[分享]桥梁智能制造的新进展

回顾我国桥梁的发展历程可以发现，为满足工程需求开展的技术创新在不断推动着桥梁产业向前发展，桥梁产业的发展反过来又对技术创新提出了更高、更新的要求。21世纪以来新一轮科技革命和产业变革正在孕育兴起，工业化与信息化、智能化正深度融合，“工业4.0”“中国制造2025”等国内外战略纷纷明确了智能制造的发展目标，传统建筑业也将迎来深刻变革。为此，面向技术现状及未来需求，亟待围绕桥梁智能设计、智能施工及装备、装配式结构及高性能材料、智能管养等方面，全面开展桥梁智能建造技术研发与实践，进一步提高我国桥梁建设水平。

改革开放40多年以来，我国建成了以苏通大桥、港珠澳大桥等为代表的一大批技术难度大、科技含量高的特大型桥梁，以及量大面广的中小跨径桥梁网络。在取得伟大成就的同时，我们也清楚认识到自身不足，占比绝大多数的混凝土桥梁施工仍以劳动密集型的现浇工艺为主，桥梁建造技术工业化程度还很低，传统的建造方式越来越不能适应新时代中国经济发展，突出体现在以下几个方面——

1.劳动力需求大：混凝土桥梁钢筋绑扎、模板安装及现场浇筑需耗费大量的劳动力，这与我国当前建筑工人日益短缺的现状矛盾突出。相关数据显示，自2012年起，我国16至59周岁的劳动力人口在数量和比重上连续出现双降，7年间减少了2600余万人，建筑工地现场50岁以上工人占50%以上。可以预见，劳动力将成为行业发展的制约因素。

2.施工条件较差：大量施工措施及设备作业条件差，现场施工易受环境影响，施工部位人员密集，施工安全风险不断高攀，这与以人为本的发展理念格格不入。

3.质量控制不易:现场施工钢筋及构件定位、混凝土布料和振捣等关键工序受人工素质影响大,易出现混凝土结构存在养护不够、易开裂、外观质量不佳等问题,这与“高质量发展”相背离。

4.环境友好性差：现场施工作业产生大量的噪音、粉尘，同时对既有交通造成影响，无法满足“美丽中国”的建设要求。

5.信息化程度低：常规桥梁施工过程数据监测采集效率低下、实时信息难以获取，关键设备的运行状态数据只能由现场操作人员查看，或根据经验判断，施工管理者无法远程监管、实时决策及传达指令等。

为此，如何提高复杂建设条件下的桥梁建造品质及效率，最大程度减少劳动力投入，降低施工成本，降低施工安全风险是当前需要解决的重大课题，当前桥梁建造方式亟待转型升级，改变落后现状。

进入21世纪以来，新一代信息通信技术、新材料技术、“互联网+”技术、智能制造技术、人工智能技术等现代科技快速发展，也对各行各业转型升级、提高质量、改善服务、增进安全、保护环境等产生重大影响。《中国制造2025》在2015年正式发布，该规划是中国成为制造强国的第一个十年行动纲领，其重点任务有“推进信息化、智能化与工业化深度融合”，而这也正是智能建造的核心所在。同年，交通运输部印发了《交通运输部关于印发<交通运输重大技术方向和技术政策>的通知》（交科技发[2015]163号），将“桥梁智能制造技术”列为交通运输十项重大技术方向和技术政策之一。

当前，我国桥梁建设正由传统的建造方式，向工业化、数字化建造变革，未来还将融入先进智能制造技术，向智能建造方向发展。智能建造简单地说就是通过自动化减人、机械化换人，逐步把人从繁重的体力劳动和脑力劳动中解放出来，并充分利用大数据、物联网、智能传感、人工智能等新技术，实现工程深化设计及优化，工厂化加工，精密测控，智能化安装，动态监控，信息化，系统化管理，达到提质增效、拓展工程价值链的目的。绿色化、工业化、信息化、智能化是智能建造最显著的特征，智能建造高度契合了高质量发展模式的要求，也是解决传统建造不足的有效手段，成为了传统建筑业转型升级的发展趋势。

