“智”谋先机——江苏省长大桥隧智能建造技术创新与实践

“十四五”时期，在交通强国、数字中国、数字交通、新基建、智慧公路等重要纲领政策指引下，江苏省交通基础设施建设迎来前所未有发展契机，高速公路建设的数字化转型发展取得长足进步。江苏省交通工程建设局全面推进“数字交建”的建设工作，聚力打造“1739+N”的数字化转型发展体系，深度推进全省高速公路高品质建设与数字化的融合发展。进入“十四五”以来，江苏省过江通道建设迎来了重要发展机遇，对于长大桥隧基础设施来说，探索智能建造是实现基础设施高质量发展的重要路径。

智能建造是新时期高速公路建设数字化的重要领域，也是交通行业融合迈向工业4.0的重要体现。在参考学习工业4.0概念与技术路径的基础上，提出高速公路智能建造内涵：面向路基、路面、桥梁、隧道等构造物，在建造全寿命周期充分利用互联网、物联网、数字孪生、智能控制等新一代信息技术，提升建造全过程工业化、数字化、网络化和工业化水平，减少对人的依赖，达到安全、高质量、经济、环保、高效的建造目的。同时结合江苏省高速公路基础设施建设特征与发展水平，初步构建智能建造分级标准，包括智能建造1.0（L1）、智能建造2.0（L2）、智能建造3.0（L3）、智能建造4.0（L4）。当前江苏省高速公路智能建造处于L3阶段，主要通过广泛采用人工智能、工业物联网、智能控制等数字化技术，初步实现数字化与工业化的融合应用，关键工序实现工业化智能制造，与BIM智慧工地深度协同。

图1 智能建造分级

数字设计是高速公路智能建造的重要组成部分，主要通过建立数字设计管理中心、制定数字设计指南、“点-线-面”正向设计、构建BIM协同平台等手段，从工程建设源头上引领数字化建设，促进数字化转型。

江苏省交通工程建设局搭建全省高速公路数字设计管理中心，从源头引领数字工程的建设，规范数字设计、智能建造与数字交付的统一与融合，促进设计水平的大幅提升；依托局在建项目研究数字设计交付指南，制定颁发高速公路数字设计管理办法，实现不同项目、不同阶段统一。

从关键构件“点”出发，聚焦过江通道桥隧结构特殊性和复杂性，以“一模到底”“一模多用”模式推进核心构件BIM正向设计；从整条高速公路“线”出发，依托连宿高速公路，打造江苏首个全过程、全专业、全流程系统化正向设计的高速公路，融合不同对象实现全寿命周期数字传递；从全省高速公路“面”出发，搭建高速公路数字设计管理中心，实现全项目数字设计统一规范管理与共享。

以BIM数字设计管理平台为底座，面向项目建造与实施，聚焦跨江大桥、过江隧道、高速公路工程特点，围绕生产工厂化、施工装配化、管理信息化、数据标准化、数据来源物联化、数据应用协同化建设理念，紧密围绕人、机、料、法、环关键要素，搭建面向路、桥、隧建造与生产的BIM协同管理平台。

图2 路、桥、隧BIM协同管理平台

跨江大桥智能建造主要涉及节段梁预制智能建造、钢筋部品化柔性生产、钢沉井智能建造、钢箱/桁梁智能建造、钢混组合塔智能建造，针对跨江大桥关键施工风险，开发跨江大桥施工智能监测与孪生系统，提升大桥智能建造水平。

（1）节段梁生产

基于固定台座工艺设计节段梁流水线预制工艺，提升产品品质、工效，应用全过程数字化技术与装备助力节段梁智能建造。研发节段梁云上生产系统，实现节段梁计划、生产、仓储、运输、安装全过程信息化管理。生产过程导入BIM正向设计模型与编码，实现预制梁各个环节的质量效率提升、数字信息化控制，过程产生数据与BIM模型进行唯一标志映射，实现节段梁全过程信息化管控。 

图3 节段梁预制生产线

（2）部品化钢筋

依托常泰大桥，构建“装配化设计、自动化下料、工厂化制作、快速化安装、智能化控制”为理念的钢筋部品工业化智能建造成套技术。基于数字设计BIM模型传递，形成“片体-块体-部品”渐进理念的钢筋部品设计方法；研发全自动化数控系统，实现钢筋加工的精准下料，显著降低损耗；规模化应用片体柔性制造生产线，实现钢筋生产加工无人化、少人化；使用寻点机器人自动焊接技术实现高效高空作业，大幅提升工效；应用步履式顶推组拼胎架及全球首个万吨米级塔吊，实现钢筋块体快速组拼及精准定位吊装。

