25万吨钢结构的自动化制造——深中通道钢结构桥梁工程智能制造互联互通关键技术与应用

深中通道项目全长约24.03公里，其中主体桥梁工程包括：桥岛结合部非通航孔桥、 伶仃洋泄洪区非通航孔桥梁、伶仃洋大桥、浅滩区桥梁、万顷沙互通匝道桥、 横门东/西泄洪区非通航孔桥梁、中山大桥、陆域引桥。 钢桥梁工程全长16.9公里，钢结构总吨位达到25万吨，工程规模宏大，建设条件复杂。 若想保证钢结构的质量和精准的完工周期，钢箱梁从加工制造设计、建造、施工到检测都面临巨大挑战， 常规方式很难保证施工结果，因此智能建造的工程量不容小觑。

深中通道项目总平面布置图

由于工程技术含量较高，在实际施工过程中要先做钢壳，再做混凝土浇筑。钢壳制作难度非常大，一个单节约1.1万吨，排水量相当于一艘中型航空母舰，传统模式难以满足深中通道大规模、高工效、高质量的建造要求。在早期桥梁建设中，钢结构一般采用人工制作；在虎门二桥的建设中，实现了板单元工位自动化；而深中通道试图打造一条流水线，实现整个钢结构质量的提升。

针对桥梁钢结构工程技术难度大、施工过程复杂、对实施企业工程业务链配套能力要求严格等挑战，必须要求钢箱梁的设计、制造、加工实现自动化、数字化、智能化。而对于这些要求，国内目前桥梁钢结构生产制造企业的设备及系统暂时都无法满足。

在信息化方面，利用信息化技术可显著提高桥梁钢结构生产效率、性能水平和建养一体化水平，推动桥梁智能化、工业化水平。目前，我国在桥梁工程软件研发和应用方面取得了一定进展，在主要功能、计算精度、计算分析效率等方面，已接近国外软件水平。其中，BIM技术作为提高桥梁信息化水平的主流技术，在工程中主要应用于桥梁建模、碰撞检查、施工过程模拟、施工进度管理等。深中通道项目要求结合工程建设领域BIM技术的推广，全面实现数字化、自动化、信息化，来满足设计交付、建设期项目协同管理、施工对运维交付等阶段的信息传递三大功能需求。为此，深中通道管理中心编制了《深中通道钢桥智能化评价体系》，对桥梁钢结构的全过程制造提出明确要求。

为实现桥梁钢结构高质量、高效率的制造目标，充分借鉴沉管隧道钢壳智能制造项目的实施经验，以解决正交异性桥面板疲劳损伤等钢箱梁病害通病为突破点，该项目利用智能传感、物联网、协同设计、一体化集成等技术，有机集成自动化生产线、焊接、装配、涂装机器人等数字化制造装备。通过执行指令、工作状态和运行管理等制造活动之间信息的实时交互，形成以智能化下料加工生产线、智能化板单元生产线、智能总装生产线、智能喷涂生产线及桥梁钢结构智能制造信息管理平台为核心的“四线一平台”，提升桥梁钢结构板单元生产线自动化、数字化和信息化水平，打造国内技术领先的示范性桥梁板单元智能化生产车间，夯实了钢箱梁智能制造的核心能力基础。

