钢结构桥梁全产业链的数字化重塑

来源: 马立芬等 桥梁杂志

钢结构桥梁全产业链的数字化重塑-BIMBANK

数字已成为每个人生活中离不开的东西,随着互联网的快速发展,数字对人们的影响也越来越显著。每个人每天都在产生和消费大量的数据,这些数字也在无形中潜移默化地影响和改变着人们的生活与思考方式。

随着焊接技术的不断发展,焊接设备也由手工焊接、半自动焊接、自动焊接,发展为数字焊接设备,使得钢桥制造的焊接实现数字化。借助港珠澳大桥、沪通长江大桥、虎门二桥等大型桥梁工程的建设,钢桥制造在三维设计、数字化装备、生产管理系统应用等方面都有了进一步提升。这些数字化设计、工艺、装备和管理的改变,都为钢桥数字化制造的发展奠定了坚实的基础,数字也在不断地改变和推动着钢桥制造的发展。

数字化设计——制造的策划者

随着BIM技术在钢桥项目中的应用,钢桥设计已逐步从传统的二维CAD设计转向三维数字化设计。比较有代表性的钢桥三维设计软件分别有Catia、Tekla、Revit和Bentley等。设计思维的转变是助推数字化设计的原动力。传统设计思路是将设计师的三维设计信息,通过二维图纸及表格的方式展示。使用者必须具有很好的空间想象能力,才能完整地还原产品的设计信息,从而在生产过程中给予重点控制,达到设计目的。产品制造过程中的信息传递,是通过非数字的载体,在3D和2D反复切换中实现的。信息传递和转化的难度较大,信息丢失和理解错误经常发生,为生产和管理带来较大的困难。

由于钢桥建造的分工不同,钢桥的设计单位不是钢桥的生产者,无法在设计阶段将三维制造信息与三维设计信息进行高度集成,为此需要分两步实现钢桥的数字化设计。第一阶段由设计院完成三维设计、三维分析和仿真验证,在计算机中对钢桥的整体设计进行充分的模拟和验证。第二阶段由制造单位完成三维制造信息与三维设计信息的高度集成,在计算机中能够对钢桥的制造过程进行工艺设计、生产模拟、虚拟制造仿真和排产优化等验证工作。

钢桥三维模型是数字化制造的数据之源,需要借助二次开发的工具,将必要的生产制造信息进行扩展、集成和共享等操作,以满足后续专业系统软件或数控设备的需要。根据焊接工艺,将焊缝的设计信息、施工信息和检测信息,在模型中扩展、通过专用开发工具将信息导出后,用于后续焊缝生产及管理。

在数据源管理方面,通过模型信息管理工具将产品的结构树转化为生产用的MBOM,是数字化设计将产品数据传递到生产环节的重要步骤。根据不同的场景需要,将数据做分类处理和模型的轻量化处理,以实现生产应用和可视化展示。图1是模型信息管理工具。

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图1 模型信息管理工具

数字化工艺——制造的组织者

数字化设计将产品进行了数字化,通过数字能够在结构设计、特征、属性上进行全面表达。同时,基于三维制造信息的高度集成,必要的制造信息也能通过数字和模型进行表达。若让分类好的设计信息和制造信息,有秩序、有规则地流转于数字化设备和数字化制造的生产控制中心,这就需要数字化工艺来实现。数字化工艺不同于传统工艺,需要通过模型(产品数字模型和生产资源数字模型)的数据,按照工艺规则自动规划生成,包含3D工艺规划、3D工艺仿真和3D文档输出。

在数字化工艺方面,主要是利用数据之源的数字模型进行工艺规划、工艺仿真和工艺验证及优化。传统的钢桥制造工艺中,零件的下料需要经过如下过程完成:二维图纸->零件图->余量放样(二维图样修改)->排版->数控下料。该流程的信息传递是以二维图纸来承载的,数据修改和提取均需要人工处理,对结构变化的响应较慢。数字化工艺流程需要如下过程完成:3D模型->零件数据->余量添加(程序化3D数据修改)->排版->数控下料。这种流程传递的信息是3D零件数据;数据是结构化的,修改和提取均可实现程序化处理;数据随着模型结构变化而自动修改,是一个数字驱动型的数字化工艺流程。

在焊接应用方面,通过BIM信息模型能够导出带有焊缝信息的三维模型。通过离线编程软件可以对产品进行焊接路径规划设计,从而应用于产品的数字化焊接流水线,实现数字化自动焊接的生产组织模式。焊接机器人使用三维模型离线编程,能够对焊接工艺进行仿真模拟,验证工艺的正确性和经济性。同时建立焊接专家数据库,为后续人工智能应用提升和优化焊接工艺奠定基础。

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图2 离线编程焊接应用

数字化加工与装配——制造的执行者

BIM数据模型的数字化信息,需要通过有效途径,直接或间接传递到数控设备或机器人设备上,以实现模型数据对数字化设备的驱动作用。对于零件切割,基于工艺余量系统的应用,能够实现从模型数据到数控切割设备的无缝衔接,所有数据的传递通道都在专业系统内部实现,最终通过管理系统按照计划推送切割指令驱动生产。图3是三维加工一体化操作流程。

