PC构件钢筋加工中数字技术应用.pdf

第 15 卷 第 4 期2023 年 8 月Vol.15 No.4Aug.2023引言中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要中提出：深入实施智能制造和绿色制造工程，建设智能制造示范工厂，完善智能制造标准体系。在人口红利消失、劳动力成本上升的大背景下，推广绿色施工，优先采用数字技术优化结构和服务模式，淘汰落后产能，标准化、智能化、绿色化，已是预制行业发展趋势。然而，目前预制产业发展中出现了困境，生产方式粗放，与高质量发展要求还存在较大差距，如劳动强度大、自动化程度低、环保能耗等问题1；生产矛盾突出，批量生产与定制化生产，如定制生产成本高效率低、生产线效率低、工艺融合度低；集成困难，初期缺乏统一规划，各阶段软件及数据类型不同，无法共享集成，如数据缺乏横向联动、数据难以准确提取等2。为了推动预制构件整个生产制造过程自动化智能化加工生产，科学排产、物料自动配送、状态监控、优化控制和智能调度等，选取对 PC 构件钢筋的数字化加工内容开展研究。1 钢筋数字化加工技术路线钢筋是建筑施工企业精细化管理、实现降本增效的重点3，钢筋数字化加工技术路线如图 1 所示，其主要方法为：选取一种 PC（装配式混凝土）构件类型，创建其 BIM 模型，然后在此模型基础上进行配筋。选取某种形式的钢筋，梳理其关系获取各段钢筋的长度。根据数字化加工需要，对钢筋加工过程中信息交换内容、交换方式和信息编码开展分析，对生产计划和配料单进行设定，开展数据的横向联动研究。交换信息传输至加工设备，然后对加工设备进行调试，生产出所需的钢筋成品，从而完成钢筋的自动加工。PC构件建模钢筋建模钢筋各段长度计算钢筋信息交互内容钢筋信息传递方式钢筋信息编码加工计划和配料单扫描传输数据数字化加工设备调试数字化加工钢筋形成钢筋成品结束图 1 数字化加工钢筋技术路线2 PC 构件中钢筋数据传递本文在“德州至上饶国家高速公路合肥至枞阳段”工程（以下简称“合枞项目”）中，重点调研 PC 构件的预制生产过程，选取桩板式路基为例，进行研究说明。2.1 PC 构件配筋设计【基金项目】安徽省交通控股集团有限公司科研项目（编号：JKKJ-2018-39）【第一作者】王先建(1981-)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向：数字化技术应用。PC 构件钢筋加工中数字技术应用王彬王彬1 1 王先建 王先建2 2 周子博 周子博3 3 李景丰 李景丰1 1（1.安徽省合枞高速公路有限责任公司，合肥 230031；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092；3.中国交通建设股份有限公司，北京 100032）【摘 要】【摘 要】为了解决装配式混凝土构件中钢筋传统加工带来的种种问题，本文开展了钢筋数字化加工技术研究，结合钢筋加工设备，对加工过程中信息内容、传递方式、数字化加工流程和加工注意事项进行了深入探讨。本文针对加工过程中痛点和难点，引进数字技术，与传统的加工工艺结合，开发了一套钢筋自动化加工生产流程。实践结果表明，基于模型的数字技术与智能加工设备深度融合，可有效提高钢筋设计水平、自动化生产水平、产品质量和单位时间产出。由此可见，基于 BIM 模型的数字技术可助力实现智能制造和数字化生产，符合碳中和理念，可提高绿色施工和综合管理水平。【关键词】【关键词】PC 构件;钢筋数字化加工;数字技术;智能制造【中文分类号】【中文分类号】TU17;【文献标志码】【文献标志码】A 【文章编号】【文章编号】1674-7461（2023）04-0089-05【DOI】【DOI】10.16670/11-5823/tu.2023.04.1590PC 构件的配筋设计与构件外形密切相关，以合枞项目中桩板式路基设计为例，其 BIM 模型如图 2 所示。图 2 桩板式路基 BIM 模型根据钢筋保护层厚度、构件的外形尺寸和钢筋设计规范等要求，进行配筋设计。选取构件某一截面，进行相关的配筋设计，如图 3 所示。图 3 某截面配筋设计根据构件的外形尺寸和相关约束条件，建立关联公式，获取配筋中每段长度，计算方法举例如下。已知条件：根据构件外形尺寸，可获取：垂直高度 h=500-260=240（mm）、夹角=101.7 683、弯曲半径 r=36 mm、构件水平段长度为 k=1 000mm；根据钢筋设计规范，可获取：夹角=45、倒角半径 q=50mm、L1=60mm；根据设计要求，可获取：钢筋保护层厚度 b=30mm。