智造：致广大而尽精微-基于有限感知的数字预拼装技术

当前桥梁传统建造方式亟待向智能化方向升级转型，基于智能建造技术发展的需要，围绕桥梁智能建造进行了系统谋划，以一种基于有限感知的数字预拼装技术为突破点，在钢结构桥梁智能建造方面开展探索研究，并将有关成果应用到世界最大跨双连拱桥---渝湘高速双堡特大桥中。

面临挑战：传统建造与智能建造

传统桥梁建造问题

改革开放以来，中国桥梁建设取得了举世瞩目的成就，然而随着时代的进步，传统建造方式已经无法适应新时代下的经济发展需要，如何转变既有的施工方式、提高施工质量和效率、降低劳动强度和劳动力需求是当前亟待解决的重大问题。

以钢管混凝土拱桥施工为例，桥梁建造过程中需要重点控制拱肋节段的制造与安装，如图1、2所示。由于拱肋节段的尺寸和重量较大，工厂加工的零构件往往要在现场完成组拼，组拼好的节段需要进行实体预拼装检查相邻节段的局部连接与整体线形质量。此外，拱肋结构往往在复杂环境下安装成形，受日照、风、施工临时荷载等各种因素影响，需要兼顾线形和受力状态、及时分析偏差产生原因并进行适当的调整，以避免误差累积过大。在传统建造方式下，上述过程往往费时费力，且控制精度较低，操作过程存在一定的安全隐患，总结为以下几个问题：（1）劳动力需求量大；（2）质量不易控制；（3）环境友好性差；（4）信息化程度低。

图1 钢桥节段制造

图2 钢桥节段安装

智能建造应运而生

进入21世纪以来，新一代通信技术、新材料技术、人工智能技术、智能制造技术等现代科技快速发展，也带动了各行各业加快转型升级的进程，桥梁建设也正由传统建造方式向智能建造转变。

发展智能桥梁，核心是要突破解决若干的关键技术，在智能建造方面，需要着眼于实际工程中的关键技术环节，有针对性地攻克以工业化、数字化、智能化为特征的桥梁智能建造的关键技术及装备，借助高效智能的技术手段使得桥梁建造更加安全、绿色、智能。

面向智能建造的技术准备

经过多年的探索尝试，一些高新技术、行业规范已经逐渐成形，并且开始应用于桥梁建造的相关环节中，为桥梁智能建造的发展提供了成熟的技术准备和经验依据。

在相关技术储备方面，BIM技术可以通过建筑模型信息化的方式，集成多种专业软件实现信息的创建、管理与共享；存储桥梁建设过程中各个环节的重要信息，实现多工种协同作业；通过建立参数化三维模型进行参数驱动设计，并服务于工程建设的各个环节。BIM技术目前集中应用于建筑行业，基础建设方面研究较少,在桥梁建设领域已经开展了精细化建模和施工碰撞检查等相关尝试；三维激光扫描技术利用激光测距的原理,通过记录被测物体表面大量密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可以快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据,在施工与监控过程中常与BIM模型相结合进行比对,是一种全面掌握实体构件信息和进行精度检查的可靠测量手段，目前已经在桥梁构件检查中开展了应用并取得良好的效果。传统测量技术是桥梁建造过程中最为常用的测控手段，以全站仪作为现场测量的主要仪器，应用技术非常成熟，因其测量简便快速，精度可靠，处理方便，可以基于测量数据进行简易的二次开发，推动相关制造环节的智能化应用。

图3 三维激光扫描技术

图4 传统测量技术

在行业规范方面，中国公路钢桥一直以来都缺乏一部指导施工阶段规范实施的行业规范，在实际施工过程中总是将铁路钢桥制造规范作为指导依据，但两类桥梁的相关设计施工技术原理是存在一定差异的。为有效落实公路钢桥的工厂化、装配化、信息化的发展需求，促进公路桥梁建设转型，更好地指导公路钢桥建设，于2022年8月1日颁布了《公路钢结构桥梁制造和安装施工规范JTG/T3651——2022》（以下简称施工规范），该规范明确了钢结构桥梁制造和安装过程中涉及的材料，下料与加工，组装，焊接、焊接检验及矫正，试拼装、预拼装，成品尺寸检验与验收，涂装，包装、存放与运输，安装，工地连接，安装施工质量控制等14个环节的相关规定。其中对于结构整体线形和受力状态影响最为直接的环节主要涉及节段组装、预拼装、安装三个部分，分别就不同类型构件的制造安装过程进行了详细规定，并给出相关主要尺寸的允许偏差和检验方法。这些规定总结了近年来国内公路钢结构桥梁建造的经验，借鉴了国内外相关标准，可以作为实际施工和实现标准化建造的参考和依据。

