交通基础设施智能建造技术探索与实践

文/中交第一公路勘察设计研究院有限公司 吴明先

智能建造是一个全新的模式，也是一个全新的概念，只有理解和掌握了智能建造模式的发展和内涵，才能根据交通基础设施建造特点建立发展技术体系，进而在总结技术体系现状与准确分析趋势的基础上，设定科学合理的目标和路径，继而分阶段有步骤地落实。

传统建造模式以现场作业为主，工程建造各参与方缺乏协同运作和信息沟通，导致设计与施工脱节，容易造成资源浪费。设计单位在设计过程中考虑可施工因素和资源的可供应性要求较少，导致出现资源供应短缺和设计变更的现象。受施工环境及工程进度安排等因素的影响，各施工界面容易发生冲突，存在较大的被动性和不确定性，缺乏应对不确定性的能力，难以保证品质工程的实现。

面对时代要求，碎片化和粗放式的传统工程建造方式已经面临困境。首先是劳动力成本上升，人口红利消失，作业环境恶劣，产业对人才和工人的吸引力越来越弱；其次是资源消耗巨大，传统现场为主的施工会产生大量的噪声、粉尘等污染，环境冲击大；最后是工程品质并不乐观，工程点多面广，质量控制点多，受人工素质影响大。

随着经济社会的发展，我国越来越关注工程品质的提升。早在2016年，交通运输部就发布了关于打造品质工程的指导意见及推进方案，文件从工程设计、管理、科技创新、质量、安全保障、绿色环保和软实力等七个方面提出了主要实施措施，可以看出打造品质工程是一个系统工程。

工业化建造模式是采用模块化和标准化的设计，在工厂中预制生产标准构配件，在工程现场采用机械化装配完成工程建造。工业化建造模式能大大提升工程品质和质量水平，是打造品质工程的必由之路，是我国目前工程建造正在实践的模式。

目前我国进入新发展阶段，重要特征是经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段，践行高质量发展理念，打造新时代交通基础设施品质工程，需要新一轮科技革命和产业变革。

2013年，德国提出工业4.0战略，利用信息和通信技术，改变了当前的工业生产与服务模式，推动制造业向智能化转型升级，引起了世界范围内新一轮的工业转型竞赛。

2015年，我国提出中国制造2025计划和“互联网+”行动计划。制造业正在经历一场技术变革和模式创新。工程建设行业随着移动互联网、物联网、大数据、人工智能及BIM技术等新一代信息技术在工程建设中的探索应用，工程建造模式也在发生根本的变革，工程建设行业开始开展智能建造模式探索和实践。

智能建造模式是以数字化设计和打造数字基础设施为基础，运用现代信息技术手段实现工程建造中人、机器和资源环境的实时联通、相互识别和有效交流，通过大数据处理平台建立各类标准化的应用服务，实现服务共享和协同运作，进而实现安全、高效和绿色的高质量工程建造。智能建造模式是公路交通基础设施数字化转型和打造品质工程的模式创新和技术突破。

从产业维度讲，智能建造技术涵盖公路交通、市政交通、房建工程等所有基础设施，覆盖从勘察设计到运营维护的全寿命周期，融合建筑、土木、材料、机械及信息等多专业。

目前，智能建造技术体系的理解和思路并不统一。经过不断探索、总结和吸收，根据交通基础设施的建设特点，发展建立了三层结构体系，基础层为以信息技术、人工智能为代表的基础科学，应用基础层为多学科交叉融合的工程行业共性技术，应用层为工程全产业链智能化技术应用与实施。

交通基础设施智能建造技术体系应用框架

基础层八大共性技术为空间信息、云计算、大数据、人工智能、无线通讯、物联网、传感器和新材料。

在应用基础层中，与交通基础设施息息相关的是建筑信息模型（BIM）、工程增材制造（3D打印）、模块化标准化结构体系、工程大数据、工程物联网、工程新材料、工程智能检测与监测和智能机器人及自动化装备八个方面。