根据构件外形，可获取所配钢筋的外形形状，钢筋各段长度的计算公式如公式（1）所示：()()18036 13523.1484.8230;180180rLmm=1803sin(180)22hLctgrctgr=()()24050.88193639.1158536sin(78.2317)ctgctg=()171.6047;mm=180180 101.768343.14 36180180Lr=()49.1544;mm=()5222Lkctgrbctgq=+()101.76831000216973.9775;2ctgmm=（1）所配钢筋总长如公式（2）：()123425LLLLLL=+()6084.8230 171.60474915442973.9775=+()1705.1418 mm=（2）结果表明，PC 构件钢筋与 PC 构件外形相关，所配钢筋的形状和尺寸由构件外形、钢筋保护层厚度、配筋规范决定。另外，所配钢筋与构件外形存在约束关系，可由数学表达式进行显性表达，由此可进一步得出，若构件外形可知，可按相关规则进行自动配筋，自动获取钢筋各段的长度。2.2 钢筋数字化加工交换信息PC 构件进行配筋，所配钢筋的设计参数有：形式代号、等级、直径、材质、根数、总长、各边长、弯曲半径、弯曲角度、延米重和总重4。在钢筋数字化加工设备（MEP）中，对钢筋进行数字化加工生产，其输入界面如图 4 所示。图 4 MEP 设备操作界面MEP 设备中操作参数如下：（1）预制钢筋输入信息：钢筋预制形式、钢筋直径、钢筋单根长度、根数、水平段尺寸和钢筋规格（L=9m或 12m）；（2）预制钢筋形状参数：边长、角度；（3）程序设置参数：中央弯曲轴直径、衬套直径、轴套间距、线数、生产批次号、预制构件生产代号、总件数、收集车编号、计划表；（4）程序自动计算参数：总周期数、当前执行周期、已加工好的件数、废料长度、当前执行表行。因此，可根据 MEP 设备操作界面对输入内容的要求，将设计数据传递至 MEP 设备中，实现 MEP 设备自动加工生产。2.3 钢筋数字化加工信息传递为了实现钢筋数字化加工数据自动传递，减少操作工人录入工作量、降低出错率，实现连续生产，对数据传递方式进行了研究，研究成果如下。（1）由标签进行传递，即扫描二维码，根据二维码指引，读取相关的钢筋信息5，根据合枞项目实际情况，对钢筋标签进行了改进，调整后的标签如图 5所示；91PC 构件钢筋加工中数字技术应用图 5 钢筋标签（2）根据 MEP 设备所读取的数据文件格式，按其数据记录要求，将钢筋信息输入至指定文件中，实现信息传递。在合枞项目上，钢筋加工生产通过 MEP设备自动进行，其钢筋数字化加工信息保存在 BVBS码（联邦建筑软件协会对钢筋信息传递的一种编码）中。BVBS 码由形状类型、头部数据块（标识符 H）、几何数据块（标识符 G）、校验数据块（标识符 C）、换行符（标识符 CRLF）四部分组成，其中每条信息以“字母标识+数据+”方式表达，换行符“CRLF”表示一条完整的钢筋几何形状信息表达结束，被机器识别时仅为一个换行命令6。PC 构件钢筋自动化加工BVBS 码举例如图 6 所示。p1 n15 d12 G l200 w0 r500 w360r500w360r500w360l200 w0 C 93 CRLF；数量直径弯曲角度换行符条目几何数据块标识段长弯曲半径校验数据块标识BF2D H j110000000037 r022SEQ-0117 i000010010200 二维图形头部数据块标识工程号图号索引图 6 BVBS 码解读3 数字技术在钢筋数字化加工中应用3.1 PC 构件钢筋笼制作过程简介在合枞项目预制厂中，为了满足 PC 构件对钢筋的要求，对钢筋的形式进行了分类，如护栏钢筋、底板钢筋马蹄筋和底板钢筋U型筋等。然后，根据设计要求，选用已加工成型的钢筋进行绑扎、焊接及固定等操作。另外，在钢筋笼形成过程中，为了便于控制钢筋保护层的厚度，在钢筋笼不同方位添加一定数量的塑料圆柱体；为了便于对预制混凝土构件预设预应力，在钢筋笼中预置波纹管。钢筋笼制作完成后，则输送至布料工段，由液压传感装置进行自动合模，然后由操作人员进行局部焊接或补焊，如图 7 所示。图 7 钢筋笼的制作3.2 钢筋数字化加工流程为了探索出无人干预的钢筋自动化加工生产工艺，查阅了相关的文献资料7，然后在合枞项目预制构件厂中对钢筋生产全过程进行深入调研，开发了一套钢筋数字化自动化加工流程，如图 8 所示。设计BIM模型设计交付物钢筋废料长度钢筋废料长度排班调试数据表生产调试数据表产品智能测量产品智能测量生产执行数据表实测值与设计值比对MEP执行生产参数调优是否合格NY调试结果参数是否为调试参数NY生产计划优化长度是否合理YN是否测量结束NY协议交换文件协议交换文件图 8 钢筋数字化加工产流程由上图可知，在设计阶段，创建PC构件BIM模型，按项目设计交付标准，整理出钢筋数字化加工生产相关的数据并导出。