创新实践：数字预拼装技术探索

本团队依托渝湘高速双堡特大桥（世界最大双连拱）开展研究工作，该桥主桥为双跨连续上承式钢管混凝土桁架拱桥，计算跨径为2×380m，主拱采用四肢格构型桁式断面，主拱矢跨比为1/4.75，拱轴系数为1.55，拱肋采用钢管混凝土截面。

钢桁拱桥的建造过程中，相邻拱肋节段之间一般采用内法兰盘栓接、嵌补段焊接的连接形式,为了确保成桥线形准确和节段连接顺利，需要在预拼装阶段完成法兰的匹配与安装。实体预拼装过程通常按照以下步骤进行：(1)根据制造线形调整相邻节段的摆放位置；(2)将待安装法兰临时点焊到已安装法兰的端头；(3)临时点焊前检查法兰栓孔的配孔情况，保证各栓孔两两匹配；(4)焊接法兰肋板。上述步骤在实施过程中存在两个问题：一是由于需要上一节段拱肋作为参照端，会占用每一轮次的预拼装胎架，造成场地无法完全利用；二是增加了拼装轮次，造成施工工期的增加。此外当前的钢结构预拼装过程主要在胎架上进行，需要提前准备场地和起重设备、调整实体节段之间的摆放姿态、反复调整实现端面匹配、安装法兰等步骤，在此过程中会耗费大量人力物力，占用大量工期，成本很高。

实体构件数字模型生成

为克服传统实体预拼装的种种弊端，本团队决定采用数字预拼装的方式，结合目前较为成熟的参数感知技术，分别基于三维激光扫描技术和传统测量技术提出两种数字模型生成路径。

三维激光扫描技术能够测量出密集分布的物体表面点云数据，经软件端做精简去噪和测站配准处理之后，即可实现由实体构件向三维点云数字模型的转化。该模型能够全面准确地反映出实体构件的三维几何特征信息，并且可以利用相关人工智能算法自动提取所需的点、线、面等图元参数信息，从而克服手动标定测点造成的误差。从BIM模型中导出对应构件的点云模型，可以作为设计参照模型进行制造误差检验，参照施工规范的相关规定对组拼质量做出评估和优化。

传统测量控制技术则需要在实体构件的控制截面上提前标定有限数量的测点，利用有限测点的连线建立目标构件的简化模型。模型的简化情况由测点的布置密度而定，一般选取实体构件的首尾端截面关键测点，以首尾端的连线作为简化数字模型的基本图元，虽为简化模型，但是能够包含节段预拼装所需的全部关键特征信息。最后可以以设计图纸中提取的关键尺寸参数，作为设计参数检查构件的制造误差，参照施工规范的相关规定对组拼质量做出评估和优化。

数字模型预拼装

利用有限参数感知技术，可以获取实体构件的坐标数据，并建立数字模型，这为钢结构预拼装数字孪生创造了条件。基于数字模型，可以利用各种模拟软件或者数据处理手段进行一系列空间平移、旋转、坐标系转换、关键图元的提取与匹配，实现数字端的预拼装模拟工作，指导节段的线形检查和局部调整。

基于三维激光扫描技术的数字预拼装以点云数据模型为处理对象。首先将实测点云数据模型与BIM点云模型进行配准，利用设计模型的空间几何关系确定相邻节段点云模型的匹配连接状态，完成数字模型预拼装。随后分别对已经安装的法兰盘及其螺栓孔的轮廓线和关键点进行提取，确定法兰放样的关键控制点。最后以待安装法兰的管口端为基准建立局部坐标系，对管口范围的点云数据进行坐标系转换，给出各关键控制点的相对位置或者距离参数，即可以指导相邻节段之间法兰盘的放样与安装工作。由于三维激光扫描技术能够同时获取到实体构件表面呈面状分布的大量数据，在数字模型转换和预拼装环节能够展示更加逼真还原的模拟状态，但是在数据处理方面也更加复杂，技术要求更高。模拟情况如图5所示。

图5 三维激光扫描点云数据——数字预拼装

传统测量技术以有限测点连线组成的简化模型作为处理对象。首先将数据模型按照设计朝向、状态初步放置到位，输入相邻节段设计线形的夹角参数和嵌补连接段的线形夹角参数，将数据模型按照设计夹角进行偏转，即完成数字预拼装匹配。随后在待安装法兰端以各自管口为基准建立局部坐标系，将各自管口对应的关键点进行坐标系转换，计算得到各自的放样参数，即可指导法兰盘的放样与安装工作。由于传统测控技术能够获取的测点数据有限，所建立的数字模型也只是由若干关键连线组成的节段框架，模型的外形更加简洁，在数字模型的预拼装环节以端面的中心点连线作为节段线形特征进行匹配，在数据处理方面由于数据量较少可以更快速地完成模拟，操作更加简便。模拟情况如图6所示。

