当悬索桥遇见工业4.0——桥梁钢结构BIM技术与智能制造技术研究及应用

目前，国内桥梁、船舶和建筑钢结构行业属于非标高度离散型制造业，钢结构行业要实现自动智能化柔性生产还有很大的难度，自动智能化生产包括无纸质信息化管理、生产过程的下料、组拼、焊接、打磨、转运、打砂、喷涂、堆码、存储和装卸等工艺的自动化。但现如今全国， 特别是贵州的钢结构制造起步较晚，专业技术人员和产业工人资源匮乏，生产成本逐年增加。因此，自动智能化生产转型升级又势在必行、刻不容缓，否则企业生存和发展将举步维艰。

“机械化换人、自动化减人、智能化无人”这一战略理念，以数字化、网络化、智能化为核心，通过引入先进的信息技术和制造技术，实现制造业的智能化、柔性化、绿色化和全球化，从而提高生产效率，降低生产成本，提升产品质量和竞争力。

为了实现建筑工业化、数字化、智能化，改进和提升当前行业的生产模式，本文通过实际项目和研发案例，阐述了钢结构桥梁与数字化智能化制造技术融合发展，重点描述了BIM技术、机器人技术、物联网和人工智能等先进技术在钢结构制造中的实践，力求为钢结构制造的数字化转型、智能化升级提供实践指导和参考。

本课题依托于纳雍至晴隆高速公路牂牁江特大桥主桥，主跨1080m的双塔单跨简支钢桁梁悬索桥，钢桁梁立面位于0.6%和-2.0%组成的人字坡上，全桥共73个节段吊装单元，包括主桁梁钢桁架和正交异性钢桥面板两部分，板桁结合，节段最大吊装重量231.3t。主桁架采用带竖腹杆的华伦式结构，桁高7.5m，标准节段长15m，两片主桁架弦杆中心间距28m，桥面板采用U肋双面焊接，全桥共计808444套螺栓。钢梁16046t，附属钢结构3874t，合计19920t。桥面距江面最高距离380m，桥梁高度在世界百座高桥中排名第12位。建成后，两岸路程将由现在的1h缩短为1min。

牂牁江特大桥集“重、大、高、精、多”等制造难题于一体，主要体现为：

“重”，依托工程牂牁江大桥是纳晴高速重点控制性工程；钢桁梁有73个节段吊装单元，最大梁段吊装重量231.3t。

“大”，即依托工程构件外形尺寸大，吊装高度大，高达120m，吊装、安装难度大，构件栓接孔精准定位难度大。

“高”，即依托工程大桥主跨长1080m，桥面距江面最高距离380m，桥梁高度在世界百座高桥中排名第12位；设计及规范要求高，施工风险高。

“精”，依托工程钢桁梁构件螺栓孔径允许偏差0～0.7mm，孔壁垂直度不大于0.3mm，桥面板纵梁、次横梁腹板与桥面板的焊接间隙要求小于1mm。

“多”，依托工程钢桁梁大长杆件非常多，达6132根，构件采用螺栓连接，808444颗螺栓，拼接板近2万件。

BIM 技术不仅可以在设计阶段发挥重要作用，还可以给制造、施工和运营阶段提供重要的数据支持，实现数据的统一和建筑结构的全寿命周期管理。BIM 和数字孪生技术的集成，使得钢结构制造的全过程管理和优化成为可能。通过将 BIM 模型与数字孪生模型进行集成，可以实现对钢结构的全生命周期管理，从设计、制造、施工到运维的全过程进行实时监控和优化，提高了钢结构的整体质量和使用寿命。

BIM技术 全景漫游图

通过BIM数字技术创新解决钢桁梁制造+安装一体化过程中的“难点痛点”，基于BIM技术进行数控下料、对钢结构桥梁焊接工艺模拟，部分实现自动焊接，可视化交底，实现钢结构桥梁制作安装方案的模拟，实际制作过程中的焊接质量检验，基于BIM的数字化提高效率，降低成本。节段施工进度、焊接质量检验、涂装质量检验一屏掌握。