平台将以钢箱梁桥工程智能制造为核心，依次建设桥梁钢结构经营一体化信息管理系统、桥梁钢结构数字全模型信息管理系统、桥梁钢结构制造集成智能化管理系统、桥梁钢结构物料优化及管控系统四大信息系统。横向从业务架构，打通产品研发、工艺设计、生产制造、物流转运、交付运维等价值链环节；纵向从系统框架，实现系统服务平台与高端制造设备、桥梁制造工艺、经营决策支撑、深中通道BIM制造模型等相结合的集成创新，促进跨业务环节的综合集成。其中，高端制造装备集成，将打通上下游板材预处理、切割、下料、组装、焊接、校正等智能设备，通过统一数据接口实现设备联网。结合深中通道钢结构的实际需求，分析钢箱梁制造加工工艺流程与特点，进行全厂设备集成规划、工艺路线规划、物流转运规划。以钢箱梁数字全模型为基础，将物料管理、三维架构一体化、板材制造信息管理、虚拟预拼装和工业物联网平台等核心制造技术进行整合，综合应用于钢箱梁产品的设计、仿真、制造、管理、试验测试的各个阶段和方面。通过信息资源共享、研制过程协同、软件功能集成和基础环境建设，促进产品研制的数字化综合集成应用。建立以桥梁制造装备产线集成、桥梁工程设计建造集成、制造业务单元集成、运营管理一体化管理集成、试验测试总集成等为主的数字化工程建设平台。有效实现提高制造生产效率、降低资源消耗、提升产品内在品质、记录生产过程质量状况，促进钢结构桥梁产业持续、健康发展，打造在桥梁领域“智能制造”的高端品牌。

总体规划框架

桥梁钢结构生产制造整体业务流程包括项目的产品需求、产品研发、工艺设计、生产制造、物流转运、交付与运维。

基于钢箱桥梁工程特点,钢结构桥梁智能制造集成平台建设,涵盖桥梁钢结构经营一体化信息管理系统、桥梁钢结构数字全模型信息管理系统、桥梁钢结构物料优化及管控系统、桥梁钢结构制造集成智能化管理系统四大子系统。底层由设备层及网络层等硬件环境支撑,通过统一的开发平台提供数据和业务支撑，从而对桥梁钢结构工程中的各种资源、计划、质量等进行合理调度、跟踪，形成制造过程一体化、生产计划精细化、业务过程信息透明化、制造系统平台化集成化、质量数据可追溯、物料配送智能化平台,为企业运营提供数据分析决策支持，使企业管理和信息化水平得到大幅提升。

平台技术架构由基础系统层、开发平台层、应用层三个技术层级，和安全保障体系组成。基础系统层是通过网络、硬件、操作平台和数据库等支撑其他层次的应用。开发平台层是提供可灵活调整及快速构造的业务应用开发平台，可以快速有效整合已有系统或将来建设的第三方系统。应用层是提供界面集成、框架整合、业务建模工具、工作流引擎、统一消息平台、统一预警平台等数据交换和数据集成的业务应用实现。安全保障体系为以上三个层面进行安全的保障和支持，建立集中运行中心及灾难恢复中心平台保障运营的稳定、安全。

1.桥梁钢结构经营一体化信息管理系统。该系统是一套适应钢结构业务特点，具备兼容与扩展性的经营管控平台。利用设计模型及产品数据管理与项目管理的集成一体化应用，围绕项目将设计、工艺、变更、进度、物供、生产、成本各业务环节打通整合，实现高效协同、动态变化、无缝集成的设计集成化管理。引入标志手段，利用设备智能化管控与生产过程管理的一体化应用，实现精细化、实时化、智能化的制造集成化管理。基于大数据技术框架的各类数据采集、存储、清洗、分析及展现，提供全面、实时、准确、溯源的企业经营数字化实况，实现可管、可控、可视的决策数字化管理。系统主要功能模块包括营销管理、项目管理、供应链管理、仓库管理、生产管理、质量管理、财务管理、管理会计、资产管理、人力资源管理、预算管理、安全环保健康管理、能源管理、风险内控、决策支持、数据集成。

桥梁钢结构经营一体化信息管理系统总体架构

2.桥梁钢结构数字全模型信息管理系统。该系统基于SOA架构搭建与CAD/CAPP/CAM、CAE等设计软件的集成的系统平台。基于模型定义（MBD）建立桥梁工程物理和功能特性的信息模型，基于模型开展全过程整体设计；通过制定建模及规范的数据接口，通过与CATIA、TEKLA、仿真软件的集成将钢结构板单元的数字化建模和仿真分析结果，生成产品结构树、工艺BOM、装配信息等工艺文件，且可通过系统完成工艺评估、文件签审；基于工艺信息结构化，桥梁钢结构数字全模型信息管理系统向桥梁钢结构制造集成智能化管理系统输出结构化物料信息，并将3D工艺过程卡、工艺指导以及NC指令下发到车间现场；制造集成智能化管理系统，根据生产计划和工位物料需求情况，形成物料清单，并发送到桥梁钢结构物料优化及管控系统，从而实现协同设计、生产制造与物流配送一体化管理。系统总体架构如图所示。

