檢索利用、歸檔管理不佳等情況。

      監理業務數字化

      監理業務管理系統主要包括統計看板、誠信信息、監理日志、平行試驗、監理指令、監理月報、人員管理等。

      通過監理業務管理系統平臺端和移動端,實現監理業務的在線管理,通過監理日記、旁站記錄等填報功能進行標準化語句的設置,監理工程師可通過標簽功能選擇填報范本,改變了原有傳統手工填寫不規范、格式不一致等現象,同時提高了填報效率。通過手機移動端定位打卡、現場拍照等功能,確保監理工程師在崗履約,有效規范了監理行為,提高了監理業務的管理水平。

      環水保管理數字化

      環水保管理系統包含基礎信息、綜合管理、主體工程、臨時工程、取棄土場、環保工程、竣工驗收7個功能。實現對建設項目環水保管理過程數據、基本工作流程、關鍵環節、資料檔案等的全面系統管理。通過環保管理系統,實現京雄城際鐵路環保工作的在線管理,及時收集建設過程中環保數據,通過統計分析功能發現問題并整改處置,不僅為環保管理決策提供了數據支持,而且有利于環保過程文件的歸檔、驗收資料的匯總。

      積極采用物聯網、遙感監測等新技術,利用環境監測系統監測大氣顆粒物、噪聲等指標;利用水質監控系統監測COD,TOC,SS,NH3,pH等相關指標變化情況;利用地下水監控系統實時監控地下水水位、流量、區域降雨量等關鍵信息。探索利用多時相的遙感影像,基于深度學習和面向對象的遙感數據分類方法,對地形、植被、土壤類型等水土流失因子進行自動識別,并結合遙感影像包含的三維數據信息對水土流失、植被生物量等進行統計分析,實現水土流失、生態監測的輔助評估。

      四電工程接口管理在線協同

      研發基于BIM的四電工程接口管理系統,將站前土建施工單位和站后四電施工單位互檢和交接檢時線下互提紙質表格變為在線業務協同,減小施工協調難度,提高施工管理水平。

      

      四電工程接口檢查系統功能架構

      通過梳理站前工程各專業和四電工程專業接口臺賬,依據綜合接地、接觸網支柱基礎、無砟軌道絕緣處理、各類過軌管道、電纜上下橋鋸齒孔、電纜槽、手孔等接口工程進行分類,并利用BIM模型建立接口工程的三維虛擬樣板,將施工作業指導書和檢查要點與模型關聯,并在BIM模型上進行動態標注。

      施工過程中,利用BIM模型指導站前施工單位進行接口施工;施工完成后,依據BIM模型和國家、行業標準以及每條線的設計要求,指導施工和監理單位檢查驗收,發現問題立即整改,減少專業間的矛盾和沖突。四電施工單位進場后,也可根據四電接口BIM 模型進行檢查,能夠快速建立接口類型臺賬,定位接口位置,若發現問題要求站前施工單位進行整改。

      智能化工廠和工地

      京雄城際鐵路在標準化與數字化融合方面開展了更廣泛的探索和實踐,尤其是在工廠和工地數字化方面。

      冬季施工溫度監測系統

      針對冬季氣溫低、施工保溫困難,混凝土工程易產生凍脹、裂紋、表面結霜等質量問題,結合冬季施工質量控制難點,在混凝土拌和、施工養護環節應用溫度監測系統,掌握混凝土施工養護各個環節的溫度變化情況,確?;炷敛皇軆?。具體措施主要包括:

      1)在原有拌和站系統基礎上,對料倉溫度、出料口溫度進行監測,并適當延長拌和時間,確?;炷涟韬蜏囟葷M足要求。

      2)在澆筑和養護環節,對現場保溫棚進行實時溫度監測與預警。根據結構具體尺寸、形式和澆筑方向,確定測溫點的布置方法。利用信息化手段提高冬季大體積混凝土溫度變化的預測分析能力,通過合理設置后澆帶,削減溫度應力,預防溫度裂縫產生,確保冬季施工質量。

      基于BIM的連續梁轉體施工監測

      在連續梁轉體施工過程中,影響橋梁線形、主梁內力和位移的因素眾多。為了使轉體之后的各段梁體及成橋線形達到要求,保證施工質量和安全,在轉體過程中必須進行嚴格監控。

      建立轉體橋梁的BIM 三維可視化模型。將現場監測的風速、應力、應變、轉速、環境溫度等參數輸入模型,對橋梁施工進行監測與預警,模擬展示轉體過程,為現場施工提供參考。該系統在跨廊涿高速特大橋(72+128+72)m 連續梁施工中應用,該工點采用支架現澆+轉體施工工藝。

      