根据协议交换标准，钢筋数字化加工生产数据导入到 MEP 设备中，结合加工设备自身系统有关参数，进行钢筋加工自动化生产。然后，对已加工成型的钢筋进行尺寸测量，并与设计值进行比对，若不满足设计要求，则进行参数优化，将优化结果返回至数据表中，然后继续执行生产，对生产结果继续进行比对和参数调试，直至满足设计要求。若加工生产出的钢筋尺寸已满足设计要求，则进入生产排班阶段，以钢筋废料长度为优化目标，若废料长度能最小或最大化利用，则生产排班计划合理，将合理的生产计划输入至生产执行数据表中；若废料很多，则需对生产计划继续优化，直至将废料控制在合理的范围内。3.3 钢筋数字化加工注意事项为了提高钢筋加工质量，在加工过程中，需要注意以下内容：（1）钢筋长度公差：不同直径的钢筋，在加工过程中长度公差也是不一样的，一般为正公差。对直径为 16 的钢筋，正公差为 1.5mm；直径为 12 的钢筋，正公差为 1.2mm；（2）加工钢筋的直径：不同加工设备，能加工的钢筋直径范围不一样，国产钢筋加工设备加工直径范围最多为 25mm，国外设备加工范围可在 32mm；（3）钢筋加工参数：主要有钢筋总长度、中段长度、弯曲半径、弯曲角度；（4）钢筋弯曲半径和弯曲角度：可在设备中调整设定值和补偿值实现设计值；（5）主要控制项：钢筋的总长度和钢筋的中段长度是影响加工质量的主要因素。923.4 钢筋数字化设计注意事项PC 构件钢筋的数字化设计是钢筋数字化加工的前提，根据现场钢筋加工生产调研，发现影响钢筋加工质量主要因素如下：（1）钢筋总长度：目前图纸上给出的钢筋总长度都偏大，导致加工后需要对钢筋进行再次剪切掉多余部分；（2）钢筋的中段长度：钢筋中段长度设计基准需明确，最好也要和市面上主要加工设备中尺寸指示基准一致，即是以最外侧为基准，还是以中心线为基准，还是以最内侧为基准；另外，若是以外侧尺寸为基准，则需要加正公差3；（3）钢筋弯曲半径设计值：在设计时，需结合加工设备的生产参数进行，钢筋加工的弯曲半径由加工设备的中央弯曲轴直径决定，不可随意设计钢筋弯曲半径。4 钢筋加工数字技术应用难点在合枞项目预制厂中，对钢筋自动化加工生产进行反复实践，不断优化流程和优化参数，结果表明，影响钢筋数字化加工关键因素有“废料长度、产品尺寸、数据交换”等，分别阐述如下。4.1 废料长度的控制与优化废料长度是针对每批每个生产班次而言，在每批每个班次下，可生产不同的钢筋形式，如 MEP 设备每批次最多可生产 7 种钢筋形状。每 根 钢 筋 下 料，废 料 长 度 计 算 规 则 为()ScrapBarsCutN=（不加工的除外，即灰色区域不计），如原材料钢筋经过加工后剩下的长度为()()1200019472 1186 22154 13580 mm+=。废料优化方案8-10有：（1）通过不同钢筋形式组合，按“废料长度最短”进行优化；（2）通过不同钢筋形式组合，控制合理的钢筋废料长度，满足后期班次钢筋生产加工需要，按“废料利用率最高”进行优化。4.2 钢筋加工生产优化在钢筋加工生产过程中，对首件钢筋成品进行测试，比对测量值与设计值，反复调试，动态调整输入参数，使得偏差在合理范围内，得到最终优化参数值并保存。然后，按优化参数值，进行同一批次钢筋的数字化加工。在现场生产调研中发现，若按设计值进行输入，对成品钢筋各段长度进行测量比对，偏差一般都很大，对产生偏差的原因进行分析，结论如下：（1）设计值是理论值，实际采购的钢筋原材料，在其出厂时，就带有公差，如 16 的钢筋，外径正公差为 1.5mm，在生产过程中会带来误差；（2）设计值给出的数据一般是中心线的长度，而加工设备输入的往往是以外侧为基准的数据，会带来数据偏差；（3）钢筋加工一般是连续生产，过程中温度变化，会引发系统误差；（4）设备加工精度不同，会带来加工误差等。由于原材料带来误差、机器系统误差、生产环境引发误差等不同因素的叠加，造成输入值与成品钢筋测量值不一致，需要通过首件测试和过程测试，来不断调整生产参数。因此，为了保证加工的产品合格，需要不定时测量加工后的成品钢筋，以便及时优化参数。目前测量仍大多采用传统手工模式，测量工作量巨大，工作效率低，建议后期采用智能化测量仪器进行自动测量，然后自动比对和自动优化有关参数，则可大幅提高生产效率和原材料利用率。4.3 钢筋加工数据输入为了实现钢筋数字化加工过程可控和管理，实时反馈过程数据和动态直观显示生产状态，对数据输入方式进行了深入研究，详见本文“钢筋数字化加工信息传递”。