在交通基础设施全寿命周期的5个阶段，需要融合采用应用基础层的不同技术，在桥梁、隧道、路基及路面等不同结构、不同环境和不同材料，最终实现真正的智能建造。

智能建造目前基本格局是，国外发达国家引领智能建造技术整体方向，我国智能建造技术发展迅猛，矛盾和问题并存。具体表现是基础层行业结合程度不高；应用基础层未形成技术融合，各自独立发展；应用层缺乏成熟技术装备，工程应用相对偏少。

目前，交通基础设施智能建造技术，经过国家推动和政策引导，以及行业层面的主动探索，发展十分迅猛，也取得了一定成就。智能建造技术是一个系统工程，其中BIM、3D打印及工业化建造等方面的探索已取得初步进展。

BIM是智能建造化的基础，只有通过BIM实现数字化设计，才能实现数字驱动的智能建造。BIM技术近10年来在我国交通行业的发展尤为显著，国家高度重视，出台了一系列的技术政策，包括“交通强国”“新基建”等发展战略，行业也积极响应，推进BIM技术在交通领域的发展和应用。

BIM技术趋势是积极探索BIM技术与全产业链多项前沿关键技术的深度融合，和工程项目全寿命周期的应用贯穿。发展目标是“技术体系标准化、设计决策数字化、交通出行智慧化”，最终实现“单阶段向全生命周期转变、局部应用向全面应用转变、单机应用向平台应用转变”。

工程3D打印技术以其自动化、高效率和材料丰富的特点为交通基础设施带来了更加丰富的结构形式，也提供了一种全新的建造技术。目前工程结构3D打印的材料主要为混凝土和工程塑料两种，打印平台主要为3轴桁架和6轴工业机器人。

目前，采用了BIM技术的部分示范工程及构件，体现出了3D打印技术的优势，但在材料、工艺、设计方法、施工、质量验收等还没有建立起相应的标准体系。工程3D打印技术趋势就是个性化、定制化研发与生产，目标是构件大型化、作业原位化和过程智能化，在未来实现混凝土、纳米等各种材料打印的工程应用。

随着经济、材料、连接技术、施工设备和质量控制水平的同步提高完善，装配构件形式多样，预制构件连接技术逐渐成熟，但预制构件材料仅有混凝土或钢，相对单一。

模块化标准化结构体系的目标是“构件轻质高强化、结构全预制装配化、预制构件智能化”，其趋势是工业化和智能化协同发展。轻质高强材料的发展成熟和使用，将解决目前交通基础设施预制构件“傻、大、笨粗”的固有形象。并且，随着智能材料和智能传感器的应用，预制构件即将成为一种具有自修复自感知能力的智能产品，在安装时也具有自我定位的毫米级精度。

工程大数据、物联网等技术方面，国内外给予了高度关注。西方发达国家在2012年左右就开始从国家层面进行政策引导，这些技术是实现智能建造技术的应用基础。我国在工程大数据方面虽然相对滞后两三年，但是发展较快，随着各种信息模型和平台的建立，以及传感器布设和监控检测数据的收集，数据量越来越大。另外，在物联网技术方面，我国战略规划相对滞后两年左右。

未来，工程大数据及物联网等技术必须深入挖掘行业应用价值，促进与工程技术的统合，参与全过程实时管理控制。

目前，我国交通系统拥有了第一家3D打印智能建造实验室（以下简称“实验室”），拥有独立材料实验室、工具端研发室和独立打印区。实验室在交通系统最先开展工业机器人混凝土打印探索，自主开发了两套基于库卡机械臂的3D打印系统，实验条件在国内处于一流水平。

经过反复测试验证，实验室确定了3D打印水泥基材料原材料选取范围和配合比设计流程，制备了两种适用于机械臂驱动的3D打印水泥基材料。实际工程验证，该材料具备更高的温度适应性，在5摄氏度至40摄氏度之间，成本仅为每吨500元至700元，并结合自主研制的设备、系统等，拥有较高的打印质量与稳定性。

