智能生产的破局之道——装配式桥梁预制构件智能生产新技术研发及实践

随着我国桥梁建设规模的不断扩大，传统现浇桥梁施工模式因施工周期长、环境影响大及质量不稳定等问题，已成为高效发展的瓶颈，亟需新型建造模式应对日益增长的交通需求。

装配式桥梁作为创新建造方式，通过工厂预制梁体、墩柱等关键构件并现场拼装，凭借稳定的生产环境严格把控预制质量，实现规模化生产，缩短周期，提升效率，减少现场湿作业，契合绿色环保理念，成为桥梁建设转型升级的关键路径。

在工业4.0背景下，智能制造技术（涵盖工业机器人、物联网、人工智能、大数据分析、数字孪生等）为装配式桥梁预制构件生产带来新机遇。然而，当前预制构件智能生产技术面临若干挑战：与传统 CAD 设计图纸适配性差，用于智能化生产设备需大量人工转换，易出错；工厂空间有限，制约智能化产线布局，设备布置困难，影响生产流程顺畅性；跨领域技术融合难度大，协同性不佳。这些问题严重制约了智能生产技术在装配式桥梁预制构件生产中的推广应用，亟需深入研究解决。

装配式桥梁预制构件的智能生产技术，以工业机器人为核心，融合了视觉识别、物联网和数字孪生等先进技术，实现全流程自动化与智能化。此过程中，智能系统协同优化从原材料到产品运输的各环节。工业机器人精准执行钢筋弯曲、绑扎及混凝土浇筑等复杂任务，确保产品质量一致。视觉识别技术实时监测，保障生产准确性。物联网技术实现设备、物料和人员的互联互通，采集生产数据以辅助决策。数字孪生技术构建虚拟模型，实时仿真优化生产，预测并解决问题，提升效率与质量。 

模块化产线设计根据不同类型预制构件的生产需求，将整个生产流程划分为多个功能模块，每个模块具有独立的生产功能，如钢筋加工模块、混凝土浇筑模块、构件养护模块等，其中钢筋加工模块又可进一步细分为预处理、成型加工及转运子模块等。这些模块可根据实际生产任务灵活配置与调整，以适应多样化预制构件的生产需求。例如，针对不同跨度的预制梁生产，仅需调整钢筋加工模块中弯曲设备参数和混凝土浇筑模块中布料模式即可。同时，模块化产线设计有利于设备的维护和升级，当某个模块出现故障时，可快速更换，减少对生产流程的影响。通过优化模块化产线的布局，还可提高生产场地的利用率，降低生产成本。

机器人协同作业指多个工业机器人或多功能臂在同一生产任务中的协作模式。在装配式桥梁预制构件生产中，此模式应用于多个环节。例如，在钢筋骨架的制作中,一机器人负责钢筋的搬运和定位，另一机器人则负责绑扎,二者协同作业，可快速且精准地完成制作。此外,集成多功能臂亦是协同作业的常见方式，集搬运、视觉识别及绑扎于一体的多功能臂,可显著提高生产效率和质量。为实现协同作业，需研发先进的控制系统和通信技术，确保机器人间或者多功能臂间能实时通讯并协调动作，避免碰撞与干涉。同时，还需优化机器人的运动轨迹和作业流程，以提高协同作业的效率和精度（图1）。

图1 集搬运夹具、视觉 识别、绑扎于一体 的多功能手臂

钢筋尺寸偏差、弯曲度不一、扭转及直线度低等因素易导致成型误差，在钢筋交叉点焊接和绑扎作业时，简单的机械固定往往造成理论焊接或绑扎点与实际位置不符，且难以解决双层立体网片交叉点的固定。为解决此问题，引入先进的视觉检测技术进行实时监控，利用钢筋交点正向光源识别与算法设计，确认交点区域（图2）。图像处理软件在采集坐标的同时，通过分析交叉点位区域灰度值来区分上下层钢筋。结合抓取装置的作业区域，设计了焊枪组件和协作路径，利用视觉识别定位技术，准确捕捉实际焊接点位置，并引导机器人精确焊接。

图2 视觉识别 钢筋交叉点

传统的桥梁设计图纸主要服务于人工施工与设计意图表达，却难以契合智能化产线的机械化生产需求。在生产工序方面，其侧重表达构件的最终设计状态，对于生产过程中的详细工序和操作流程缺乏明确的标注和指导。在操作空间方面，智能化生产设备通常具有特定的尺寸和工作范围，而传统图纸常忽略对设备操作空间的合理规划，导致产线布局时设备可能相互干涉、操作空间受限，影响生产效率和设备的正常运行。

此外，传统图纸在表达方式和信息格式上缺乏统一性。同一构件由不同设计单位或设计师绘制时，其造型与布筋方式存在差异，这无疑增加了智能化产线的自动化的适应性设计与数据处理的难度。

在装配式桥梁预制构件智能生产中，工厂有限占地面积严重制约了智能化产线的布局。智能化产线包含的大型设备，如钢筋加工、混凝土搅拌与浇筑、构件养护以及运输设备等，因其体积庞大且需预留足够的操作空间和安全间距，常因场地限制而无法达到理想布局。此外，间距不足还易导致物流通道不畅，影响原材料与半成品在设备间的高效流转。在生产过程中，若设备布局不合理，运输车辆或AGV小车将可能受阻，降低物流效率，进而影响整体生产流程的顺畅性。

工厂面积的局限不仅影响设备布置，还制约了生产流程的连续性与高效性。理想的智能生产流程应确保从原材料入厂到成品出厂的各个环节紧密衔接，物流和信息流顺畅无阻。然而，在有限空间环境下，生产流程可能会遭遇中断或不必要的迂回。此外，有限的空间还可能导致原材料和成品构件的存储区域不足，进一步加剧生产流程的混乱。