桥梁钢结构数字全模型信息管理系统集成架构

3.桥梁钢结构制造集成智能化管理系统。该系统采用基于ESB的企业应用集成框架，实现从生产计划到产品入库全业务流程的信息化管理。该系统将通过ERP系统获取订单数据，从后往前按拉动生产方式将其转化为内部生产单，同时结合生产BOM、PDM工艺信息和物料信息，计算得到合理的排产计划、形成生产数据，下发到各生产机台进行流水线排序/排程，开始工序生产。

智能化下料生产线的各数控切割设备是通过PLC的RJ45端口与MES服务器互联，由MES系统自动下达由套料软件高级算法编制的指令程序（NC代码）至切割设备，完成板材智能下料切割。

板单元智能焊接生产线的各生产设备通过PLC与工控机进行连接，工控机和MES服务器互联，形成焊接设备与工控网络互联，由MES系统自动下达焊接指令程序，完成顶板单元、底板单元、板肋板单元、横隔板板单元、横肋板单元和护栏立柱的智能焊接。

节段智能总拼生产线的各生产设备通过无线方式，与工控机进行连接，工控机和MES服务器互联，搭建总拼生产线的工控网络，焊接设备将预置各类焊接规范至焊接数据库，MES系统根据ERP发出的生产指令，分派至相应拼焊设备或工控机，并通过焊机群控系统实时监测焊接电流/电压，超规范作业时系统会弹出报警信息，一旦发现焊接缺陷，将追溯每条焊缝从设计、派工、焊接到检验的全过程信息，确保焊接质量。

智能涂装生产线的各生产设备通过无线方式，与工控机进行连接，工控机和MES服务器互联，搭建涂装生产线工控网络，MES系统将喷砂、喷涂、喷漆等各生产指令，分派至相应涂装设备或工控机，喷砂除锈、热喷涂、喷漆工序的自动化设备，可通过各自车间的控制单元进行实时监测和质量追溯，同时配置与项目BIM系统连接接口，实现与BIM系统进行周期性数据交互的功能。

从下料切割、板单元焊接、节段总拼到涂装的全生产过程, MES系统将同步采集物料信息、人员信息、设备信息、加工关键参数、质量信息、产量统计、库存信息等数据，并实时回传至ERP系统中。当上下游生产和供应链协同发生“衔接”异常时，可快速定位、分析和应对，协同调度通过人工对生产计划进行调整，最终生产结果将返回至桥梁钢结构经营一体化信息管理系统。根据桥梁建设工程工期要求，进行成品出货计划，安排物流计划，最终出货到施工现场。

4.桥梁钢结构物料优化及管控系统。该系统基于桥梁生产制造特点，融合企业的下料计划管理、钢板堆垛管理、套料管理、下料管理、移动终端应用、自动化智能装备集成管理。通过将数控机床联网，将下料流程与生产设备集成，实现下料计划的分解管控，包括切割任务分配、设备产能分配、钢板物流和上下料管理、套料数据和NC程序的自动分发和管控，优化下料作业的运作流程。采用先进高效的套料引擎，实现零件的自动套料、订单合并、切割计划优化,并配合手动调整功能，实现排料利用率最大化；利用RFID和移动终端技术，自动调运厂内智能行车、平板车，实现物料配送转运的高效率和精细化管理。

5.基于BIM技术的钢结构桥梁工程智能制造集成应用。为高标准完成深中通道的设计、制造、施工、运维质量全过程控制，按照工程管理全过程信息化管理、智能制造和智慧工地建设的要求，基于深中通道BIM协同平台业务架构，深化基于钢结构智能制造的三维数字化生产设计，开发了BIM平台的数据接口，实现深化设计、工艺仿真和与制造管理过程的数据集成，全面提升工程建造质量和综合管理水平。