图6 传统测量坐标数据——数字预拼装

拱肋管口与法兰盘之间用于放样的控制点分布情况如图7所示。

图7 数字预拼装放样控制点标示

辅助装置与应用

为辅助现场施工，将节段端部的法兰按照数字预拼装模拟的结果进行准确放样和安装，本团队开展了接头辅助装置的研发工作。法兰的安装是以拱肋管口的控制点作为参照点的，放样参数同样是以控制点作为起算点，在现有安装条件下法兰的放样和安装缺乏调整工作平台，精准放样难以实现。因此本团队提出了辅助装置所需满足的主要功能：首先需要一种牢固的管口抱持方式，使得装置与拱肋管口之间能够实现相对固定状态，保证法兰的定位与焊接过程不受干扰；其次需要一种支持空间六向可调节的调位系统，以保证法兰的空间姿态可以自由调整，精准定位；最后要保证所设计装置质量轻便，可人工操作，调整快速方便，放样精确可靠。

基于上述思路，本团队研发了相关的装置设计方案,并将其中较为轻便的方案进行了工厂机加工和施工现场试验，设计方案与现场使用情况如图8、9所示。经现场使用后证明，所研发的装置整体使用效果调整快速方便，装配化程度高，放样精度较高，能够满足桥梁施工的精度控制要求。

图8 辅助装置设计方案

图9 辅助装置使用情况

技术延伸：长寿命基因与数字孪生

桥梁长寿命基因构想

桥梁智能建造的最终目标是通过合理的设计、精细化的施工和监控，使得桥梁具备长久运营条件的长寿命基因，良好的成桥线形和受力状态是桥梁极其重要的长寿命基因。复杂大桥在施工阶段，施工监控是最重要的技术工作之一，桥梁在结构体系和细部构造的合理设计方案，最终都要依靠精细化、高水平的施工监控来保障，桥梁的高品质建造需要依赖设计-施工-监控一体化模式来保障：设计方面，设计人员的一系列设计计算工作最终都将着眼于合理成桥状态，在确定合理的成桥状态后，给出推荐的施工方案；施工单位会根据自身的资源配置、工期目标等情况进行方案的适应性调整；监控单位则需要结合设计成桥目标和施工的实施方案，进行施工全过程精细化计算和过程控制，在确保全过程结构安全的情况下，使得施工按照预定的路径实施，最终实现设计成桥状态。即桥梁的长寿命基因需要设计、施工和监控环节共同控制、共同实现,缺一不可。

图10 基于设计-施工-监控的桥梁长寿命基因构想

需要面对及解决的课题

基于有限感知的数字预拼装技术是结合当前工程问题对智能建造技术的初步探索与尝试应用，后续将结合实际应用及存在的问题进行技术优化，并根据实际问题开展其他相关课题的研究工作——

（1）基于有限感知的数字预拼装技术亟待更多实践验证与推广应用。在当前的研究工作中提出了数字预拼装技术的实施路线，对有限感知技术进行了试测验证，对数字预拼装技术的实现开展了相关技术研发工作，并在实际工程项目中采集了部分节段的数据进行了数字预拼装模拟试验，总结存在以下问题：①辅助装置未设计精密测量刻度，在实际放样、调整过程中耗时较长；②未考虑法兰焊接变形对法兰安装的影响；③缺乏基于数字预拼装的法兰安装误差研究，未能对本技术进行误差分析和误差量化统计。后续将针对上述内容做进一步优化研究。

（2）开展考虑荷载-环境耦合作用的桥梁建造数字孪生技术研究。基于有限感知的数字预拼装技术是针对节段制造环节的技术探索，桥梁建造过程的另一环节——安装环节同样是桥梁长寿命基因的重要组成部分。桥梁节段的安装过程中涉及复杂环境的干扰，以及荷载与结构体系的转换，这些因素将对桥梁的安装质量产生影响，也是施工中需要重点关注的因素。环境中的太阳辐射、环境温度、风力等因素都会直接或者间接地影响到安装阶段的状态，进而影响到节段的安装线形、合龙方案选择以及最终成桥受力状态。针对桥梁安装阶段，有必要开展荷载-环境耦合作用的桥梁建造数字孪生技术研究，通过在施工阶段对桥梁控制部位布设传感器系统，建立基于环境和荷载的桥梁结构施工响应数据库、建立数字驱动的物理-力学快速分析模型、搭建桥梁施工全过程可视化数字孪生平台，实现对施工影响因素全面考虑、实时感知、全过程可视化的应用效果，精准控制施工过程。

不管是钢结构预拼装技术还是数字孪生技术，应当说都是智能桥梁技术的范畴。智能桥梁技术，作为下一代桥梁工程的主要发展方向，对于如何实现桥梁高效建造、有效管养、长期服役具有重要意义，需要所有桥梁人的共同努力！

本文刊载 / 《桥梁》杂志 2023年 第1期 总第111期

作者 / 霰建平 肖军 李昊天

作者单位 / 中交第二公路工程局有限公司

陕西省“四主体一联合”桥梁工程

智能建造技术校企联合研究中心

中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司