深化设计阶段：采用TEKLA进行精细化建模LOD400，碰撞检查、采用BIM技术进行加工图深化设计出图、排版、数控文件下料。其他内容结合REVIT建模，利用BIM模型进行可视化模拟和应用；进行施工组织模拟和施工工艺模拟，用于吊装过程有限元分析。

加工制作阶段：应用自主研发的基于BIM+GIS数字化管理系统，BIM模型贯穿加工制作和现场安装等，自研基于BIM技术的焊缝地图、基于BIM技术的涂装厚度智能检测工具、基于BIM+激光点云桁架结构杆件技术数字化测量和虚拟预拼装系统。

桥位安装阶段：桥位架设、架设进度、线形控制、监测、检验，基于BIM+激光点云桁架结构杆件技术数字化测量和虚拟预拼装系统用于预拼装检验。

竣工交付阶段：运维编码、信息添加、交付符合竣工BIM标准的信息模型及数据。

运维阶段：BIM+GIS的数字化系统预留了运维养护管理拓展模块，可以数据流转后期用于桥梁运维养护、设备资产、设备设施运行、应急等，满足运营维护及长期养护管理的需求。

深化图纸设计，碰撞检查，优化设计细节；提高钢结构桥梁精度和质量；BIM 技术辅助制作工艺施工流程，指导生产，形成可视化生产工艺；自主研发焊缝、涂装、数字化测量和虚拟预拼装等智能建造技术并示范应用。

基于Tekla钢结构桥梁建模，模型细度达到加工图出图深度LOD400、编码属性信息等符合数字化加工制作和安装管理需求；通过精细化建模进行二维图纸的错漏碰缺检查、创建二维加工图纸、生成各种清单报表、表单；用于套料、下料等应用。

动画和漫游辅助组拼和架设：BIM模型轻量化，PC端手机端方便随时查看，杆件、节点、拼装顺序和涂装信息等；将BIM节段模型二维码与拼装图纸结合对照，方便交底、问题查询和尺寸测量与检验；现场视频监控。通过视频监控对现场情况一目了然。并且对于发现的问题及时通知相关人员进行闭环解决。

动画和漫游辅助 组拼和架设图

智能制造在汽车制造、3C等标准产品领域已经应用的较为成熟，而钢结构桥梁因其结构复杂、小批量、种类多、重量大、钢板厚、焊缝质量要求高、标准化程度低等特点，自动智能化生产水平较低。

生产车间内钢结构焊接量逐渐增多，质量要求不断提高，专业焊工越来越少，成本越来越高，已难以满足行业的生产需求，因此具有通用化、高效的自动智能化设备取代人工作业已是大势所趋，拥有自动化、智能化制造能力也能保证企业在行业内的核心竞争力。

激光切割机

火焰、等离子,铣边机等坡口加工方式,存在工艺环节多、耗时长、板材利用率低、切面痕迹深等问题,坡口质量无法保证,影响焊接质量。激光下料切割机具有切割精度高、切割面质量好、切割工效高以及可控制薄板切割变形等优点。激光切割机既可做平面切割,也可做三维切割加工,一机多用。最大切割厚度80mm,可对金属板材任意平面图形进行切割，可对正V坡口、反V坡口、正Y坡口(留根坡口)、反Y坡口(留根反坡口)、X坡口等进行高精度切割。

激光切割机

三维数控钻床

在栓接桁梁桥型中，由于连接节点过多，栓孔数量大，制孔精度要求高，制孔工作量很大，制孔是制约桁梁桥生产关键工序，因此，为了满足大型桁梁桥加工制造，特购买了三维高精度数控钻床。可用于大型钢梁钻孔和定位孔，在移动龙门上安装有垂直、左、右三个数控进给的滑台式钻削动力头；龙门三维数控钻床可同时施钻杆件的两端螺栓孔，以其精准联动，保证极边孔距精度，以其三向同时施钻，确保不同平面栓孔的纵向、横向不错位，最大钻制范围2.5m×2.5m×16m；同时钻定位孔后配以小型钻孔样板钻，可以大大提高钻孔效率，既可保证钻孔精度又提高工效。