图4 部品化钢筋组拼吊装

（3）钢沉井生产与施工

钢沉井智能建造融合正向设计与数控生产，实现全过程的装配化。基于Tekla三维模型和西格玛套料系统进行自动排版套料、切割模拟，输出钢板采购清单、数控加工程序，通过数字化管理系统直接读取转化进行自动排版及NC编制，实现3D模型数据与加工数据准确协同及三维图纸设计加工一体化。采用智能取土、扫测机器人实现钢沉井施工过程数字化、可视化，保障下沉精度，运用沉井下沉“智能感知系统+全过程主动分析控制系统”，确保沉井下沉“可测、可视、可控”。

图5 钢沉井智能生产步骤

（4）钢结构生产

基于钢材自动下料，板单元、杆件智能制造，以工业化节段制造和精准化吊装成套技术为手段，实现钢/桁梁智能建造。根据钢结构数字设计模型进行自动化数控切割控制，采用提升效能的自动焊接技术，聚焦U肋后续在整个结构体系的重要作用，研发除锈技术，引进智能孔群检测设备及数字超声检测监控系统，提升检验水平，保障钢结构生产数字化与质量提升。研究适合桁梁打砂和喷涂的机器人，保证钢桁梁表面打砂和喷涂质量均匀一致，安全高效。同时网络集成喷砂机、回砂、除尘、智能监测系统等生产设备，实现智能控制。

图6 钢梁智能制造生产线

（5）钢混组合塔生产与施工

依托常泰大桥，探索钢混组合塔智能建造技术路径。基于BIM正向设计，融合钢塔自动生产数控系统，实现自动化生产；采用无人加工生产线和装备机器人，实现板单元无人自动化加工；研发数控液压支撑调整系统，减少支撑胎架受力不均匀引起的变形误差，实现虚拟拼装，提升现场精度；采用北斗技术，实现吊装过程的智能化引导与监测，提升施工效能，有效保障精度。

图7 钢塔数字化下料制作

（6）大体积混凝土监测

针对大体积混凝土开裂风险，开发大体积混凝土智能温控系统和关键材料，通过智能精细化温度控制措施，打造“无缝承台、塔座、索塔、锚体”，“无水锚室”及水下隧道“滴水不漏 ”。针对锚碇深层软基，开发应用圆形锚碇深层地基加固智能建造系统，通过U3D虚幻引擎真实还原现场施工场景，监测施工参数，反算泥浆压滤方量，实时获取成桩位置和施工状态，保障施工质量。依托张靖皋大桥，通过导入无人机摄影的图片，到Metro3D工业数字近景摄影测量软件进行解算，形成目标锚杆高精度的“三维实景模型”，实现对于锚杆的“云测量”及定位控制，确保预埋安装精度，实现“零”误差。

图8 大体积混凝土温控控制系统

（7）关键工序智能监测

跨江大桥作为世界级工程，针对重大结构物在施工过程中的相关质量、工艺、安全等核心关键参数，基于物联网监测装备，对施工全过程环节进行实时动态孪生，实现全过程全工艺监测，保障重大桥隧结构安全。主要场景包括：地连墙、沉井、钢塔拼装、缆索施工等。缆索架设过程中，基于物联数据与实时监测，建立缆索智能控制系统，实时掌握缆索牵引姿态，并根据监测数据，建立环境参数与主缆空间线形的关系，实现索股线形精确测量与控制施工。

图9 索塔施工数字孪生系统

过江隧道智能建造主要包括后场盾构管片的预制生产、养护、拼装，前场聚焦隧道明挖和盾构施工两个阶段，围绕盾构机数字导航掘进、刀盘刀具、同步注浆等构建数字施工监测系统，提升隧道智能建造水平。

（1）管片预制与装配

盾构管片智能建造指采用工厂化生产工艺，集中生产、运输，在生产过程中对于拼装精度、质量溯源以及混凝土性能要求更高。盾构管片智能建造主要包括管片加工生产、养护与拼装等，采用ERP生产组织架构对管片全过程生产实现智能建造，数字化管控实现管片生产全过程数字溯源，保障任一环、任一块数字追溯；采用全场景的温度、湿度监测与控制系统，实现管片的数字化养护精准控制；盾构机搭载管片自动化拼装系统，实现“同环、同模、同环号”精准拼装，提升管片拼装施工工作效能，提高拼装精度，实现管片精准定位。依托江阴靖江、海太隧道，构建管片智能化建造基地，实现管片工业化智能建造。