基于BIM协同平台的智能制造集成架构

钢结构建造项目部在收到深中通道整体三维模型后，将根据工艺方案，对该模型进行精细化，添加节段划分、工艺余量等生产设计数据，精细化后的模型导入深中通道BIM平台，使之成为可维护的数据承载对象。具体包括——①BIM协同深化设计：通过CATIA软件进行三维BIM协同设计，所有的大节段、小节段、板单元、零件等几何信息和设计信息等通过施工图深度BIM建模。②BIM碰撞检查优化及预拼装：BIM建模过程中，将进行模型碰撞检查，提前规避碰撞问题，减少和消除窝工返工。在整体模型建立后，将对每个节点进行预装配BIM模拟，同时结合实际制造空间、安装方案和吊装条件进行预先BIM分析和评估。③BIM设计出图及可视化技术交底：BIM设计模型优化定稿后，通过BIM软件生成构件自动化编号并导出二维图纸，辅助加工和安装工序现场使用。④BIM工程量和设计参数信息统计：基于BIM模型快速提取用钢量、螺栓数量、型号等材料的工程量，辅助材料管控和现场精细化管理，便于后期生产设计加工一体化功能应用。⑤制造工艺流程模拟仿真：根据BIM深化模拟、场地模型、制造空间、运输条件、设备、人员等因素进行流程工艺模拟仿真，最优化设计制造流程和资源投入。可视化工艺到现场，指导工人现场施工有据可依。⑥设计变更协同管理：基于BIM协同平台建立项目级OA，实现以模型为媒介的线上审批。⑦基于BIM的采购与仓储管理：基于BIM模型生成采购清单，整合采购、库存、运输、配送全过程记录。⑧基于BIM的生产计划和生产执行管理：利用BIM模型分解出生产顺序和进度要求，制定生产节点计划，MES根据排产计划制定车间级详细作业计划。利用桥梁BIM模型对工程量和生产计划进行统计分析，并可分段查看生产执行情况。⑨基于BIM的质量管理：结合BIM模型关联MES系统，设置质量隐患库，在此基础上对施工质量问题管理数据进行填报与采集，并进行追踪与分析，从而有效地控制项目质量问题。⑩基于BIM的设备运维管理：BIM实景地图的设备模型将关联该设备的关键数据，通过MES系统进行设备运行状态、工作时长、运行轨迹等数据采集，通过点击设备模型，即可查看设备故障的历史记录和设备维护数据。?基于BIM的桥位施工管理：通过移动端、电脑端、网页端BIM模型，实时管理工程状态，了解桥位施工当前状况，降低因构件运送延迟、设备保养不到位、施工人员不足等原因所导致的施工延期，把控项目整体进度。

深中通道在桥梁钢结构工程设计制造加工一体化挑战的基础上，对钢结构桥梁工程的业务逻辑进行了梳理，提出了桥梁钢结构智能制造信息管理平台业务框架，结合钢箱桥梁工程特点，研究并设计了桥梁钢结构经营一体化信息管理系统、桥梁钢结构数字全模型信息管理系统、桥梁钢结构物料优化及管控系统、桥梁钢结构制造集成智能化管理系统四大子系统。实现了四大子系统的互联互通，横向打通了钢结构桥梁工程从产品研发、工艺设计、生产制造、物流转运、交付运维等价值链环节，纵向实现了平台与高端制造设备、桥梁制造工艺、经营决策支撑、深中通道BIM制造模型等相结合的集成创新。

通过桥梁钢结构智能制造信息管理平台在深中通道钢箱梁G03智能制造方案中的部署和实践应用，实现板材出入库效率提升了50%，计划排产效率提升了10%，板单元生产能力提升了33.3%，人工成本降低了35%。该智能制造信息管理平台为钢结构工程实施智能化建设提供了坚实基础，也对桥梁工程或同类工程的智能制造信息化管理和应用具备借鉴意义。