三维数控钻床

桥面板单元内外焊接专业设备

U肋板单元内焊设备：针对正交异性钢桥板单元U肋内部空间狭小，人工无法焊接，只能在U肋外侧进行单面焊接的现状，采用U肋内焊技术,焊接最大长度18米，焊接方法为气体保护焊或者埋弧焊。可同时具备气保焊和埋弧焊。

设备优点：对多达6条U肋12条内焊缝实施同时连续焊接，并监控焊缝外观成型；焊剂具备自动输送和回收功能；焊枪调节灵活，焊接质量高。

U肋板单元内焊设备

U肋板单元外焊设备：根据目前对U肋双面焊接的技术要求，为实现更加高效的焊接需求，外侧采用埋弧焊接，采用U肋多电极埋弧外焊设备，板单元件可以在±38°范围内变位，快速自由翻转，实现了U肋外侧埋弧焊的稳定焊接，并可实现焊剂的自动铺洒与回收，焊缝跟踪精度高，U肋横向跟踪误差控制在±0.2mm之内，保证了较高的焊接质量。

设备优点：具有自动对中定位及自动反变形压紧功能；板单元可在±38°范围内任意自动翻转到位；焊剂输送和回收一体化，全自动输送和回收焊剂。

U肋板单元外焊设备

大型工型梁生产线

H型钢组立机：适用于对称、不对称、偏中心、变截面H型钢的组装点焊。采用一侧手动联杆调整，一侧液压迫紧，焊接与空走采用不同速度，有效的提高了工作效率。

双头悬臂式埋弧焊机：焊接时工件不动，门架行走，门架移动采用变频调速，导弧机构对焊缝进行机械式跟踪，焊缝质量高；焊剂可自动回收，节省人力。

H型钢液压矫正机：采用液压装置矫正翼缘板，操作简单、高效。

箱型梁专用生产线

随着钢结构市场的发展，箱型梁(BOX)在桥梁、电站、锅炉、高层建筑等领域的运用越来越多，该套生产线主要从切割下料、坡口加工、组立、焊接、端面加工等工艺点出发，配以主要加工设备，在布置上加以输送滚道、吊装设备，实现生产工艺过程的部分自动化操作。

DX系列端面铣：采用变频系统驱动、PLC过程控制，实现铣削过程自动化操作；选用标准或成型铣刀，可实现多种端面加工工艺。

U型、箱型组立机：本机由主机、输送轨道、腹板扶正对中夹持机构、液压系统及电控系统组成，采用工件不动，主机移动的方式，定位效果更加准确。

气保焊双丝打底及埋伏盖面机：为大型结构件的焊接提供高质量的根部焊缝，精确控制两个电弧和两根弧丝的焊接参数，实现稳定的打底及埋伏盖面焊接效果，具有高效焊接、优质焊缝、操作方便、适用性强等特点。

龙门式焊接机器人

龙门式焊接机器人整体采用龙门架双侧倒挂机器人结构形式，由焊机系统、3D扫描相机、机器人控制柜、清枪剪丝机、通风除尘器、臂轴机构、焊接机器人、安全光栅等主要部件构成。并集成免示教编程技术、智能规划系统、智能识别定位系统、智能精寻位系统、钢结构焊接工艺热源仿真分析技术五大技术要点。

地轨式焊接机器人

地轨式智能焊接机器人采用双机器人与第七轴地轨及变位机的结构形式，地轨双侧可开展焊接，采用离线编程与接触式寻位结合的方式，手动示教提取焊缝起始点、终点信息，并发送给智能焊接系统软件，实现焊接功能。可实现小构件和长细构件的一次装夹，连续变位焊接，既能节约人工、提高效率，又能节约场地实现提质降本增效。

地轨式 焊接机器人

便携式焊接机器人

便携式智能焊接机器人可以实现狭小空间钢梁焊接作业、小构件任意拖拽焊接、现场高空取代人工焊接、坡口打底、填充和盖面平横立仰捍位焊接等功能。该套设备适用于多品种、小批量等的工件焊接。可1人操作3～4台设备，效率较高，焊接质量一致性好。

