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距离真正实现桥梁智能建造还有多远?
发布时间:2022-6-21 11:29:46      点击次数:266

2017年10月,一位名叫索菲亚的AI机器人创造了历史,她能言善辩、表情丰富,成为全球首个被赋予公民权的机器人。她的诞生,被视为第四次工业革命的标志性时刻。


与人类此前经历的蒸汽机时代、电气化时代、信息化时代三次工业革命相比,正在进行中的第四次工业革命,则是由人工智能、生命科学、物联网、机器人等技术革新组成,这些创新会带来物理空间、网络空间和生物空间的三重交互,工业化与信息化、智能化的深度融合。


新一轮科技革命和产业变革正在孕育兴起。“工业4.0”“中国制造2025”等国内外战略纷纷明确了智能制造的发展目标,传统建造业也将迎来深刻变革。为此,面向技术现状及未来需求,亟待围绕桥梁智能设计、智能施工及装备、装配式结构及高性能材料、智能管养等方面,全面开展桥梁智能建造技术研发与实践,进一步提高我国桥梁建设水平。


在桥梁建造的转型之路上,中国桥梁界有哪些得与失、成就与瓶颈、经验与困惑?本刊记者采访了多位专家,带您探究桥梁智能建造背后的“智慧”。


不破不立 传统建造方式期待转变


传统的桥梁建造属于劳动密集型行业,主要模式是混凝土搅拌站+产业工人+桥吊,无论是钢筋的绑扎、混凝土的浇筑还是钢材的切割、焊接、涂装等,均靠产业工人操作,生产方式落后。这种方式已经沿用了上百年,直到目前,占我国90%以上的中小桥梁和城市桥梁,仍采用传统建造方式,离真正的工业化建造还有很大差距。


浙江省交通集团副总工程师兼浙交建设总工程师方明山认为,随着我国对桥梁工程高品质的日益追求、人口红利的消失及国家环保的严格要求,传统桥梁建造方式所面临的资源、环境、人力等制约问题将愈发凸显,难以满足新时代桥梁建造的发展,迫切需要转变建造方式,改变过去劳动密集型且粗放型发展方式。当前正在加速推进的第四次工业革命和信息、数字化技术发展,将推动桥梁建造朝着绿色化、工业化和智慧化程度更高的新型建造方式发展。


目前看来,传统的桥梁建造方式存在诸多弊端或不足。首先,这种以劳动密集型为特征的桥梁建造方式,在生产过程中,人的因素仍然占据主导,工程的质量、安全及进度与一线施工作业工人队伍的素质息息相关。随着中国社会老龄化的到来,施工作业工人队伍在迅速萎缩;特别是有经验、有素质、有责任的工人越来越稀缺。人工作业成本高、作业效率低、安全管控风险高等传统的人工作业弊端仍未得到根本改变。


近年来,桥梁生产正朝着构件制作工厂化、机械化、预制化生产的方向发展,但与先进的制造业对标,在自动化、流水化、信息化等方面,仍有较大差距;桥梁构件安装现场作业受气候、环境条件因素干扰大,安装作业效率和作业精度有待提升。


传统的建造方式也给现场管理带来难题。尤其是工程管理方对人、机、料、法及环等生产要素的集约管控度仍然较低,生产组织方式不够先进,桥梁建造仍然存在建筑材料资源、人力资源及环境资源等资源要素分配不均衡、产业链协同度不高、资源消耗过高、生产效能低及投入产出比低的困境。


在传统模式下,工程管理决策效率低且科学性差,受制于工程信息的及时性、准确性及完整性制约。工程信息的采集和分析能力不匹配。一方面存在海量数据、数据过载的普遍现象;另一方面又存在信息孤岛、数据断链乃至数据真实性等诸多问题,工程质量可追溯性差,项目成本分析和管控水平不高,工程安全管控仍处于被动状态。