5 结论本文对数字技术在 PC 构件钢筋加工中的应用进行了研究，具体结论和展望如下：（1）通过 BIM 模型构件的几何外形、约束关系、配筋规范等条件，理论上可实现模型构件的自动配筋，并且所生成钢筋的几何尺寸可通过计算公式获得；（2）按各环节信息共享理念，对钢筋数字化加工过程中所需传递的信息内容、信息传递方式进行了研究和应用，研究成果体现了先进制造技术与新一代信息技术的深度融合，数据传递贯穿于产品、制造、服务等全生命周期中，符合数字化、网络化、智能化、创新、绿色、协调、开放、共享的发展理念；（3）对钢筋数字化加工过程进行了梳理，实地调研获取了加工过程中的痛点和难点，对影响生产的关键因素进行了分析，针对性提出了应对方案，有效提升了产品质量、效益和服务水平；（4）随着BIM技术、物联网技术、云计算、大数据、93PC 构件钢筋加工中数字技术应用人工智能等新技术的深入应用，PC 构件生产中的“钢筋骨架加工工艺智能化、构件生产流水线工艺智能化、大型构件仓储物流智能化、构件产品数字化智能化”将会得到更进一步的发展。参考文献参考文献1 刘海芳,徐乃涛.我国预制装配式结构应用现状分析与推广措施研究 J.价值工程,2016,13:115-117.2 Wang Z J,Hu H,Gong J,et al.Precast supply chain management in off-site construction:a critical literature reviewJ,Journal of Cleaner Production,2019,232:1204-1217.3 胡勇,邸克孟,冯 锐 基于 BIM 技术的钢筋智能化加工技术研究 J.土木建筑工程信息技术,2020,12(3):44-49.4 王正凯,夏绪勇,沈文都,等.关于装配式构件计算机辅助加工钢筋交换规则的讨论 J.建筑科学,2018,34(5):44-49.5 张明正,余芳强,曹 强,等.上海南翔陈翔路站综合体装配式混凝土(PC)结构建造全过程 BIM 应用 J.土木建筑工程信息技术,2018,10(6):44-49.6 陈裴.BIM 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100032,China）Abstract:In order to solve the various problems brought by the traditional processing of reinforcing steel in assembled concrete members,this paper carries out a study on the digital processing technology of reinforcing steel.Combined with the reinforcement processing equipment,the information content,transmission mode,digital processing flow and processing precautions are further discussed in the paper.As for the difficulties in the processing,a set of automatic processing and production process of steel bars is developed by introducing digital technology and being integrated with traditional processing technology.The results in the paper show that the deep integration of model-based digital technology and intelligent processing equipment can effectively improve the level of rebar design,automated production,product quality and unit time output.Thus,it is obvious that the digital technology based on BIM model can help realize intelligent manufacturing and digital production,which is in line with the concept of carbon neutrality and can improve green construction and comprehensive management in turn.Keywords:PC Component;Digital Processing of Steel Reinforcement;Digital Technology;Intelligent Manufacturing