传统的生产模式主要依赖人工经验和手工操作，而智能生产则强调自动化、数字化和智能化，这对技术人员的知识结构和技能水平提出了新要求。许多技术人员在传统生产模式下积累了丰富的经验，但在适应智能生产流程时面临挑战。

此外，智能生产流程中，生产数据的采集、分析和应用成为关键任务，要求技术人员掌握数据分析工具与软件，从海量数据中提炼有价值的信息以优化生产。然而，由于技术人员在此领域的知识储备欠缺，导致数据在实际工作中未能得以充分利用，进而制约了生产效率和质量的提升，阻碍了智能生产技术的研发与应用步伐。

在现有场地限制下，智能产线布局应精心规划，以确保生产流程的顺畅性与设备的高效运作（图3）。采用模块化的设计理念，将小箱梁钢筋骨架生产分解为三个核心智能模块：环向箍筋自动化成型生产线、钢筋骨架自动成型生产线、以及基于AGV（自动引导车）的钢筋物料搬运系统（图4）。

图3 智能化产线布局 设计思路

图4 智能化产线 现场布置

环向箍筋的自动化成型是一个高度集成且精确受控的工序链，要求各环节设备紧密协作，确保从原材料处理至成品收集的每一步均精准无误。此流程涵盖原材上料与分拣、弯曲成型与转运、以及组装焊接成型三大核心阶段（图5、图6），可完成多类型的环向箍筋的自动化生产工作。

图5 上料与弯曲工位

图6 焊接工位

钢筋骨架智能化生产聚焦于研发开发钢筋的自动送料与分料装置，并引入机器人技术实现钢筋的安装就位与绑扎作业。此产线集成箍筋料架输送线、六轴工业机器人及其地轨系统、箍筋搬运夹具、视觉识别定位系统、以及钢筋绑扎系统等关键设备（图7、图8），实现了箍筋自动上料、视觉精准定位交点、以及自动绑扎等功能。

图7 钢筋骨架自动成型 生产线模型图

图8 上料工位

AGV调度系统是江川路预制厂的关键构成部分，它运用动态调度算法实现了物料的高效流转，显著提升了生产效率。在箍筋生产线作业完成后，载满箍筋的料架放置于 AGV预设的停靠点。AGV凭借二维码导航技术精准抵达该位置，利用其升降装置将钢筋料架抬起并装载于车体，随后按照预设路径驶向小箱梁顶板钢筋骨架自动化成型生产线的指定卸载区。抵达后，AGV卸载钢筋料架，完成单次搬运任务，并立即转入下一次搬运循环，以此实现钢筋料架在两条生产线之间的自动化转运，确保了小箱梁顶板钢筋骨架自动化成型生产线的钢筋原料稳定供应（图9、图10）。

图9 AGV料架设计图

图10 AGV物料车 现场工作图

本研究致力于装配式桥梁预制构件智能生产新技术的研发与应用探索。通过对智能生产技术的内涵、关键技术以及研发过程中痛难点的分析，结合实际工程案例，验证了智能生产技术在装配式桥梁预制构件生产中的显著优势。通过模块化产线设计、机器人协同作业及视觉识别等关键技术的应用，能够有效提高生产效率、增强质量稳定性和降低人力成本。

具体而言，智能生产线的自动化与智能化集成，使得江川路预制厂的小箱梁顶板钢筋骨架生产效率跃升50%。这一增益主要归因于自动化弯箍预焊接流程的持续高效运作，以及AGV运输物流设备的部署，减少了人工操作时间和生产间隙等待时间，显著缩短了物料周转时间，优化了物流效率。同时，工业机器人的高精度、高速作业特性，进一步加速了生产节奏，使得预制厂生产能力在短时间内得到大幅提升。

此外，智能生产技术的引入显著降低了人力成本。传统的预制构件生产中的人工密集型作业，如钢筋绑扎、构件搬运等，被工业机器人与自动化设备高效替代。以小箱梁钢筋骨架自动化成型为例，同岗位人员需求减少了60%，有效减轻了企业运营压力，增强了经济效益。

深度学习技术引领智能化生产线革新。随着人工智能技术的蓬勃发展，深度学习在制造业中展现出巨大潜力。未来，装配式桥梁预制构件智能生产线有望引入深度学习技术，以实现更加智能化的生产控制和管理。通过对海量生产数据的学习和分析，深度学习模型能够精准识别生产过程中的异常情况，从而实现对生产线的实时监控和动态调整。例如，在钢筋骨架自动化生产过程中，深度学习模型可以根据BIM（建筑信息模型）数据，智能规划下料方案和生产计划，确保生产的精确性和高效性。同时，生产线可以自动匹配不同类型的钢筋骨架，极大提升生产效率。此外，深度学习技术还可用于生产线设备故障预测和维护方面，通过对设备运行数据的实时监测和分析，提前预测设备可能出现的故障，为设备的及时维护提供了有力的数据支持，有效避免设备停机对生产造成的负面影响。

智能生产标准体系建设迫在眉睫。为了推动装配式桥梁预制构件智能生产技术的健康发展，建立完善的智能生产标准体系至关重要。目前，智能生产技术在设计、制造、质量检测等方面缺乏统一的标准和规范，导致不同企业间产品质量和技术水平参差不齐。展望未来，亟需行业协会、科研机构和企业携手合作，共同构建一套涵盖智能生产全过程的标准体系，包括设计图纸规范、设备接口协议、生产工艺准则、质量检测标准等。通过标准化体系建设，规范企业生产流程，提高产品质量和市场竞争力，进而促进智能生产技术在装配式桥梁预制构件生产中的标准化和规范化发展。