中交第二航务工程局有限公司副总工程师、常泰长江大桥指挥长徐刚认为,要打破传统建造业的瓶颈,应考虑如何最大程度减少劳动力投入,提高桥梁建造品质及效率,降低施工成本和安全风险,这些都是当前需要解决的重大课题。因此,建造方式的转型势在必行。


任重道远 罗马不是一天建成的


当前,我国桥梁建设正向工业化、数字化建造变革,未来还将融入先进的智能制造技术,向智能建造方向发展。尽管工业化、数字化建造技术取得了初步发展,但技术应用还处于起步阶段。例如预制装配式新型桥梁结构,由于专用设备、体外预应力造价偏高等原因,总体经济效益还难以体现。随着新型工业化、数字化转型等国家战略的实施,桥梁工业化需求和项目建设规模逐步提升,工业化智能建造的效益必将凸显。


深中通道管理中心副主任兼总工程师宋神友表示,我国建筑业由传统的建造方式向工业化、数字化建造变革仍然面临着不少的挑战。首先是来自理念方面的挑战。一桥四方(业主、设计、施工、监理)已经习惯了传统建造方式,对于推行工业化建造、数字化建造的必要性、迫切性有一定抵触和畏难情绪,需要理念的转变。


其次是技术的挑战。无论是混凝土的智能浇筑、自动振捣,钢筋的自动化平面弯折、立体弯折,钢结构的智能焊接、涂装,均需要研发新装备及控制系统,设备及系统的成熟性需要不断探索及积累,还要面临工程建造复杂性的挑战。大型桥梁工程生产体系高度复杂,点多面广,且公路桥梁结构非标设计居多,给全面全过程实现数字化转型带来了很大挑战。


最关键的一点,来自“成本”层面的挑战。工程建造涉及大量的固定资产投资,是一个对成本高度敏感的产业。数字化转型意味着投入的增加,生产线升级改造和信息化建设需要投入大量资金,显著增加企业的经济负担。特别是如果某些领域的数字化不能带来直接的价值增值,没有相应的利益合理分配机制,就难以形成市场内在动力。因此,由传统的建造方式向工业化、数字化建造变革还需要国家政策扶持。


挑战与机遇总是并存。我国桥梁建设处于高速发展阶段,市场发展潜力巨大。在整个制造业大力推行智能制造的大背景下,桥梁制造相关产业均在大力促进转型升级,各行业相互促进,有利于实现全面智能制造。


方明山认为,工业化、数字化建造将促进生产方式、生产效能的大提升,桥梁建造综合效益的最大化,并将改变传统建造管理由管人向管物、由分散管理向集成管理、由被动管理向主动管控、由信息辅助决策向信息智能决策的全方位转变。以设计标准化、构件预制化、施工装配化、管控信息化等为特征的新桥梁工业化理念正悄然形成。未来,以人工智能为代表的一批新的信息、数字化技术的工程研发应用将面临诸多新机遇。


同时,跨界技术的有机融合,也将给桥梁行业注入新的动力。当今信息与数字技术发展日新月异,信息与数字化技术自身迭代更新周期短、速度快,而桥梁建造周期长、技术更新慢;数字化技术研发周期短,而桥梁建造新技术培育周期长。这两大方面均存在较大矛盾,如何有效处理这些矛盾,将决定信息化、数字化技术能否赋能桥梁建造的成败。同时,桥梁建造将土木工程技术、工业制造技术、数字技术等跨界融合,桥梁建造者的知识体系需要适时更新和重构,其技能和水平将面临新的考验。可以预见,现有桥梁装备的数字化改造和升级、智能化新装备的研发、桥梁产业数字化及桥梁数字产业化等各个环节,都将面临诸多新机遇。


总而言之,转变建造方式必然使桥梁建造的上下游相关单位面临转变固有思想观念和管理模式,短期内增加资金投入的挑战,但同时也给相关单位提供了通过管理创新、技术创新,提高生产效率和产品品质,成为行业领先者的机遇。


