1、摘要

本文對(duì)一種基于BIM的鐵路智能梁場(chǎng)鋼筋智能加工技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究，該技術(shù)采用BIM軟件完成鋼筋BIM建模、分析和優(yōu)化，利用數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入智能梁場(chǎng)管理信息平臺(tái)，通過(guò)集成化方式與信息化手段實(shí)現(xiàn)智能鋼筋加工。在京雄鐵路項(xiàng)目中的應(yīng)用實(shí)踐表明，該技術(shù)可提高鋼筋翻樣和加工的效率，減少人工成本，避免施工現(xiàn)場(chǎng)材料浪費(fèi)等問(wèn)題，提高綜合管理水平，在鐵路行業(yè)應(yīng)用擁有廣闊前景，具有推廣和借鑒意義。

2、概述

近幾年，我國(guó)工程行業(yè)展開(kāi)了現(xiàn)代化的建設(shè)革命，建筑施工由傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型過(guò)渡到現(xiàn)代工廠化、智能化建造方式，而鋼筋作為工程建設(shè)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(shù)升級(jí)。

工程主體結(jié)構(gòu)所需的原材一般分為線材、棒材，棒材生產(chǎn)通用規(guī)格長(zhǎng)度為12m和9m。現(xiàn)場(chǎng)制作時(shí)，需要將原材進(jìn)行截?cái)鄰澢?，施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)合理利用原材的損耗，需要在加工前對(duì)鋼筋下料長(zhǎng)度進(jìn)行套料計(jì)算。

目前棒材套料計(jì)算方式都是人工來(lái)算，很容易出錯(cuò)，且計(jì)算結(jié)果易受人的主觀意識(shí)影響。在鋼筋集中加工的情況下，需要計(jì)算的數(shù)據(jù)量比分散加工要大得多，人工計(jì)算顯得非常困難。除此之外，數(shù)據(jù)量增多，很有可能出現(xiàn)計(jì)算加工錯(cuò)誤現(xiàn)象，導(dǎo)致原材鋼筋的嚴(yán)重受損進(jìn)行返工，從而降低了生產(chǎn)效率。

在鐵路橋梁工程中，箱梁等預(yù)制構(gòu)件對(duì)鋼筋加工有著大量需求。構(gòu)件內(nèi)鋼筋存在體量大、數(shù)量多、安裝精度高的要求。因此，如何利用信息技術(shù)、機(jī)械自動(dòng)化加工技術(shù)來(lái)提升生產(chǎn)效率、工程質(zhì)量和自動(dòng)化程度是一個(gè)重要課題。

本文對(duì)鋼筋加工一體化技術(shù)開(kāi)展應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了BIM鋼筋建模軟件與一體化加工設(shè)備硬件結(jié)合，整套技術(shù)在京雄城際高鐵項(xiàng)目建設(shè)生產(chǎn)中得到了實(shí)踐的驗(yàn)證，為鐵路工程智慧梁場(chǎng)簡(jiǎn)支箱梁鋼筋智能加工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

3、梁場(chǎng)鋼筋智能加工技術(shù)路線

梁場(chǎng)智能鋼筋集中加工一體化作業(yè)，將鋼筋智能加工所有發(fā)生的業(yè)務(wù)都在平臺(tái)內(nèi)完成，使用 BIM 平臺(tái)的鋼筋模型數(shù)據(jù)提交加工需求，實(shí)現(xiàn)了辦公室生產(chǎn)任務(wù)管理與工廠內(nèi)鋼筋設(shè)備的雙向數(shù)據(jù)及時(shí)通訊，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息，將在辦公室處理好的生產(chǎn)任務(wù)下發(fā)到對(duì)應(yīng)的鋼筋設(shè)備上，并將鋼筋設(shè)備的生產(chǎn)結(jié)果反饋到辦公室進(jìn)行匯總，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。從而更加高效、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)程的管理。

