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当前，我国一大批世界级跨江、跨海桥梁相继建成，桥塔作为大跨径缆索承重桥梁的主要承重结构，也向着更高、更大、更恶劣的建设环境发展。为解决超高混凝土桥塔传统施工面临的安全风险高、质量控制难、施工效率低、劳动力需求大等难题，借鉴先进制造业流水线生产经验，提出了将传统现浇塔柱施工现场打造为竖向移动工厂的建造理念。发明了超高变截面索塔三维钢筋网片设计及弯折成型技术与装备，形成了“部品化设计、自动化生产、装配化安装、智能化控制”的钢筋部品装配化建造技术；研发了集模架爬升、钢筋安装、混凝土布料及振捣、智能养护、起重吊装和应急逃生功能于一体的智能筑塔机；选用多掺混合料配制了适于海洋环境的低温升、易泵送、高抗裂主塔专用混凝土。工程实践表明，系列新材料、新装备、新技术的应用取得了良好效果，施工工效相比传统工艺提高了50%，钢筋间距合格率可达100%，钢筋保护层合格率97%以上，可确保混凝土养护时间不少于7天，混凝土外观及实体质量显著提升，高空作业人员缩减70%以上。研究成果开创了超高大跨桥梁混凝土桥塔工厂化、装配化、智能化建造先河，可为同类型工程项目建设提供参考。

传统建造方式的弊端

混凝土桥塔在大跨径悬索桥、斜拉桥中得到了广泛应用。作为典型的高耸结构，通常采用原位现浇的施工方式建造，主要有顶模法、提模法、滑模法、爬模法等，其中爬模法是桥塔采用最为广泛的施工方法。中交二航局在润扬长江大桥悬索桥施工中率先引进、吸收、创新了液压爬模法施工桥塔工法，迅速在全国得到推广，并在苏通长江大桥进一步完善。液压爬模系统具有操作简便灵活、爬升安全平稳、速度快、模板定位精度高和爬升过程中无需其他辅助起重设备的优点，但遮蔽条件较差，混凝土浇筑、养护等施工条件一般。在桥塔钢筋施工方面，最普遍的方式是后场单元件加工，现场全人工绑扎成型，属于劳动密集型作业，技术要求低，对异型结构适应性强。总体上来说，混凝土桥塔存在劳动力需求大、作业条件较差、施工品质不高、施工效率较低、智能化程度低等不足。

图1 液压爬模

针对目前混凝土桥塔建造现状，如何提高恶劣建设条件下的桥塔施工品质、效率，减少人员操作、保障人员作业条件和安全，是当前迫切需要解决的课题。

工业化智能建造总体思路

借鉴先进制造业流水线生产思路，将混凝土桥塔建造过程中的大部分作业转移到后场标准车间内进行，并在桥位现场构建移动工厂完成剩余部分组拼作业，从而实现从原材料（钢筋、水泥）到半成品（钢筋部品化、混凝土）再到成品（塔柱）的全工厂化施工。进一步通过钢筋部品自动化生产线、一体化智能筑塔机等核心装备，以及场站级MES、虚拟建造等生产管理及质量控制系统，提高工业化、智能化建造水平。

图2 混凝土桥塔工厂化建造总体思路

工厂化建造

在钢筋施工方面，为缩短现场作业时间、减少高空作业人员、降低安全风险，提出桥塔钢筋部品快速装配化施工工艺。即在钢筋加工厂内，通过钢筋自动化布料及定位、平面及立体弯折、自动绑扎及焊接等技术，全过程机械化完成钢筋网片生产，然后在专用胎架内完成整节段钢筋部品的组拼，再通过塔吊完成吊装与连接，最终实现大型桥塔钢筋装配化施工。

在现场浇筑方面，提出一体化筑塔工艺及装备，按照固定工位类工厂化作业标准，将塔上作业从下至上分为修饰区、养护区、浇筑区和钢筋绑扎区，形成工业流水线。并配置自动布料、振捣、养护等模块以及避险逃生、全空间遮蔽等设施，实现了工厂化建造条件，解决传统现浇结构建造过程中高空作业风险大、施工效率低、质量控制难等问题。