寻求“智”变  摸着石头过河


对于我国公路桥梁工程项目而言,当前智慧工地及智慧工厂中的“智慧”还只是概念阶段,现阶段的智慧还停留于信息化层面。桥梁建造从信息化到数字化、智能化,再到智慧化,是未来发展的大方向,还有较长的路要走。


近年来,在各项大型桥梁工程中,我国的桥梁建设者作了诸多探索。据徐刚介绍,正在施工中的常泰长江大桥,研发并应用了一批具有工业化、数字化、智能化特征的建造技术,如大型沉井钢结构的数字化加工,沉井数字化、智能化施工技术与系列核心装备,基于“钢筋部品”和“造塔机”的超高索塔工业化建造技术,以及基于AI识别的钢筋加工厂、水上电子围栏、人员定位等智慧工地的建设,基于BIM的项目信息化管理系统的应用,在提升效率、提高工程质量、实现机械化换人和自动化减人来确保安全等方面均发挥了巨大作用,也取得了较好的效果。


方明山介绍,在建的杭绍甬智慧高速(杭绍段)项目,于2021年开展了智慧建设顶层设计方案征集活动,获得了业界的积极支持和响应。在此基础上,构建了“智慧党建、智慧管理、智慧建造及智慧安监”四位一体的智慧建设体系。经过近一年时间的研发,体系构建已经完成,并开始投入工程运行,系统赋能工程建设的效能得以初步呈现。由于经费和时间所限,目前的体系还处于初级阶段,尚有很多提升空间,在后续的项目中,还将继续改进和完善,最终实现智慧建设。


集“桥-岛-隧-水下枢纽互通”于一体的世界级超大型跨海交通集群工程深中通道,在项目建设之初,就以项目需求为导向,以“两化融合”(工业化、信息化)为基础,以《中国制造2025》为契机,以提质增效为中心,充分应用大数据、云计算、物联网、移动互联网、人工智能等新一代信息技术,策划和推行了跨海集群工程智能建造体系。“包括钢壳及钢箱梁智能制造、钢壳混凝土智能浇筑、钢筋部品化及超高索塔垂直工厂化建造、智慧梁场、智慧安装、智慧工地等六大方面,全面提升项目建设的自动化、数字化、网络化、智能化建造水平,推进我国桥梁制造向信息化、智能化发展,全面促进桥梁建造产业的转型升级。”宋神友介绍道。


桥梁工业化建造是智能建造的基础。尽管珠玉在前,但客观来说,我国桥梁工程工业化水平仍处于探索阶段,工业化整体效益远未发挥出来。普遍还存在一次性投入大、产出效益低等困境,短时期在全国推广还有困难,特别是在经济相对落后的地区及偏远山区,桥梁工业化推广有待时日。比较可行的方式是先从项目构件预制工业化、施工现场工点的局部工业化做起,再到桥梁产业的全面工业化。近年来,我国桥梁构件预制工业化正如火如荼,而工点工厂化在一些大型桥梁工程中也已取得突破,如宁波舟山港主通道工程推行工点工厂、深中通道工程研发了空中造塔机等都较好体现了工点工厂化新理念。


智能建造是桥梁行业产业升级的发展方向,身处其中的任何一方都无法改变这种趋势,只有顺势而为才能有所作为,不被时代淘汰。但这个转变不会是一蹴而就的,地区经济发展程度不同,企业对转变的需求程度不一,需要根据自身条件制定相应的政策,找到适合自己的转型之路。


顺势而为 突破多重掣肘


智能建造的最终目的,是“提质、增效、降本、减碳、可追溯”,通过应用智能化装备及系统,提高建造过程的智能化水平,减少对人的依赖,达到提高安全性、品质和工效的目的,提高建筑的性价比和可靠性,从而提高社会生产力。