梁場(chǎng)智能化生產(chǎn)過(guò)程中，以梁體施工鋼筋圖為基準(zhǔn)，利用BIM鋼筋建模技術(shù)為主導(dǎo)，以智能加工設(shè)備為核心，完成基于BIM技術(shù)鋼筋優(yōu)化設(shè)計(jì)；根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后的鋼筋BIM模型導(dǎo)出鋼筋格式數(shù)據(jù)，用于物料生產(chǎn)管理系統(tǒng)確認(rèn)加工代碼單號(hào)；智能設(shè)備鋼筋加工管理系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)入鋼筋代碼單號(hào)，自動(dòng)生成鋼筋加工代碼單，將代碼單號(hào)輸入加工設(shè)備。通過(guò)局域網(wǎng)將智能鋼筋加工設(shè)備和辦公網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備鋼筋加工一體化制作。

圖1：鋼筋加工技術(shù)應(yīng)用流程

4、鐵路箱梁鋼筋深化設(shè)計(jì)及優(yōu)化

·利用BIM技術(shù)輔助鋼筋優(yōu)化

鋼筋優(yōu)化設(shè)計(jì)利用建模軟件Planbar，Planbar鋼筋建模功能突出，且建模精度達(dá)到LOD 5.0，可擴(kuò)展性好，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式多樣，比較容易實(shí)現(xiàn)與鋼筋加工管理平臺(tái)之間數(shù)據(jù)傳遞?？偨Y(jié)利用BIM技術(shù)對(duì)鋼筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)，積累經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，形成鋼筋優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，包括準(zhǔn)備工作、鋼筋建模和設(shè)計(jì)糾偏三大步驟。

在鋼筋優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合鋼筋加工經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際需求，進(jìn)一步完善鋼筋的建模流程。基于Planbar鋼筋數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口，可將鋼筋模型導(dǎo)出系統(tǒng)接收的BVBS數(shù)據(jù)格式，傳輸至智能鋼筋加工設(shè)備進(jìn)行鋼材加工。

圖2：BVBS數(shù)據(jù)

·基于BIM的鋼筋碰撞檢查分析

通過(guò)碰撞檢測(cè)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(duì)梁體鋼筋與波紋管、支座預(yù)埋件、吊點(diǎn)等進(jìn)行了空間分析并存在著沖突等問(wèn)題，因此提前對(duì)箱梁鋼筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)有沖突的地方進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，可以有效避免綁扎過(guò)程中二次處理。

此外，結(jié)合鋼筋綁扎工藝流程，運(yùn)用軟件對(duì)梁體鋼筋綁扎過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)三維可視化手段分析和優(yōu)化綁扎過(guò)程，并對(duì)工人進(jìn)行交底，有效提高鋼筋籠綁扎質(zhì)量。特性相同的箱梁鋼筋綁扎工藝實(shí)際過(guò)程中需要重復(fù)若干次，因此模擬、分析、優(yōu)化和交底的過(guò)程可以結(jié)合實(shí)際施工情況不斷優(yōu)化，從而提高工作效率。

圖3：連續(xù)梁鋼筋（部分）

·物料生產(chǎn)管理系統(tǒng)

根據(jù)建設(shè)單位工廠化、智能化、數(shù)字化建設(shè)要求，項(xiàng)目部和鋼筋智能設(shè)備廠家提出需求，共同研發(fā)了針對(duì)鋼筋智能加工中心數(shù)字化管理，該物料生產(chǎn)管理系統(tǒng)支持BVBS鋼筋參數(shù)格式，利用BIM技術(shù)鋼筋建模導(dǎo)入物料管理平臺(tái)，進(jìn)一步復(fù)核優(yōu)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(guò)該平臺(tái)形成了系統(tǒng)性的管理手段，實(shí)現(xiàn)了智能生成管理一體化制作管理。

5、智能梁場(chǎng)鋼筋配置

·軟件配置

（1）BIM建模軟件

筆者采用德國(guó)Nemetschek公司的PlanBar軟件，進(jìn)行箱梁鋼筋建模。

首先通過(guò)BIM軟件把整孔梁進(jìn)行建模，將預(yù)制箱梁模型中每個(gè)型號(hào)的鋼筋、尺寸等生成導(dǎo)出下料單（二維碼、條碼下料單），直接與智能鋼筋加工設(shè)備接口連接。在預(yù)制箱梁建模的過(guò)程中，可以對(duì)設(shè)計(jì)圖紙工程量的審核；在施工過(guò)程中碰撞檢查；實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度模擬等。