智能化控制

以现浇桥塔最为关注的钢筋保护层厚度、混凝土实体质量及线形姿态为被控对象，通过机器视觉、光纤传感等先进监测手段进行实时感知。以关键工序控制算法为核心的全过程自适应控制系统，对所获取的数据进行自动分析、评估及预警，将形成的指令数据通过场站级 MES系统传递至以智能装备及智能机器人为主体的执行系统，最终实现混凝土桥塔高精度、高效率建造。

钢筋部品化设计施工

依托深中通道伶仃洋大桥、常泰长江大桥等项目，构建了以“部品化设计、自动化生产、装配化安装、智能化控制”为总体理念的钢筋部品工业化智能建造成套技术及装备，改变了塔柱钢筋传统施工模式，实现了用机器最大程度代替人工，提高了桥梁建造品质和效率，降低了施工成本和安全风险。

部品化设计

以伶仃洋大桥为例（图3a），桥塔有内外3层钢筋网片，外2层为闭口多边形钢筋网片，为减少箍筋接头数量、提高网片制造效率，将其沿面中线分割为开口C形钢筋网片，最大周长为27m；内层为8个平面钢筋网片，最大长度为9m。以常泰长江大桥为例（图3b），针对箍筋互锁结构，提出了“部品-块体-片体”渐进的结构拆分形式。

图3 塔柱钢筋部品划分示意图

自动化生产

针对钢筋网片，首创了基于立体弯折成型的钢筋网片柔性制造生产线（图4a），主要由主筋自动布料、箍筋无人上料、一次平面弯折、二次空间立体弯折、三向卡位式自动焊接等机构组成，实现了40mm大直径桥塔钢筋网片立体弯折成型；针对钢筋片体及块体，研制了钢筋片体全自动化生产线及钢筋块体柔性制造智能生产线（图4b），集无人自适应布料、机器视觉寻点焊接、自动转运与码垛功能于一体，实现了片体无人化生产、主筋整体穿插、片体机械化提升、倾斜角度伺服同步调整、机器人空间寻点自动焊接等功能。

图4 钢筋部品自动化生产线

装配化安装

钢筋网片或块体工厂内成型后运输至施工现场的专用胎架内组拼(图5a)。在组拼后的钢筋骨架上焊接吊耳，采用专用吊具将钢筋骨架吊装上塔。吊具与吊耳之间通过花篮螺栓调整吊绳长度，通过调整吊点位置适应钢筋部品重心变化，防止严重偏载，减小吊装变形(图5b)。钢筋部品吊装上塔后，通过喇叭口形落料钢筒引导主筋对位,采用锥套锁紧钢筋接头实现上、下节段钢筋骨架快速有效连接(图5c)。

图5 钢筋部品装配

高精度控制

以保护层厚度、主筋对接偏差、钢筋网眼间距为控制目标，以焊接钢筋部品变形计算理论为基础，通过三维激光扫描等数字化检测手段及调位与定位工装，实现钢筋部品施工全过程高精度控制。

（1）全过程精度控制标准

以控制保护层厚度和安装线形为最终目标，沿钢筋部品制作成型的逆过程逐级分解，依次得到钢筋部品塔顶安装、钢筋部品塔底组拼、钢筋网片弯折、钢筋网片成型、钢筋单元件加工等工序间的控制指标、精度标准及精度传递关系。

图6 各工序控制指标及精度标准

（2）焊接钢筋部品变形计算

钢筋部品整体刚度将直接影响吊装安全及主筋对位连接难易程度。分析焊点的三向转动刚度是求解焊接钢筋部品整体刚度的关键。三向转动刚度分别为横筋在竖筋与横筋所在平面内的转动刚度Rx、竖筋以横筋为旋转轴的转动刚度Ry、横筋以竖筋为旋转轴的转动刚度Rz(图7)。通过模型试验、数值分析及现场测试，确定主筋箍筋焊接刚度推荐值如表1所示。

图7 钢筋部品焊点刚度示意图

（3）钢筋部品数字化检测

针对钢筋单元件，研发了基于深度学习的单件成型钢筋几何尺寸自动检测算法及系统，可实现弯折区域的识别与标记、弯折区域分割、区域内钢筋目标分割、基于连通域的直线检测、弯折角度计算。角度检测误差在0.5°以内，长度检测误差在3mm以内。