目前,我国桥梁行业正处于工业化建造尚未完全铺开、数字化建造刚刚起步的阶段,离真正实现智能建造还有较大距离。


桥梁要实现智能建造,标准化非常重要。尽管在20世纪六七十年代,我国就开始了预制装配等工业建造技术的尝试,也编制了相关标准。然而新时期的全预制化装配理念,从根本上发生了变革,需要新的标准来支撑。


方明山认为,随着桥梁工业化、数字化建造的变革,传统桥梁建造体系已无法适应工业化、数字化建造变革新要求,亟待构建一套更高效、更节能、更绿色、更低碳、更环保的桥梁建造体系,以充分发挥工业化、数字化赋能传统桥梁建造作用。为此,亟待构建桥梁工业化、数字化技术标准体系,以指导、规范桥梁建造的设计、施工及管理,提升设计水平和施工效能和工程质量。“去年我们牵头高校、施工及软件开发商等单位,联合申请了中国工程建设标准化协会有关《高速公路智慧建设团体标准》的编制,目前,标准大纲初稿已基本形成。在此期间,深切感受到业内对高速公路智慧建设的高度关注和极大热情,但也深感智慧建设的认知极为不均衡、不统一。总体感觉业内对于智慧建设的认识还处于萌芽状态,认知上还存在诸多误区和困惑。诸如,对于智慧与智能的定义和界定似乎还存在很大歧义,对于智慧化程度的定义也没有合适的标准可循,对于智慧建设标准的框架、广度和深度也很难准确把握……诸多困惑有待业内共同携手推进解决。”


在桥梁行业,“怎样才算是智能制造”这个问题的衡量标准,目前还没有形成共识,但业内人士已关注到标准的缺失和滞后所带来的掣肘。宋神友表示,没有技术标准可循的情况都是暂时的,部分技术标准有时会落后于经济和技术的发展也是正常的。“智能建造涉及的范围很广,目前还处于发展阶段,需要不断的摸索和探求,现阶段还无法用单独的一两个指标来衡量某项工程是否实现智能建造的标准。目前,依托深中通道项目,我们和相关部门正在就桥梁建造行业的智能制造相关标准展开研究。我们在实践中不一定只依据国家标准或行业标准,也可以将团体标准和企业标准作为补充。”


桥梁智能建造的发展方向是加大智能制造投入,通过自动化减人、机械化换人,逐步把人从繁重的体力劳动和脑力劳动中解放出来,充分利用大数据、物联网、智能传感、人工智能等新技术,实现桥梁全生命周期的智能化,包括桥梁的智能设计、智能建造、智能运维,从而实现桥梁行业低碳可持续发展。


针对未来我国桥梁智能建造的发展,徐刚建议,要构建架构完善的技术体系,打造从基础层面、支撑平台、关键技术、产品及应用的5个层次的技术体系;要加强核心领域的技术攻关,对涉及智能建造的桥梁设计、装配式结构、高性能材料、施工与装备、传感与监控、运营管理等开展深入研究,推进全产业链的智能化发展;要提升核心技术的统筹能力,大数据、物联网等都是以计算机专业为主导的新兴技术,如何统筹这些技术在桥梁建造中的应用成为关键;要打造专业齐全的研发团队,目前我国智能建造相关领域人才仍严重缺乏,亟需建立智能建造技术研发团队和人才梯队,培养一定数量既懂工程技术,又具有数字化思维的复合型人才。


桥梁智能建造本身就是一个多学科融合的研究方向,前沿领域的技术创新是智能建造的发展基础。BIM技术、物联网技术、3D打印技术、人工智能技术、云计算技术和大数据技术等不同技术之间相互独立又相互联系。未来,这些新科技、新成果等前沿技术的突破,必将加速桥梁智能建造系统相应核心技术的迭代升级,推动桥梁产业踏上新台阶。


来源:桥梁杂志微信公众号。

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