圖4：利用PlanBar 進(jìn)行箱梁鋼筋建模

（2）物料生產(chǎn)管理平臺(tái)

為支持鋼筋加工中心對(duì)鋼筋智能加工任務(wù)進(jìn)行訂單、生產(chǎn)、材料和倉(cāng)儲(chǔ)的信息化管理，梁場(chǎng)鋼筋加工采用了物料生產(chǎn)管理平臺(tái)。該平臺(tái)包括鋼筋模型BVBS數(shù)據(jù)導(dǎo)入、鋼筋生產(chǎn)任務(wù)計(jì)劃、鋼筋加工單生成、加工過(guò)程監(jiān)控等模塊。

智能鋼筋加工設(shè)備鋼筋數(shù)據(jù)接口通過(guò)解析Planbar模型導(dǎo)出的鋼筋數(shù)據(jù)格式，接收鋼筋型號(hào)數(shù)據(jù)信息后，自動(dòng)生成鋼筋加工任務(wù)單，并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖5：導(dǎo)入平臺(tái)鋼筋型號(hào)下料單

·智能梁場(chǎng)鋼筋加工設(shè)備布置

針對(duì)雄縣制梁場(chǎng)工程龐大的任務(wù)量，施工周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，根據(jù)大型智能鋼筋加工設(shè)備，需要對(duì)鋼筋加工場(chǎng)集中加工的整體布局，集中生產(chǎn)，按照不同型號(hào)規(guī)格進(jìn)行分類輸送到鋼筋綁扎區(qū)進(jìn)行使用。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)各區(qū)域布局設(shè)置，智能鋼筋加工設(shè)備設(shè)置于梁場(chǎng)極便于運(yùn)輸使用鋼筋綁扎附近，智能鋼筋加工中心配備磁吸自動(dòng)上料識(shí)別、多根剪切機(jī)械、四機(jī)頭、雙工位彎曲中心、彎箍、調(diào)直一體機(jī)等加工機(jī)械設(shè)備如下圖6所示。場(chǎng)地內(nèi)設(shè)備及區(qū)域布置如下圖7所示。

圖6：鋼筋加工場(chǎng)實(shí)拍

圖7：鋼筋智能加工廠布置

6、智能梁場(chǎng)鋼筋智能加工技術(shù)

·技術(shù)簡(jiǎn)介

雄縣智能梁場(chǎng)2018年8月1日開(kāi)工建設(shè)，計(jì)劃竣工日期2019年12月30日。主梁場(chǎng)預(yù)制梁任務(wù)包括單線箱梁212孔（32m200孔，24m12孔），雙線箱梁132孔（32m126孔，24m6孔）。根據(jù)施工進(jìn)度安排，梁場(chǎng)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(jù)施工圖紙，將不同類型的箱梁鋼筋模型繪制出來(lái)，在此過(guò)程中技術(shù)人員可以加強(qiáng)圖紙記憶，對(duì)圖紙的理解更為透徹！繪制完成鋼筋模型以后，對(duì)箱梁鋼筋模型進(jìn)行碰撞檢查，按照碰撞檢查結(jié)果，對(duì)箱梁鋼筋進(jìn)行優(yōu)化。

在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分鋼筋尺寸不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，比如32m雙線箱梁N33-1鋼筋尺寸過(guò)長(zhǎng)，N33-2過(guò)短。對(duì)此，按照實(shí)際情況，對(duì)圖紙進(jìn)行優(yōu)化。因此減少了人力、材料等資源的浪費(fèi)。

·工藝流程

針對(duì)梁場(chǎng)的鋼筋智能加工規(guī)劃，配套數(shù)控鋼筋成型設(shè)備、輔助信息化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，以成型鋼筋加工工藝路線為基礎(chǔ)，系統(tǒng)規(guī)劃、統(tǒng)籌管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)廠房的流水化物料流轉(zhuǎn)的高效生產(chǎn)。