      轉體過程模擬

      大體積混凝土自動溫控系統

      溫度應力引起的裂縫對結構的承載力、防水性能和耐久性都會產生很大影響。建立大體積混凝土結構BIM模型,優化溫度監測點和水管的埋設路徑,應用混凝土自動溫控系統,實時監測溫度變化,自動調整通水量,排出混凝土內部大量熱量,降低芯部溫度,有效控制內外溫差,防止混凝土出現有害溫度裂縫。溫度監測系統如圖5所示。該系統在跨106國道支架現澆連續梁525#、南大堤57#主墩承臺施工中得到應用。

      

      大體積混凝土溫度監測系統

      小型預制構件廠管理

      為確保預制構件的質量,所有小型預制構件全部在預制場集中預制和養護,再運輸至現場施工。小型預制構件廠采用預制件生產管理系統,主要實現智能化生產的追蹤、監督、控制與管理,包括車間作業計劃、現場作業管控、物資設備管理等功能,提高預制件質量和外觀效果,減少質量通病的發生。該系統與建設管理系統互聯,實現數據實時上傳,方便各參建單位、各級領導隨時掌握現場施工動態及施工進展情況。

      基于BIM技術的智能梁場管理

      在京張鐵路梁場管理系統的基礎上,全面推廣智能建造新技術,打造基于BIM的智能梁場。

      智能梁場生產管理系統的特點:

      1)基于BIM技術,面向梁場的生產過程、進度控制和質量安全,建立全過程控制和管理的梁場綜合管理平臺,集成拌和站生產過程管理、試驗室管理、自動張拉、自動壓漿、自動靜載試驗、自動噴淋、視頻監控等系統相關數據,有效消除“信息碎片”和“信息孤島”,實現原始資料一次錄入、全過程共享,有效減少施工單位的重復錄入工作;支持內業資料自動生成和梁體制、運、架全過程質量管控和追溯管理。

      2)大力開展智能核心裝備的研發與應用,探索鋼筋加工、焊接、運輸成套技術,建立以BIM為核心的鋼筋自動加工成套技術,推進鋼筋網片焊接數字化、自動化,實現鋼筋半成品“貨架式”管理、自動化運輸和鋼筋加工配送的智能化,將作業人員由常規30人減至10人以內。

      3)持續推進梁體提、運、架設備的智能化,應用定位導航系統,并結合胎壓監測、雷達預測障礙物報警、視頻監控等信息化手段實時監測預警,保障運架安全。采用精準落梁系統,通過控制千斤頂來實現支座反力與位移的自動調整與鎖定。

      少人化的板廠生產管理

      京雄城際鐵路河間軌道板廠采用流水機組法生產,各工序通過“生產控制中心”集中智能控制,通過自動張拉、放張設備實現數據自動采集和上傳,通過智能養護系統實現養護池內溫度自動監測與控制,應用3D智能檢測系統實現了軌道板幾何尺寸自動檢測及分析。全面啟用板廠生產管理系統,實現了張拉、澆筑、蒸養、放張、水養、驗收等工序的信息采集。逐步有序推進板廠生產的自動化、少人化。

      目前已經完成12道工序中8道工序的自動化升級,剩余混凝土自動布料、鋼筋骨架安裝、預應力鋼筋安裝、鋼筋絕緣檢測4個工序正在試驗調試,全部升級到位后,預計作業人數由原來50人減至15人以內。

      路基施工智能化

      在路基施工方面探索路基碾壓的無人化,集成北斗定位、路基連續壓實等技術,通過路徑規劃和連續壓實檢測技術,實現無人碾壓,并對不合格區域進行自動補壓。利用圖像識別技術實現填料組分的自動識別,基于電阻率法實現填料含水率的實時隨車檢測。

      

      接觸網智能預配管理

      利用BIM技術,結合接觸網腕臂預配、吊弦預配等深化設計的具體需求,研發接觸網工廠化預配管理系統。通過導入設計的幾何信息和現場測量數據,自動計算接觸網各配件的幾何尺寸,自動生成預配件的BIM模型和二維圖紙。在預配車間一次性完成上料、定位、打孔、裝配等全流程,杜絕返工,減少人力和材料的浪費。同時利用二維碼技術開展過程追溯,實現進場驗收、使用批次、出庫驗收、現場安裝等過程管理。發生質量問題時可追查廠家、進場批次等信息。

      利用BIM 技術優化了設計方案,提高了設計質量。利用協同管理平臺有效提升了建設管理協同效率和能力。工廠和工地大量采用智能化管控系統,優化了作業工序,確保了作業質量,提升了作業效率。智能建造技術在京雄城際鐵路的成功應用對于提高鐵路工程安全和質量水平,降低勞動強度、加快建造速度、實現綠色建造和節能減排具有重要意義,在后續工作中,還需對全壽命周期數字化管理、裝備智能化等領域開展更深入的探索。



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