以下主要从适应于预制装配的新型桥梁结构、基于一体化的智能工程装备、轻质高强材料、面向智能建造的数字化控制技术等四个方面，介绍一些桥梁智能建造领域的技术新进展。

主梁装配化方面，2004年中交二航局在苏通大桥首次大规模采用短线匹配法节段预制拼装箱梁技术。该技术是一种将整孔箱梁设计成若干个标准节段，在预制工厂利用循环使用的模板系统逐榀匹配、流水预制，再由运输工具运至桥位，由架桥机或吊机进行现场组拼成桥的先进技术。经过十多年研发与工程应用实践，目前已形成了节段梁预制工厂标准化生产线及预制拼装成套技术，开发了几何线形控制方法及专用软件、研发了机电液一体化系列架桥机。同时，针对混凝土节段自重大、接缝抗剪性能差等缺点，提出将短线匹配法节段预制与波形钢腹板组合梁相结合，开发了新一代节段预制拼装技术，建立了节段预制拼装波形钢腹板组合梁设计方法，形成了相应的预制安装成套技术，拓展了短线匹配法节段预制技术的应用范围。相关成果应用于崇启大桥、港珠澳大桥、南沙大桥、南京长江五桥等多个具有重大影响力的项目，有力地推进了我国装配式桥梁结构的发展。在形成完备技术链条的同时，也取得了良好的经济与社会效益。以南京四桥引桥为例，采用装配化技术取代传统现浇后，劳动力投入大幅节省53%，工期从38个月缩短至19个月，水电油等资源消耗也得以显著减少（图1）。

图1 节段预制拼装桥梁显著的经济社会效益

在桥面板装配化方面，将“胶接缝”连接技术应用于大跨钢混组合梁斜拉桥。传统组合梁斜拉桥施工时，预制桥面板间通常在现场通过现浇湿接缝进行连接，现场浇筑量大，质量控制难度大，且工序多，养护时间长，工效低。为解决传统现浇湿接缝的缺陷，在泉州湾跨海公路大桥的建设中，引入节段梁中的胶接缝连接技术，不仅保证了接缝施工质量，而且将现场安装工效提高了40%。此外，还将高强、高韧性、高耐久的超高性能混凝土（UHPC）材料应用于桥面板结构，研发了结构轻、强度高的新型UHPC高性能混凝土预制桥面板，解决了钢桥面板疲劳开裂及铺装易损的问题，并开发了专用智能生产线，实现了桥面板结构的规模化生产（图2）。在钢桥面板方面，研发了U肋内焊正交异性钢桥面板以及自动焊接成套技术，相较于传统的单面焊，其抗疲劳性能提高两倍以上（图3）。成果应用于南京长江五桥、沌口长江大桥等项目，将显著提升大跨桥梁桥面结构使用寿命。

图2 南京五桥UHPC面板智能生产线

图3 沌口长江大桥U肋内焊正交异性钢桥面板

在大跨径桥梁索塔结构方面，提出了下塔柱采用钢-混凝土组合结构、中上塔柱采用钢筋混凝土结构的新型组合桥塔，与混凝土塔柱相比，钢-混组合结构塔柱承载力和延性提高15%以上，解决了传统混凝土下塔柱截面大、配筋密、延性差的问题。在南京长江五桥的建设中，成功解决了钢壳混凝土索塔节段匹配安装、精确定位、焊接变形控制、索塔整体线形控制等一系列关键技术难题，完善了大跨桥梁新型索塔结构的建造技术。

在桥梁预制基础方面，针对外海珊瑚礁、城市等不同建设条件，提出了预制UHPC管桩、超大直径预制-灌注组合基础等多种高性能预制基础结构形式，并提出了免振冲施沉、管柱基础内支撑式掘进等相应的基础施工工艺，为复杂水文地质条件的外海环境及高人口密度城市地区的基础施工，提供了装配化解决方案，必将有力地支持“一带一路”工程建设以及城市基础设施建造技术升级。