一方面，以數(shù)控成型裝備為基礎(chǔ)，顯著提升產(chǎn)品質(zhì)量的把控能力；另一方面，則是通過(guò)全程的信息化綜合管控，構(gòu)建全程可追溯的質(zhì)量管理體系。以此來(lái)實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)的高效管理和銜接，保證成型鋼筋部品的品質(zhì)和供應(yīng)。

（1）首先根據(jù)鋼筋智能加工設(shè)備支持的數(shù)據(jù)BVBS格式，選用適合支持鋼筋深化設(shè)計(jì)模型創(chuàng)建的BIM軟件， Planbar鋼筋建模功能突出。同時(shí)Planbar可擴(kuò)展性好，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式多樣，能夠?qū)崿F(xiàn)與鋼筋加工管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳遞。

圖8：鋼筋加工場(chǎng)實(shí)拍

（2）通過(guò)軟件學(xué)習(xí)培訓(xùn)后、對(duì)工作經(jīng)驗(yàn)豐富的的專業(yè)建模工程師根據(jù)設(shè)計(jì)單位已下發(fā)的設(shè)計(jì)施工圖進(jìn)行箱梁鋼筋翻模，如1榀32m簡(jiǎn)支梁箱梁需要建112種不同尺寸和規(guī)格型號(hào)的鋼筋模型，包括預(yù)應(yīng)力管道鋼絞線、模具等，為確保建出的模型尺寸和弧度質(zhì)量，整體建模任務(wù)量非常龐大，將建好的箱梁模型進(jìn)行下一步優(yōu)化。

（3）利用BIM建模軟件自帶的設(shè)計(jì)糾偏功能，將整體箱梁所配置的物料材料進(jìn)行碰撞校核，通過(guò)碰撞檢查報(bào)告得出的結(jié)果，一些簡(jiǎn)單的鋼筋打架沖突問(wèn)題可以提前告知鋼筋綁扎作業(yè)人員，如有不好處理的碰撞沖突問(wèn)題將以書(shū)面報(bào)告?zhèn)魉徒o設(shè)計(jì)單位進(jìn)行優(yōu)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(méi)有問(wèn)題時(shí)，將箱梁鋼筋導(dǎo)出BVBS格式，傳輸至物料生產(chǎn)管理平臺(tái)，平臺(tái)的功能會(huì)自動(dòng)生成任務(wù)單。

鋼筋加工控制信息平臺(tái)可以根據(jù)鋼筋場(chǎng)加工能力、加工需求和生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度安排，實(shí)行訂單式管理模式，可以做到“統(tǒng)一采購(gòu)，統(tǒng)一生產(chǎn)，統(tǒng)一堆場(chǎng)，統(tǒng)一出廠”。信息平臺(tái)通過(guò)合理規(guī)劃加工訂單，制定最佳加工次序。

精確控制智能加工生產(chǎn)：通過(guò)信息平臺(tái)導(dǎo)出的加工單，上面附有各種類型鋼筋獲取編號(hào)，鋼筋自動(dòng)加工設(shè)備通過(guò)輸入相應(yīng)編號(hào)可以自動(dòng)將鋼筋信息錄入后進(jìn)行鋼筋的精準(zhǔn)加工。確認(rèn)無(wú)誤后，通過(guò)場(chǎng)內(nèi)局域網(wǎng)傳輸至智能加工設(shè)備進(jìn)行鋼筋加工。

（5）生產(chǎn)管理流程以加工任務(wù)信息化下發(fā)為起點(diǎn)，根據(jù)鋼筋的具體加工需求將任務(wù)指派給具體的生產(chǎn)設(shè)備后啟動(dòng)生產(chǎn)，加工完成后的成型鋼筋由綁扎工人完領(lǐng)用后按照任務(wù)圖紙進(jìn)行綁扎并對(duì)成品進(jìn)行掛料排操作，最后根據(jù)按照庫(kù)區(qū)設(shè)計(jì)完成入庫(kù)操作等待領(lǐng)用。

BIM 模型生成的鋼筋加工任務(wù)數(shù)據(jù)，通過(guò) TCP協(xié)議與接口程序進(jìn)行通訊。BIM 導(dǎo)出鋼筋加工任務(wù)文件，由接口程序主動(dòng)到指定文件夾內(nèi)進(jìn)行任務(wù)獲取。直接向鋼筋智能加工設(shè)備接口程序發(fā)送下發(fā)任務(wù)、回取數(shù)據(jù)的接口請(qǐng)求，然后通過(guò)智能鋼筋加工設(shè)備接口的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)各機(jī)臺(tái)鋼筋設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。