图8 钢筋单元件检测

针对钢筋网片/部品，提出了基于三维激光点云的钢筋圆心坐标提取算法和基于图像重建点云的钢筋网片/部品主筋圆心自动检测方法，实现了待拼装钢筋网片/部品主筋坐标的自动化测量。

图9 钢筋网片/部品检测

一体化智能筑塔机

在伶仃洋大桥项目，基于竖向移动工厂的建设理念，首次提出了一种新型一体化智能筑塔设备，该设备集成了混凝土自动布料与振捣、智能养护、自动爬升、钢筋部品调位及实时监控于一体，具有集成化程度高、支点少、承载能力大的特点，可实现桥塔建造工厂化作业条件、改善劳动者的作业环境、减少劳动人员需求及工作强度，并大幅降低安全风险。

一体化智能筑塔机由架体结构、爬升系统、锚固系统、模板系统、布料系统、振捣系统、养护系统、抗风系统、类工厂系统、人性化服务设施和智能化控制系统等组成，如图10所示。筑塔机整体由4组架体组成，高26.7m，沿架体高度方向分别设置作业、养护及修复平台共8层，架体之间通过收分装置适应塔柱复杂截面的变化。

图10 一体化智能筑塔设备

多功能一体化筑塔机采用少支点低位支撑技术，单个塔肢仅需4组爬升机构，每组爬升机构与其相关的架体均可独立爬升；采用大型螺杆式锚锥配合轨道作为架体支撑受力锚固体系，单组锚固竖向承载能力可达1500kN，通过减少支点增大锚固承载力进而减少埋件对混凝土外观质量的影响。此外锚固支点采用低位支撑技术，滞后一个施工节段锚固受力，可有效缩短混凝土等强时间，提升桥塔节段混凝土养护周期及效率。

通过对混凝土拖泵、液压布料杆的智能化升级改造，融合三维激光扫描、设备集群控制技术，建立全断面布料决策算法，开发具备布料点路径规划、混凝土实时方量监测、避障警示等功能的自动布料系统装置。筑塔机架体顶部设置两台回转半径13m的布料机，筑塔机布料平台下设有振捣系统，通过智能化控制系统可实现自动布料及自感知智能振捣，操作便捷高效，降低了作业强度，同时避免了人工操作带来的安全及质量隐患。

图11 自动布料振捣系统

针对钢筋部品快速安装与连接，在塔机内腔支架上设置4个可三向调位的千斤顶，将钢筋部品吊具放置内腔支架，通过千斤顶纵向、横向及旋转调位，实现钢筋部品快速高精度对接。养护系统位于待施工节段的下层，依附于筑塔机平台结构，当外模板脱模从已浇筑提升至待浇筑层时，安装于外模板底部的养护系统同步从已养护层提升至已浇筑层开始养护工作，实现了养护工作的零空窗期。养护系统由闭围护幕布系统和热雾养护系统组成，采用温、湿度可智能调节的热雾养护控制系统，实现施工效率及品质的同步提升。

一体化智能筑塔机还构建了由本地集中监控系统+远程集中监控系统组成的智能信息化系统，实现24小时实时对人员和设备安全进行监测并自动报警，全方位保障索塔施工安全。一体化智能筑塔设备的研发与应用实现了超高桥塔的工厂化建造条件，通过自动化减人、机械化换人，提升了桥塔建造品质、效率和安全。

基于“工厂化生产、装配化施工、智能化控制”总体思路，首次提出将桥塔高空现场施工打造为多功能一体化的竖向移动工厂；研发了钢筋网片、块体柔性制造生产线，形成超高索塔钢筋部品成型关键技术，打破了常规钢筋施工工艺，将塔柱上钢筋施工时间有效缩短至1天；研制了一体化智能筑塔设备，实现了高塔施工工厂化条件，有效保障了在恶劣环境下的混凝土品质及作业安全，提升塔柱施工效率至1.2m/d。该系列新技术目前已在深中通道伶仃洋大桥、龙潭长江大桥、常泰长江大桥、燕矶长江大桥等重大工程项目中得到规模化应用及创新迭代，显著提升了桥塔工业化智能建造水平，为后续工程建设提供了有益借鉴。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2023年 第3期 总第113期

作者 / 张鸿

作者单位 / 中交第二航务工程局有限公司

编辑 / 陈晨

美编 / 赵雯

责编 / 王硕

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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