超高混凝土桥塔一体化智能建造关键技术与装备

当前，我国的超大跨径缆索承重桥梁建设方兴未艾，规划了大量的跨江跨海通道，《长江干线过江通道布局规划（2020—2035年）》中指出，到2035年，新建长江干线过江通道276 座。这些桥梁多位于强风、强浪等恶劣建设环境，给工程高效、高品质建造带来了巨大的挑战。现阶段我国已成为当之无愧的桥梁大国，但与桥梁强国仍然存在差距，表现在基础理论及关键技术还需突破、工程基础软件受制于人、劳动密集型产业现状没有明显改变等。在劳动力成本不断攀升、环保要求越来越严、高质量发展需求强烈的背景下，桥梁建设产业亟需革新。

随着桥梁建设技术和建筑材料的发展，桥梁跨度和高度越来越高，据统计，国内主跨径大于等于400m的桥梁59座，世界上最大塔柱高度已达到332米。混凝土塔（墩）柱因其刚度大，力学性能优越，维护成本低等原因，在斜拉桥、悬索桥、梁桥等各类桥梁中应用广泛。作为典型的竖向混凝土结构，混凝土塔（墩）柱多采用原位施工的方式进行建造，约占桥梁施工期1/3，在施工工艺方面，主要有翻模、滑模、顶模、爬模等。

总体来说，目前现浇混凝土塔柱在施工工艺方面，呈现作业工序多、人员密集、集成化水平低等特点，属于典型的高耗能、高风险、劳动密集、粗放型产业。具体表现在——

（1）施工效率较低：目前国内大型桥梁塔柱平均速度约为0.6m每天；

（2）劳动力需求大：桥塔上现场绑扎钢筋、安装模板以及浇筑混凝土等，都需要大量的劳动力；

（3）作业条件较差：无论是液压爬模系统，还是翻模系统，遮挡条件都较差，受天气影响程度高；

（4）施工品质不高：钢筋定位精度、混凝土布料和振捣质量控制难，混凝土养护条件差、养护时长不够、外观质量不佳；

（5）信息化程度低：作业实时信息难以获取，爬模等设备的运行状态只能由操作人员现场查看，或根据经验判断，施工管理者无法远程监管、实时决策及传达指令等；

（6）高空作业安全风险大；现有高空混凝土作业平台工作面狭窄，人员安全防护设施薄弱，缺乏联锁、警告配置，遇突发灾害应急响应手段匮乏，危险源及危害因素无法及时预警隔离，缺乏有效逃生手段。

如何提高超高混凝土桥塔建造品质、效率，降低高空作业安全风险，亟需通过升级当前的建造模式，改变现浇场景的落后现状。

为解决传统建造过程中作业风险大、施工效率低、作业人员多、质量控制难等问题，进行工业化、智能化升级已成为行业发展共识。国内一些大型建筑企业纷纷开展筑楼机等工业化建造技术与装备研究，在中国尊等重大工程项目中进行工程示范；国内碧桂园旗下博智林在研建筑机器人累计40余款，围绕现浇结构工业化建造，目前已在自动化集成平台、混凝土施工、质量检测等方面初步形成了新的产业链。

但是，从整体发展的角度来看，显然还不够完整，相关研究还处于初步阶段。譬如设备开发多以局部升级为主，一体化研发工作较少；现场人机料数字化集成度不够，设备协同管控还需加强；筑造机器人多适于标准化程度高、构造相对简单的现浇构件，对于复杂混凝土构件涉及较少等。

图1 超高混凝土桥塔工厂化施工总体工艺思路

为此，针对超高混凝土桥塔结构，以“工厂化生产、装配化施工、智能化控制”为总体思路，我们提出将现浇结构施工现场打造为竖向移动工厂，提升混凝土现浇结构建设安全、品质和效率的理念，围绕桥梁工程移动工厂智能建造关键技术，借鉴工业化制造思路，将复杂或特殊建设环境下的混凝土结构现场施工打造为移动工厂，打通与混凝土、钢筋两大原材料供应系统的联系，实现从原材料（钢筋、水泥）到半成品（钢筋部品化、混凝土），再到成品（塔柱）的工厂化施工，实现移动工厂化建造条件，从而提高建造品质、提升施工效率、保证施工安全。主要在以下几个方面进行了创新研究：

（1）首次以通用型类工厂智能化装备为核心，以数字孪生平台为手段，通过构建现浇构件模块化、部品化，以工业化流水线方式生产现浇混凝土构件的方法，研发了适应类工厂作业条件，集架体自爬升、混凝土智能浇筑、智能养护和应急逃生等功能的一体化智能筑塔机，提高了工程品质、施工效率，实现了机械化减人、自动化换人、智能化少人的本质安全要求。

（2）提出集钢筋部品划分、自动生产、组装成型、快速调位、精确控制的桥塔钢筋工业化建造技术，大幅缩短钢筋工程现场作业时间，实现了钢筋部品装配化设计、工厂化制造、快速化安装、智能化控制，满足了混凝土保护层一次性合格率100%的要求。

（3）建立了混凝土构件标准化、自动化现浇作业工序标准，开发了集混凝土自动化精确布料、基于机器视觉的自动振捣、基于可视模板的外观质量监测、智能养护、强度在线监测的现浇混凝土质量反馈控制技术及设备，实现了混凝土浇筑过程可视、可控，显著提高混凝土浇筑质量。

该技术针对目前国内超高混凝土桥塔的施工现状，依托深中通道伶仃洋大桥等项目，对装配化、自动化和智能化在混凝土现浇作业上的应用展开研究分析，对混凝土结构类工厂化施工工艺提出适应性结构和功能集成需求，研发专用成套装备和信息化控制系统。并在依托项目上应用实践，基本实现了混凝土现浇结构智能建造及精益化管理的目标。在一体化施工过程中，结构形式的优化与安装模块化、适用的广泛性、功能集成的多样化、智能化以及施工全过程信息化进一步的升级与提升，实现了现浇混凝土传统建造技术向工业化建造技术升级。

对于超高混凝土桥塔施工，采用高混凝土桥塔一体化智能建造关键技术与装备（以一体化智能筑塔机为核心装备）建造与传统爬模建造，从施工安全、成本、进度、质量等方面综合进行对比，可发现采用一体化智能筑塔机建造，在安全、效率、经济性等方面都有显著优势，具体分析如下表所示。

该研究成果在深中通道项目中成功应用，基本实现了智能建造及精益化管理的目标，在一体化智能筑塔机施工过程中，结构形式的优化与安装模块化、适用的广泛性、功能集成的多样化、智能化以及施工全过程信息化进一步的升级与提升，开创了超高大跨桥梁混凝土桥塔工厂化、装配化、智能化建造的先河，推动了行业的技术进步，可用于指导类似工程建设。对于提高超高大跨桥梁工程品质、达到本质安全，提升建造工厂化、智能化水平，促进了桥梁建造技术发展，具有显著的工程应用价值、重要的社会经济意义、广阔的市场前景。

未来十年甚至更长的一段时间，我国乃至世界大跨径缆索承重桥梁建设需求旺盛。如江苏张皋过江通道、广东莲花山过江通道、浙江舟岱跨海高铁、直布罗陀跨海大桥等等，这些大桥桥塔必将向更高、更大、更恶劣建设环境方向发展。可以预见，超高混凝土桥塔一体化智能建造关键技术与装备，以其更安全、更高效、更智能的显著优势，具有非常广泛的应用前景，项目研究具有前瞻性，蕴含巨大的经济和社会效益。