圖10：基于BIM的鋼筋智能加工一體化整體應(yīng)用流程

7、 總結(jié)與展望

智能梁場(chǎng)鋼筋智能加工技術(shù)的組成；本技術(shù)利用 BIM 技術(shù)為手段進(jìn)行鋼筋的三維翻樣，數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理并與智能鋼筋加工機(jī)械的無(wú)縫對(duì)接，有效提高鋼筋的加工質(zhì)量和效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、材料浪費(fèi)及能源消耗。

京雄城際鐵路五標(biāo)項(xiàng)目部雄縣制梁場(chǎng)預(yù)制箱梁( 總體長(zhǎng)度約12.1 km )的施工過(guò)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(chǎn)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(jīng)濟(jì)效益率 28. 8% ，取得了較好的應(yīng)用成果。具體成果如下：

（1）在預(yù)制箱梁建模的過(guò)程中，可以對(duì)設(shè)計(jì)圖紙工程量的審核；在施工過(guò)程中碰撞檢查；實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度模擬等。

（2）利用BIM建模軟件高精度建模（LOD 5.0）導(dǎo)出下料單上傳至物料管理平臺(tái)，指令設(shè)備加工，從而減少了工人在鋼筋加工過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤。

（3）比以前的鋼筋廠降低了一大半人工的投入，三臺(tái)智能設(shè)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(shí)現(xiàn)了智能流水線制作，提高了信息化、機(jī)械化、智能化、管理標(biāo)準(zhǔn)化，滿足了建設(shè)單位的要求并得到了認(rèn)可。

圖11：鋼筋自動(dòng)化加工設(shè)備

鋼筋一體化加工目前處于應(yīng)用發(fā)展階段，除智能設(shè)備本身穩(wěn)定性有待提高等技術(shù)問(wèn)題外，還存在以下問(wèn)題：

（1）根據(jù)梁場(chǎng)生產(chǎn)任務(wù)對(duì)建鋼筋場(chǎng)的整體考慮，智能加工設(shè)備占地面積大，鋼筋加工場(chǎng)空間也大，對(duì)于小型工地，智能設(shè)備投入必要性不大，普通型號(hào)加工設(shè)備占地空間小，方便與靈活挪動(dòng)，小型工地使用率高。

（2）機(jī)械設(shè)備前期需要人工進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，優(yōu)化模型鋼筋數(shù)據(jù)。

（3）鋼筋模型需要人工建立，過(guò)程中容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤導(dǎo)致鋼筋數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

基于 BIM 技術(shù)的鋼筋加工方法，利用Planbar建模軟件對(duì)施工圖進(jìn)行翻模，智能設(shè)備加工易上手，一般人都可以操控，積極發(fā)揮智能化對(duì)資源經(jīng)濟(jì)效益，通過(guò)高新技術(shù)推動(dòng)成本管控，提升了智能化生產(chǎn)能力，為今后鋼筋智能集中加工奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)避免了傳統(tǒng)鋼筋場(chǎng)環(huán)境差，加工設(shè)備多，場(chǎng)地亂等問(wèn)題，不但能提高企業(yè)在市場(chǎng)上的科技實(shí)力和綜合競(jìng)爭(zhēng)力，而且可以進(jìn)一步促進(jìn)經(jīng)營(yíng)開(kāi)發(fā)的發(fā)展，帶來(lái)更好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

現(xiàn)代鐵路工程趨向于智能化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化的建設(shè)理念，對(duì)設(shè)計(jì)施工各個(gè)環(huán)節(jié)提出更高的要求，鋼筋加工作為生產(chǎn)施工中的重要環(huán)節(jié)在自動(dòng)化、精細(xì)化的進(jìn)程中將率先作出貢獻(xiàn)，相信該技術(shù)也將為我國(guó)鐵路工程乃至工程行業(yè)帶來(lái)參考和借鑒。