机器人工具坐标系与空间姿态

实验室研发的五代工具端，在打印流量、精度、效率、质量上不断改善提升，基本实现了3D打印的工程应用。研发定型了十余种不同类型的打印挤出端，并确定了相应匹配的材料挤出速度、泵压和机械臂移动速度，可实现不同截面形状的打印需求。

三维斜向空间平面切片打印

实验室智能集成了机器人打印系统所有的软件和硬件，从拌和系统到泵送系统到机器人系统到工具端系统，实现了3D打印核心技术工厂化多设备系统精准协同的功能，明显降低了核心技术人员数量依赖，大幅提高了打印效率，实现了系统应用及核心技术应用的可复制性，是目前在混凝土3D打印领域第一套相对完备高效的混凝土3D打印控制系统。

空间路径拟合桥梁主拱圈打印

机器人打印系统因运动控制系统为六轴工业机器人，所以工作平面在工作空间范围内有无限的自由度。这是工业机器人运动控制独有的优势，也是传统3轴传动系统的3D打印机的局限性。三维斜向空间打印是在传统水平方向切面基础上的尝试，通过逐层变化打印路径工作平面的角度，控制打印形体成型的方式。这种打印方式可弥补传统水平打印的诸多不足，例如悬挑结构打印和斜向支撑打印，以及附属部分的打印问题，具有极高的实际应用价值和探索价值。

实验室的3D打印技术从材料和硬件设备到控制系统，以及应用场景都具有完全的知识产权。通过总结提升研发成果，在工程3D打印方面获批了一些专利，其中矩形挤出头的高精度打印控制技术处于国内领先地位。

从小尺寸的城市景观作品，到大规格的人行景观桥，工程3D打印技术正在逐步成熟。

城市景观作品

实验室打印的城市景观作品——混凝土的华尔兹“中交小蛮腰”，荣获第一届全国混凝土3D打印创新大赛二等奖。该作品高1.5米，截面尺寸为1米乘0.5米，是实现悬挑与扭转同时进行的测试构件，耗时40余分钟一次性完成。验证了材料的可靠性能与工艺的精细控制，获得2019年第一届全国混凝土3D打印创新大赛二等奖。

城市景观作品“中交小蛮腰”

酒吧3D打印墙

该墙体整体尺寸为2.8米乘6米，由26块1.2米乘0.5米的不同曲面3D打印模块装配组成。在七彩霓虹光影下，3D打印的特殊质感给人微醺的空间感受。该墙体在2周时间内完成制作，体现了3D打印高效率和大尺度的高自由度设计思路。

酒吧3D打印墙实现过程及成品效果

巨型Logo打印

2019年西安国际丝绸之路国际创新设计周Logo，长6.5米，高1.65米，厚10厘米，耗时两周时间完成，分为上下两个部分，验证了加肋和不加肋两种算法和路径规划及力学性能。

巨型Logo打印

西藏参数化隧道洞口设计与建造

羊八井隧道和当雄隧道分别以白色哈达和五彩哈达为原型，其中曲线以宝伞画样曲线原型为边界，通过算法生成褶皱的质感。两种表面肌理融合在一起象征文化民族文化交融多样。自然舒展的曲线形态给进藏人带来神圣舒心的感受，更体现了3D打印技术未来广阔的应用前景。

当雄隧道

羊八井隧道

人行景观桥

该桥全长9米，除去拱座构件以外，全部为混凝土3D打印完成。2019年建成时为国内第三座足尺混凝土3D人行景观桥。该桥由54块拱箱构件和44块不同造型的护栏组成。其中护栏验证了自主研发的开口截面路径规划技术，拱箱采用了前述的空间路径规划技术，一次成型，不需要二次处理。该桥是基于智能参数化算法，以基础几何形体，沿中轴线旋转形成螺旋肌理，生成式设计而成的一座人形景观桥。目前，正在实验室进行异形模块分块大小、路径规划、预埋构件设置、力学性能测试。

