孙永方 丁 杰

(中交三公局第一工程有限公司 北京 100012)

0 引言

近年来，计算机技术、大数据、云计算、物联网等新兴技术得到蓬勃发展，如何合理运用这些技术提高生产率是技术创新人员一直思考的问题。在这种背景下，数字孪生技术应运而生。数字孪生技术应用，通常是对物理实体模型建立一个对应的包含其完整信息的数字孪生体，通过传感元件或监测设备反馈的数据更新，可以在虚拟数字孪生体中完成对物理模型全方位实时仿真。简而言之，数字孪生就是一个动态可操作的数字模型。数字孪生技术具有物理量多、尺度全面以及功能多样化的特点，因而被应用于产品的设计、制造、服务等领域[1]。在数字孪生体中反映的实际数据，设计人员不但可以实时观察物理模型的动态运行情况，监控各种运行数据，还可以通过计算机技术对其进行仿真分析，优化生产方式，最终反馈给物理模型，以实现最大化的生产线产能和人员设备利用率，从而提高生产效率，加快生产进程。

数字孪生技术在智能建造领域的应用具有非常良好的前景，近年来，许多学者对数字孪生驱动车间生产的技术进行了思考和研究。陶飞等[1-2]提出了未来数字孪生驱动车间生产的技术难题，并从不同维度对信息物理融合的要点进行了研究分析。胡秀琨等[3]提出了实作装配体模型的概念，通过数字孪生技术驱动，可以提升装配要求高、生产周期短的车间的生产效能，为数字孪生技术改进产品装配模式提供了可行性技术方案。郝博等[4]研究了基于数字孪生的智能装配车间管控模式，通过算法进行资源调配，提高复杂产品装配效率和质量。魏一雄等[5]提出了基于实时数据驱动的数字孪生车间模型框架和技术路线，阐述了异构多源数据采集与管理、真实物理行为的虚拟仿真环境、面向事件响应的数据实时驱动方法等关键技术。设计了原型系统，并通过车载防撞雷达组装生产线成功验证其可行性，为数字孪生技术在智能制造领域的应用提供了关键支撑。

目前国内外针对数字孪生技术驱动车间生产的理论研究越来越多，但是在应用层面的技术应用还较为缺失。本文以京雄高速SG5标段的“智慧”预制梁场为背景，阐述了数字孪生技术在预制梁场中的应用。

1 工程背景

本文依托的实际工程项目，该项目全称为北京至雄安新区高速公路河北段主体工程5标，跨越保定市白沟新城、高碑店市东马营镇，全长6.833 km，京雄高速线路图如图1所示。由于本地区属于平原地区，地势相对较为平坦、开阔，地形起伏较小，人口较为密集。所以项目桥梁占比高达99.5%，为了圆满完成桥梁架设工作，需要完成2750片预应力钢筋混凝土T梁的预制工作。

图1 京雄高速线路

为按期圆满完成该预应力钢筋混凝土T梁预制任务，使后续桥梁架设和桥面施工任务如期跟进，项目组利用数字孪生技术，就地组建智能预制梁场，梁场全景，如图2所示。该预制梁场的数字孪生体能够监测梁场整体生产运行情况，通过现场反馈的数据分析，可以优化施工过程，使工作更加科学智能、材料使用更加合理节约。与此同时，智能化的预应力张拉、预留孔压浆和混凝土养护系统，也极大地提高了预制T梁的生产效率和施工质量。在数字孪生平台合理部署下，预制T梁质量和效率不断提高，最终如期完成了T梁预制任务。

图2 预制梁场全景

2 数字孪生的建立

数字孪生预制梁场的建立，关键之处在于数据的实时性和准确性，通过孪生数据对预制梁场的实时反应，根据实际生产情况进行生产优化，以提高质量和生产率。利用数字孪生指导预制梁场的运行流程如图3所示。

图3 “智慧”梁场的运行

2.1 预制梁场的布置

预制梁场的合理布局是实现智能化生产的基础，建设方案需因地制宜，不仅要实现T梁的快速预制，同时要保质保量，并且应立足安全适用、经济合理、绿色环保的原则。本预制梁场按照“工厂化、专业化”标准进行规划建设，统筹考虑各功能需求，如整体使用面积、梁板占地空间、工期规划、交通道路、水电设施布置等。预制梁场主要由两区域组成，包括生产区(制梁区、存梁区、生产保障区)和辅助生产区(仓库、材料堆放区)，平面布置如图4所示。

图4 预制梁场平面布置

2.2 预制梁场的建设

预制梁场的工作空间主要由钢筋绑扎区、制梁区、存梁区和堆料区四部分组成。制梁区配备智能液压模板、支撑台座、起重设备、智能养护设备、智能张拉设备和智能压浆设备等基本设施。所有设备的数据于线上协同管理平台建立联系，通过线上协同管理平台这个“大脑”进行统一指挥和生产。预制梁场生产实景图如图5所示。