图10 盾构管片预制生产

（2）隧道智能监测

聚焦隧道明挖和盾构两个阶段构建数字施工监测系统，提升施工管控效能，实现全过程全工艺的数字化监测，掌控施工质量与施工风险。盾构机是盾构隧道最为关键的装备，对掘进土体参数、刀盘刀具等装备、盾构机姿态参数、同步注浆等进行实时监测，保障盾构机实施过程中的施工安全。依托江阴靖江长江隧道，构建盾构机掘进关键参数监测系统，采用数字化管控实现盾构机姿态的实时监测，实时推荐盾构TBM掘进关键参数和超前两环推荐，实现导航掘进；通过在刀盘刀具上安装多个传感器，实现刀盘、刀具磨损情况的实时检测盾构隧道施工全过程管控；利用地质雷达系统瑞雷波检测原理，在盾尾部与1#台车之间设置监测点，检测上半环注浆的饱满度，管片平均上浮5mm，控制上浮8mm以内。

图11 盾构掘进数字监测技术

智能建造效能评价主要包括预制构件智能建造效能分析及关键结构数字化施工效能分析。预制构件工厂化智能建造及数字化施工能显著提升各个环节质量和效率，以节段梁智能建造和钢结构数字化施工为例进行重点分析评价。

（1）水泥混凝土预制构件

预制构件工厂化智能建造显著提升各个施工环节生产质量。以节段梁为例，从预制全过程智能建造环节生产数据进行质量效能评价，拌和阶段水灰比误差百分比均在0.5%以下，最小值为0.07%，试件强度100%合格；振捣阶段布料振捣各层质量均匀度R=24.56（传统工艺参考值19.41）；养护阶段蒸养温度与湿度始终在稳定的波动区间，误差<2.5%（传统工艺参考值4.0%）；张拉压浆时钢筋伸长量小于6%，浆液饱和度100%；成品钢筋保护层厚度合格率达到96%（传统工艺参考值90%），强度标准差1.5（传统工艺参考值2.0），表观质量均达到优等。同时在社会经济效益各方面，相较于传统工艺，智能建造生产效率提升2倍，少人化水平提升46%，单榀造价降低17%，1000榀梁预制厂土地占用降低65%。

（2）钢结构制造

数字化施工在钢结构中施工时优势明显，显著提升工作效率，减少施工过程中的粉尘、噪音等对人员的身体危害。相比于传统生产方式，钢结构下料工作效率提升3倍；板单元建造实现整体工效提升3.2倍，一次焊接提升99.8%；桁梁杆自动化焊接率提升93%，桁梁杆件数字化生产线综合提升2.4倍；数字化总拼采用MICROBO全自动焊机器人，提高一次性焊接合格率到99.6%；数字化涂装智能建造提高喷砂800%效率，喷漆整体效能提升150%。

立足江苏省当前高速公路、长大桥隧项目建设管理效能与品质提升的要求，江苏省交通工程建设局在吸纳全国同行先进智能建造技术基础上，结合江苏特征进行归纳、总结、创新与实践，逐步形成多场景的新时期高速公路智能建造技术成果。但与此同时，相比于工业制造4.0相关要求，当前江苏高速公路智能建造大致处于智能建造3.0的初期发展阶段，离真正的智能建造还有很长的路要走。展望未来仍需在以下几个方面进一步探索——

（1）顶层制度是智能建造实现的基础保障。设计招标中明确正向设计内容、范围、传递等技术要求；施工招标中明确规定相关结构、专业的智能建造要求；从顶层制度层面上为高速公路智能建造发展提供基础保障。

（2）数字设计是智能建造全方位应用的基础底座。进一步推进全专业口径的正向设计，强化正向设计技术标准。从前期构建“一模到底”“一模多用”的模式，全周期实现数字设计与智能建造的融合，进一步推动高速公路智能建造的发展。

（3）数据驱动与人工智能深度融合，丰富智能建造技术路径。智能建造全寿命周期数据的深度价值挖掘，加强探索数据分析方法，结合大数据、机器学习、视觉学习、机器人等新兴技术深度应用，广泛探索，逐步实现更高水平的智能建造技术应用。

（4）进一步总结江苏省长大桥隧智能建造经验与实践，聚焦智能建造4.0目标，持续探索创新，着力打造江苏高速公路“苏式建造”品牌。