更为复杂的桥梁建设环境，对施工工艺、专用装备智能化程度等多方面提出了更高要求。近年来，二航局在传统装备基础上通过改进、创新，形成了覆盖桥梁建造、维修、拆除全寿命周期的全套智能化新型装备。

结合桥梁装配化发展方向，自主开发了集合机械行走、液压驱动、施工控制、监视报警功能于一体的智能化步履式顶推装备，先后攻克了等截面箱梁顶推、梁拱组合桥梁顶推、变高截面箱梁顶推、钢桁梁桥顶推、曲线桥梁顶推等关键技术难题，核心专利获得中国专利金奖。设备成功应用于九堡大桥、北盘江大桥、沌口长江大桥等项目中，实现了铁路、公路、城市枢纽等大型桥梁无障碍跨越的智能化施工。在此基础上进一步拓展步履式顶推技术的应用，持续探索新型建造技术，创新性地将步履式顶推技术应用到海上沉桩平台上，研发了集沉桩、钻孔、平台移位、调位及快速定位功能于一体的桩顶支撑步履式沉桩平台，实现了中长周期波浪、无覆盖层复杂地质条件下打入桩和嵌岩桩的全天候高效施工，极大助力了以色列Ashdod港、巴基斯坦胡布CPHGC煤码头等海上复杂环境项目的建设（图4）。

图4 一体智能化步履式顶推装备在主梁及桩基施工中的应用

在梁式桥建造技术方面，为提升传统挂篮现浇施工技术的智能化程度，自主研发了集机械、液压以及电气自动化技术于一体的智能化挂篮系统，实现挂篮动作智能同步与远程监控，并形成对挂篮受力、位移等参数的实时跟踪，在乌江大桥、枫树坝大桥等项目的应用中，成功将挂篮单次循环工期缩短10小时、施工人员减少50%。针对中小跨径装配式桥梁，还自主研发了能同步安装预制墩柱及主梁的一体化架桥机，进一步发挥了装配桥梁施工快速、环境交通干扰小的优势，促进了装配式桥梁在高度城市化地区的应用。此外，在常规一体化架桥机的基础上进行优化改进，研发了带打桩模块的斜拉悬臂式一体化架桥机，可实现全预制装配式桥梁的一体化安装。

在超高混凝土桥塔建造方面，二航局基于工业化生产及移动工厂的理念，对传统的液压爬模装备进行改进，研发了多功能一体化筑塔专用设备，大大改善了传统工艺施工效率较低、劳动力需求大且安全风险高的问题，多功能一体化筑塔机在深中通道项目建设中的应用，显著提升了工程品质。

随着我国桥梁面临的荷载日趋加重，环境条件也逐渐严峻，大量旧桥危桥面临着维修、加固、拆除的问题。在斜拉桥检修及加固方面，提出了不中断交通条件下斜拉索更换施工成套技术，研发了动态车载作用下斜拉桥状态识别技术和斜拉索检测机器人，实现了拉索高精度、自动化检测。在桥梁移位方面，构建了3000吨级超重弯坡梁段快速移除设计、施工、安全控制技术体系，并研发了智能监测系统以及132轴高同步性SPMT并车装备，实现了桥梁的快速、绿色移除（图5）。

图5 3000吨级超重弯坡梁段快速移除装备

桥梁向大跨度、轻型化、智能化发展，必须对传统的建筑材料进行革命性突破。目前，超高性能混凝土、高性能灌浆料、适于3D打印的高流动性混凝土、智能自修复混凝土、形状记忆合金（SMA）等，作为桥梁工程领域具有巨大应用前景的新型结构材料，已成为该领域的研究和应用热点。