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图3 三维加工一体化操作流程

数字化检验与测量,是数字化制造过程中不可缺少的重要组成部分。通过三维测量数据与三维设计模型进行数据比对,能够找出产品尺寸的偏差因素。通过大量数据分析,可以找出制造原因,优化和改进工艺,促进工艺不断完善。在保证单件产品尺寸精度满足公差要求的前提下,通过虚拟预拼装模拟仿真产品,在架设状态下的接口匹配关系,可以验证产品间接口的公差是否满足安装要求,并通过数据分析给出最优调整方案。数字化模拟拼装的方式,既节约场地,又减少大型起重机械和转运设备的投入,缩短工期,减少人力成本,是必然的发展趋势。

传统制造过程中,对产品的工艺验证大多采用实体模型的方式。在数字化制造的模式下,可以将数字化产品置于一个数字化的工厂中,通过数字化的测量数据进行虚拟装配模拟,验证实际产品间的装配偏差,从而验证工艺的合理性和可行性。这种方式对制造工艺的验证成本较低、验证周期较短,可随着产品结构的变化做快速的验证,验证结构可以通过对比进行局部优化,使制造工艺、车间布局、资源配置趋于最佳。

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图4 实体与虚拟装配对比图

数字化控制——制造的协调者

随着机床和加工设备的不断发展,钢桥制造装备的自动化和数字化程度越来越高。目前预处理生产线、切割生产线、板单元生产线、冲砂和涂装生产线等,都有专门的数字化设备可以配备,为实现数字化的控制和现场加工数据反馈到生产管理平台,提供了必要的硬件保障。在数控下料生产线,所有数控设备均配备打码装置,自动将零件号码信息移植到零件上,通过下料管理系统实现数控下料信息的实时监控。自动化型钢流水线所有输送、翻转工序均采用液压控制,点焊及焊接均采用自动焊机,高效快捷,误差小,成形质量高。板单元焊接专机均配备智能焊接机器人,焊接程序通过离线编程代码控制,焊接过程中设备数据通过车间网络,实时反馈到生产管理系统中,通过系统实时对产品进度计划及设备资源进行合理调配,最大程度发挥设备的生产能力,保证产品计划进度。

数字化制造过程中,对制造信息的收集和反馈,也是数字化制造过程中的重要部分。数字化收集方式主要有:1.现场手机端扫描反馈,通过专用APP在特定工位扫描上传产品制造加工状态及相关信息。这种方式,信息反馈及时,需要人工干预。2.加装RFID设备,通过智能感应芯片实现自动采集和反馈。这种方式,信息反馈及时,无需人工干预,但需要设备升级改造。3.数字化设备接入车间网络,通过设备控制系统自动反馈,实现全面的自动收集和反馈。这也是实现真正数字化制造。该方式需要对车间进行工业网络的搭建和数字化设备的升级及接入网络。同时,为实现数据的低延迟性,可以考虑5G网络的应用。

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图5 板单元焊接机器人专机

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图6 型钢流水线与涂装机器人

数字化管理——制造的指挥者

数字化制造过程中必不可少的就是数字化管理。在整个生产过程中,每时每刻都在进行大量数据的生产、传递、分析和处理。数字化管理平台是整个产品制造过程的数据管理中心,整个数字化制造过程和业务处理的指挥中心,承担着各类数据的连接、收集、过滤和共享的功能。数字化管理平台的数据来源有多方面,包括生产设备数据、生产人员数据、生产环境数据、业务系统数据、BIM模型数据等。数字化制造是智能制造的初级阶段,也是实现智能制造必经的阶段。为此,基于智能制造的最终实现,设计如图7所示的智能制造管理系统规划,集BIM技术、物联网、云计算、大数据与人工智能等技术于一身,力图实现钢桥制造的数字化、信息化、可视化和智能化融合的现代化制造模式。目前已开发完毕基于BIM技术的制造加工管理系统,实现设计、物资、工艺、质量在同一平台,利用同一模型、同一数据源组织和管理生产的数字化制造模式。

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图7 智能制造管理系统总体规划

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图8 制造加工管理系统

数字能力决定未来

钢桥数字化制造较航空、航天、汽车和船舶制造起步较晚,技术体系和应用实践经验较少。如何在局部实现数字化制造的前提下,通过行业协会的推动,实现设计、制造、施工和运维的全产业链数字化建造模式的转型,进而提升整个钢桥建设行业的数字化建造水平,是每一个钢桥建设者的最终愿景。未来,在数字化制造技术的发展方面,需要继续在如何设计数据、用好数据、收集数据、管理数据、分析数据和挖掘数据等方面,做相关的研究。所有业务的开展都离不开数据,要实现真正的数字化制造模式,需要从企业的组织架构和管理模式上进行数字化转型,以适应数字化管理的需要。在信息化时代背景下,企业是数据的创造者、使用者,也是最大的受益者。未来,企业之间的竞争将主要集中在数据资源的整合能力上。

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