人行景观桥

在全装配式桥梁方面，按照一定的缩尺比，论证了采用预应力连接技术的节段拼装桥墩抗震性能、破坏特性和工艺，提出了一新型预制拼装桥墩连接形式——组合型外包钢板连接，安全可靠性高，试验证明可适用于地震烈度较高地区。同时，按照1比5的缩尺比，分别设计了抗弯试验和抗剪试验模型，为长大盖梁的模块化标准化快速建造提供了技术支撑。并且，充分利用波纹钢板的性能优势，提出中小跨径最大装配化波纹钢腹板工字梁桥结构型式，简化主梁构造，实施了波形选择及连接构造等试验验证，为工程示范应用奠定了基础。此外，还首次提出了全固结体系预制拼装桥墩锥套连接构造，实现了桥梁下部结构节点施工的可检测性和可更换性，为桥梁下部结构工业化建造提供一种新方法。

模块化标准化结构体系已在我国多项公路工程中得以应用，并取得了较理想的效果。

杭州湾跨海大桥杭甬高速连接线公路工程

国内首次在30米至40米的中小跨径陆地公路桥梁中应用整孔预制拼装连续箱梁，首次针对整孔预制箱梁采用单车跨双幅梁上运梁施工方案。在路线走廊受限的项目条件下，首次采用悬臂不对称的大箱梁方案，技术成果达到国内领先水平。

杭州湾跨海大桥杭甬高速连接线公路工程

鄞州至玉环公路椒江洪家至温岭城东段公路工程

该项目全长21公里，其中钢结构桥梁17.5公里，是目前国内最长的公路钢结构高架桥，钢板梁总重达13万吨，相当于3个鸟巢、19座埃菲尔铁塔的用钢量，2017年5月列入国家交通运输部首批公路钢结构桥梁示范工程名单的首位，也是浙江省首条被列为全国公路钢结构桥梁典范的工程。

鄞州至玉环公路椒江洪家至温岭城东段公路工程

深圳梅观高速公路清湖南段市政道路工程

该项目连接方法所用材料均为传统材料，施工工艺简单方便，可直接使用既有的质量检验评定标准。与既有的连接形式相比较，现场施工工序少，大大提升了施工效率，并使施工质量得到了最有效的保障，3个小时左右可以施工完成两个墩柱，体现了快速化施工，缓堵保畅效果极其明显。

深圳梅观高速公路清湖南段市政道路工程

浙江温州飞云江大桥项目

飞云江大桥是我国首座应用装配化波纹钢腹板工字组合梁的桥梁，在相同荷载标准下，梁高、材料指标及吊装重量皆优于既有装配式T梁和钢结构桥梁，为波纹钢腹板在中小跨径应用提供了技术支撑，填补了国内此类桥梁的空白。

浙江温州飞云江大桥项目

深圳机荷高速改扩建工程

该项目总长42.35公里，首创立体改造双向十六车道，具有大交通量、高度城市化和超大规模的工程特点。创新点在于是国内最大规模的全装配化建造项目；是全国第一套基于云计算的节段拼装箱梁桥设计系统，设计效率成倍提高，极大减少了桥梁设计绘图人员，从400名降为150名；是首座锥套连接技术预制拼装桥墩，满足全固结连续刚构体系桥墩底部反复拉压的安全性能和耐久性能。

深圳机荷高速改扩建工程

杭甬高速复线-UHPC-NC组合盖梁轻量化建造成套关键技术

盖梁是全预制装配式桥梁模块化建造需要克服的堡垒，在预制分块、连接方法、重量方面都不完善，超高性能混凝土的使用提供了一种方法。采用140兆帕的UHPC-NC组合结构，六车道33.5米的盖梁从原先采用预应力混凝土现浇的572吨减轻到200吨，使工厂化预制和现场运输安装变成了可能。材料的制备工艺、长大薄壁构件的制作工艺及运输安装的稳定施工工艺已经论证，目前正在进行模型试验。