近年来，二航局研制了满足不同结构部位性能需求的轻质高强UHPC材料，攻克了UHPC制备、施工、养护等质量控制关键技术，制定了完整的UHPC系列化产品开发计划，编制了多部行业规范，相继开发出UHPC栈桥面板、UHPC轻型组合桥面铺装、UHPC索塔结合段等，并先后在福厦高铁、中马友谊大桥、襄阳庞公大桥等项目中得到了成功应用（图6）。

图6 UHPC工程应用

在高性能灌浆料方面，开发了初始流动度320mm、28d抗压强度120MPa高强高韧性纤维灌浆料，解决了传统灌浆材料早期强度低、疲劳性能差、干燥收缩大、韧性低等难题，并成功应用于预制构件、组合结构连接中，提升了装配式桥梁结构的连接性能及装配工效。

在钢桁桥制造安装控制方面，建立了从制造几何数据快速精确采集、快速三维数据建模，到预拼装误差统计分析的虚拟预拼装平台，并通过实例分析建立预拼装评判标准，指导现场制造。在沪通长江大桥天生港专用航道桥的建设中，相比于工厂预拼装，虚拟预拼装的成本降低了90%、时间减少70%，大大提升了装配式桥梁、尤其是钢桁桥的安装精度与效率。

在转体施工控制技术方面，研发了大跨多肋柔性拱竖转、万吨级平转技术及控制系统，形成了转体施工控制方法和控制指标体系，控制系统成功应用于郑万铁路水平转体、沪通长江大桥天生港专用航道桥的竖向转体施工，实现了转体过程自动协调智能同步控制，以及转体全过程几何与受力状态自动跟踪与调控。

图7 三拱肋竖向转体实时监控系统界面

为了将自动化监测拓展至桥梁全寿命周期，该项目提出并建立了基于几何控制法的桥梁全寿命安全监控系统。该系统实现了施工与运营养护的无缝对接，贯穿了结构构件制作、安装、使用、拆除全过程控制，全面把握桥梁结构真实状态，为桥梁全寿命周期的安全评估和养护决策提供了科学依据。此外，二航局积极探索项目管理方式创新，在国内首次将GIS+BIM技术应用于桥梁、隧道、水工项目的建造中，建立了集进度、质量、风控等管控于一体的信息化管理平台，支撑了企业智慧管理水平的提升。

图8 桥梁全寿命安全监控系统

智能建造是建立在高度信息化、工业化和社会化基础上的一种信息融合、全面物联、协同运作、激励创新的工程建造模式，也是建造技术的高级形态，需要经历长期的发展过程。从国内外的一些研究成果以及应用案例来看，目前我国桥梁行业正处于工业化建造尚未完全铺开、数字化建造刚刚起步的阶段，离实现智能建造有较大距离，需要花大力气开展桥梁智能建造技术研究，找差距、补短板，尽快迎头赶上。针对未来我国桥梁智能建造技术的发展，提出以下几点思考与建议——

1.构建架构完善的技术体系：目前的桥梁智能化建造技术研究及应用实践非常零散，需打造从基础层、支撑平台、关键技术、产品及应用的5个层次技术体系。

2.加强核心领域的技术攻关：还需继续对涉及智能建造的桥梁设计、装配式结构、高性能材料、施工与装备、传感与监控、运营管理等开展深入研究，推进全产业链的智能化发展。

3.提升核心技术的统筹能力：大数据、物联网等都是以计算机专业为主导的新兴技术，如何统筹这些技术在桥梁建造中的应用成为关键。 

4.打造专业齐全的研发团队：目前我国在工程技术、工程管理方面的人才队伍较为齐备，但智能建造相关领域人才仍严重缺乏，亟需建立智能建造技术研发团队和人才梯队，培养一定数量既懂工程技术，又具有数字化思维的复合型人才。

图9 智能建造技术体系架构

未来5～10年是桥梁创新发展及转型升级的重要机遇期，每一个桥梁人都重任在肩，需紧紧围绕智能建造这个主题开展技术攻关、示范及应用，以更好地支撑国家重大发展战略、保障桥梁安全长寿，早日实现桥梁强国梦。