图5 预制梁场工作实景

2.3 数字孪生平台

预制梁场的数字孪生体，是整个“智慧”梁场最重要的部分。本文依托中交三局自主开发的智慧管理平台来调配预制梁生产，如图6所示。它可以实时掌控整个梁场生产情况，该预制梁场数字孪生体能够监测梁场整体生产运行情况，通过现场传感器和检测系统反馈的数据，包括车间的空间使用率、已完成进度、工人饱和情况和预制梁的合格率等数据，可对施工过程进行合理调配和优化，使工作更加科学智能、材料使用更加合理节约。通过协同管理平台的合理调配，梁场用工可以最多达到430个，近30台龙门吊同时工作，生产质量和效率大大提高，为施工工期的顺利完成提供了强有力保障。同时，数字孪生平台监控下的智能化预应力张拉、预留孔压浆和混凝土养护系统，也极大提高了预制T梁的生产效率和施工质量，最终如期完成了T梁预制任务。

图6 数字孪生平台

3 数字孪生的应用

桥梁预制场制梁流程如图7所示，包括清理底膜、施工放样、绑扎肋板钢筋、预留张拉管道、安装模板、绑扎顶板钢筋、浇筑梁体混凝土、梁体养护、张拉压浆等工艺。其中安装侧模、浇筑梁体混凝土、梁体养护、张拉压浆都由机械实现自动化操作，由如图6所示的线上协同管理平台统一指挥。现将数字孪生技术管理的流程一一介绍如下。

图7 T梁预制流程

3.1 智能模板安装

T梁模板由专业厂家加工成型，采用智能液压系统进行装模、封模。T梁模板用液压油缸和滑移轨道移动、安装。在浇筑前同样需要进行试拼，检查模板性能及尺寸。试拼无误后对其面板，用钢丝刷进行打磨、涂油，清理干净，防止锈蚀。侧模需进行编号，以实现数据录入，便于记录和调整生产。智能液压平台对全套侧模拼装完毕并检查合格后，开始锚固装置，液压模板安装系统如图8所示。

图8 液压模板示意图

3.2 智能养护系统

蒸汽养护棚可实现预制梁的智能化养护，密闭的蒸汽养护棚可令梁体周围的温度和湿度相对稳定，养护棚如图9所示。该养护棚主要由温度监测系统，自动喷淋系统和排水系统等组成。棚底设置导轨，以实现预制梁精准入场。制梁区设置自动喷淋养护系统，自动喷淋养护系统包括储水池、送水泵、入水管、出水管及喷洒头等。预制梁两侧布置喷淋管，喷淋管上布置两列喷头，一排喷顶板一排喷侧面。预制梁蒸汽养生采用框架式移动养生棚，配备蒸汽锅炉、铺设蒸汽管道(保温)、燃料、检测器材等设备。该系统可以自动调节喷淋流量和使用间隔。养护棚内的温度、湿度等所有的现场数据均上传至线上数字孪生平台进行实时监测跟踪。

图9 智能养护棚

3.3 智能张拉系统

该系统由数字控制的电动油泵、带有传感器的千斤顶和具备人机交互功能的中央处理平台共同构成，如图10所示。该智能张拉系统可以实现张拉步骤自动化，无需手动参与，通过张拉设备自动操作，完成预应力钢绞线的张拉施工。这种自动张拉工艺，可以自动实现既定的张拉程序。拉力稳定，精度高，误差率低，工艺先进，可以提高施工质量，在一定程度上增加桥梁结构的耐久性。张拉步骤如下:

(1)预应力筋制作：钢绞线按编束编号，绑好后挂牌堆放，将编号记录到数字孪生平台进行自动统计和管理。在穿束之前先要用清孔器进行自动孔道清理，穿束采用穿索机自动穿筋。

(2)安装千斤顶、油泵：在安装千斤顶、连接油泵之前进行校准，以提高张拉精度；千斤顶的吨位和工作性能都要于锚具相匹配，否则应更换相应的千斤顶或锚具。

(3)正式张拉：按照如下既定程序进行自动张拉，首先进行10%的初张拉，再分别进行20%和100%的张拉，每步张拉完持荷5 min，张拉完及时锚固。

图10 智能张拉系统

3.4 智能压浆系统

智能压浆系统能够实现自动压浆和自动保压工作。当预应力张拉完48 h内进行管道压浆，梁端封锚采用细石混凝土。智能压浆系统如图11所示，由高速制浆机、低速储浆桶、自动加水装置、高压清洗装置、螺杆泵和电气智能控制系统等组成。该系统可以实现智能连续压浆，压浆前设备检查过后，启动循环智能压浆设备，即可进行自动上料、自动上水、自动搅拌等一系列工作。

图11 智能压浆系统

该系统可实现自动化操作，降低人工成本，且高速制浆机可使粉料和水得到充分搅合的同时大幅减少压浆粉尘污染，并实时检测压浆剂质量，最大限度保障梁体预制孔道内浆体的饱和与密实。电气控制系统可自动完成压浆量、供水量、上料的计算，也可以维持压力稳定，搅拌数据可溯源。

4 结论

京雄高速是连接雄安新区和首都北京的重要交通渠道，其中的SG5标段桥梁占比高达99.5%，需要大量预应力钢筋混凝土T型梁。为完成工期，建立了“智慧”梁场和数字孪生的线上协同管理平台。借助平台的有效协调，梁场用工最多达到430人在场作业，29台龙门吊同时工作，实现了产能翻番，保持月均生产T梁超600片的记录。本文依托实际工程背景，阐述了数字孪生技术在预制梁场中的应用，以期为数字孪生技术在制造领域更加精细化的应用提供参考。