正在开发的其他类型焊接机器人

鉴于前期焊接机器人使用效果较好，且为满足更多应用场景焊接，提高制造车间内的自动智能化制造水平，已在研发单悬臂式、移动式焊接机器人和激光复合焊接机器人，以满足更大的工件尺寸以及复杂作业环境、临时作业工位的焊接场景，不断丰富拥有自主知识产权的系列化智能焊接机器人产品。

单悬臂 焊接机器人

移动式 焊接机器人

移动式激光除锈机器人

利用激光的高能量瞬间作用于钢梁外表面、栓接连接板摩擦面表面等构件的锈层，使铁锈迅速吸收能量并发生气化、分解等物理变化，达到除锈目的，表面处理洁净度可达到Sa3.0,粗糙度可达到50-80μm；能够通过视觉扫描自动化除锈，无需人工干预，提高了工作效率，无粉尘环保，降低工人操作风险及劳动强度。功能特点：自动编程，一键操作，二维图纸参数化生成二维模型，自动提取除锈面规划除锈路径；兼容性高，适用性强，可适应多种标准化大型钢箱梁四周外表面除锈；双激光器，效率双倍，采用双激光器并联形式，提高除锈作业效率；定制工艺，规范作业，根据设计工艺参数，规划形成除锈专家库，通过搭载激光传感器纠偏误差满足工艺要求。

移动式喷涂机器人

利用BIM和垂直大模型、激光和毫米雷达波等先进技术,实现自动化视觉扫描，检测表面无需人工干预，提高了工作效率，无粉尘环保，降低工人操作风险及劳动强度。功能特点：自动编程，一键操作，二维图纸参数化生成二维模型，自动提取除锈面规划除锈路径；兼容性高，适用性强，可适应多种标准化大型钢箱梁四周外表面除锈；双激光器，效率双倍，采用双激光器并联形式，提高除锈作业效率；定制工艺,规范作业，根据设计工艺参数，规划形成除锈专家库，通过搭载激光传感器纠偏误差满足工艺要求。

牂牁江特大桥通过BIM创新技术虚拟拼装模拟碰撞实验，实现加工精度毫米级全过程把控。通过攻克下料、焊接、钻孔等关键工序技术难题，实现了808444颗桥梁螺栓通过率100%，274772条焊缝合格率100%，无外力精准合拢，同时节约建设成本约1000万元。

采用BIM数字化智能建造技术及自动智能化加工技术，加快了数字信息化和自动智能化工厂的建设进程，响应了国家《“十四五”智能制造发展规划》，推进智能制造，推动制造业实现数字化转型、网络化协同、智能化变革，又向工业4.0买进了一大步。本技术展示了钢梁制造的高精度及智能建造在桥梁建设领域的前景，这一技术将在智能加工、质检和数字拼装领域等各个建设环节得到广泛应用。随着科技的不断进步与智能建造技术的日益完善，其在桥梁建设领域将显著展现优越性，本技术可借鉴于同类型工程中。

为了加速钢结构行业的自动智能化制造技术发展，我们将不断致力于研发能满足多种类、复杂构件、复杂场景的具备柔性产线的机器人，未来我们将数字化和智能化的核心技术不断应用于自动切割、装配、焊接、打磨、除锈、喷涂、搬运、码垛、存储和监控检测等，将数字化管理平台和系列化智能机器人产品组成软性智能制造产线，打通钢结构行业（建筑、桥梁和船舶等）制造全链条的数字化管理、智能化作业，通多通过物联网、大数据、人工智能、云计算和5G等先进技术在钢结构智能制造的创新应用，钢结构制造的未来将是一个高度数字化、智能化和绿色化的发展方向，为建筑和制造业带来更高的质量、效率和可持续性，争取早日实现打造一个属于我们钢结构制造行业的“黑灯工厂”。

在具备一定数字信息化和自动智能化条件后，我们将搭建一套数字化智能化智慧综合管理创新云平台，不断推动与有应用研发能力的企业、科研院所和高校开展产学研用合作，把研发成果转化为高附加值生产力；并通过与高校和中高职院校开展产教融合合作，把实操实训等教培作为人才引进和输出的一个重要渠道。