2018年10月24日，港珠澳大橋正式通車。這座超級工程的建成，不僅標誌著我國橋樑建設水平的重大突破，更在建橋方式上顛覆傳統，將「橋樑建造」變為「橋樑製造」，實現了真正意義上的工業化——「大型化、工廠化、標準化、裝配化」。誠如港珠澳大橋總設計師孟凡超所形容：「港珠澳大橋是世界橋樑建築中的『瑞士表』，實現了龐大的橋樑結構構件精度達到毫米級。」
這，正是工業化建橋的魅力。
然而，與港珠澳大橋這樣的超級工程相比，我國占90%以上的中小橋樑和城市橋樑，由於受種種條件限制，大多數仍採用傳統的建造方式，離真正的工業化建造還有很長一段路要走。
我國橋樑工業化的發展現狀如何？有哪些亟需解決的問題與挑戰？為此，本刊記者採訪了部分業內人士，對這些問題進行了深入探討。
源自歐洲 興於美國
第二次世界大戰後，歐洲的基礎設施重建和經濟發展，為橋樑結構的技術發展提供了機遇。大規模的橋樑建設，催生了橋樑設計和建設新理念的產生，開創出許多經濟高效的自動化橋樑工法，如移動模架法、節段預製拼裝法等。
20世紀50年代，伴隨預應力技術的成熟和發展，標準化設計的預應力混凝土梁橋得到了推廣和應用。1950～1965年間，歐洲各國使用預製節段拼裝技術，修建了300多座此類橋樑。
在20世紀60、70年代歐美的基建大潮中，包括架橋機懸拼、預製頂推等新穎的施工工藝，如雨後春筍般湧現，鋼-混組合梁橋技術也漸漸成熟。進入80年代，體外預應力技術在國外得到了廣泛的應用。在這個時期，預應力混凝土橋樑工業化技術不僅應用到了簡支梁橋，同時也在連續梁、連續剛構、拱橋與斜拉橋中得到廣泛應用。在這波建設浪潮中，包括FIB、PCI、AASHTO等相關機構，對上部結構的預製和拼裝技術做了大量的研究，並形成了相關的技術手冊。美國節段法橋樑協會(American SegmentalBridge Institute—ASBI)於1989年成立。ASBI的成立在業主、設計諮詢、承包商與專項產品分包商之間建立了技術交流的橋樑，並協助美國各州公路和運輸工作者協會(AASHTO)編制了全球第一部節段預製塊橋樑設計規範，從而使這項工業化技術得到了極大的發展。
20世紀80年代後期，橋樑工業化技術傳播至亞太地區，並在泰國曼谷、澳大利亞，紐西蘭、日本，中國香港、澳門等國家和地區的橋樑建設中廣為使用。
半個世紀的摸索前行
中鐵大橋勘測設計院集團有限公司副總經理張強告訴記者，預製節段拼裝技術進入我國的時間較晚。1965年修建的鹽河橋，是我國第一座採用預製拼裝法施工的預應力混凝土剛構橋。
儘管我國預製拼裝技術起步較晚，但一直都在積極地研究與嘗試。20世紀90年代，北京積水潭橋試驗工程的5座橋樑中，墩柱與承台率先採用承插式連接方式，實現了下部結構裝配式施工的試驗性應用。1998年，在科技部攻關項目「山區公路高架橋新結構施工方法」的研究報告中，同濟大學在國內首次提出了一種適合山區高架橋的全預製拼裝橋樑結構方案及架橋設備，其中上部結構採用節段預製拼裝體外預應力混凝土梁，下部結構為預應力鋼絞線和預應力螺紋鋼筋混合的節段預製拼裝預應力墩柱方案。
進入21世紀後，伴隨著東海大橋、杭州灣跨海大橋、蘇通大橋、港珠澳大橋等工程的建設，我國從跨海、跨江橋樑入手，橋樑全預製拼裝技術有了較大發展。由於海上運輸和架設條件的優勢，同時為克服海上現澆混凝土施工和養護的困難，我國發展並優化了上部整孔預製吊裝、節段預製拼裝，下部大節段預製拼裝等預製裝配化技術，相關設計和建造技術已經達到了世界先進水平。
陸域橋樑下部結構的預製裝配化技術的飛躍，始於2014年上海S6公路的建設。其採用了國外方興未艾的波紋管灌漿套筒連接技術，並聯合同濟大學開展了大量基礎性研究。隨後，相關技術在全國鋪天蓋地展開，同時開展了大量的技術創新。例如2017年開工的寧波舟山港主通道，陸域採用了創新性的一體化架設工藝，統一了上下部的施工工法，成為了一種真正的綠色快速施工工法。「目前，伴隨國內公路、鐵路和市政領域基礎建設的開展，上下部的預製裝配化技術有著極為廣闊的前景。」 浙江省交通規劃設計研究院有限公司副總工程師史方華介紹說。
中鐵大橋勘測設計院集團有限公司副總經理 張強
浙江省交通規劃設計研究院有限公司副總工程師 史方華
傳統施工方式的革命
傳統的現場立模、現場鋼筋綁紮、現場混凝土澆築的橋樑建造工藝，已經沿用了上百年，是一種人員密集型、資源粗放型、效率低下的施工方式。橋樑的現場施工需要占用大量的臨時場地，進行鋼筋的加工、模板的存放、混凝土的運輸或拌和等；混凝土的澆築不可避免地會對周邊環境造成不利影響。由於現場作業條件限制，大量工序需要「看天施工」，且施工工人流動性大，整體素質不高。現場各工序基本屬於純人力手工製造，施工效率低下，標準化程度低，施工質量難以保證。
張強表示，預製裝配化施工徹底摒棄了傳統現澆施工的缺陷，優勢非常明顯。「一是把傳統的現場澆築工作換成了車間工作，使現場多工面的施工作業經過統一分解，並集成了工業化的、可以重複優化的製造工序，混凝土節段的質量與穩定得到了保證，安全、質量、耐久、經濟。第二個特點就是速度快，可以將巨大的永久結構合理分塊，現場作業量小，對於大型工程可以多點施工組裝架設，施工速度之快是其他施工工法難以比擬的。第三大特點是施工工法適應性強。預製節段的現場拼裝方法多種多樣，其中比較典型的有簡支單跨架設法、懸臂平衡架設法、推頂架設法、支架架設法、整孔架設法等。對於不同的工點情況，可以靈活處理。其次，對自然與社會環境衝擊小。由於將現場澆築換成了車間工作，現場架設施工基本不受白天、黑夜與天氣條件的限制。運梁、吊梁大多在夜間進行，張拉成梁多在白天實施，這種施工方式大大緩解了現場施工給周邊自然環境（工業塵土、噪聲、廢水、廢氣等）與社會環境（交通堵塞、人力時間資源浪費、破壞城市景觀等）帶來的衝擊。同時，可以做到資源合理重複利用。」
儘管優勢明顯，但該技術的應用在我國還處於起步階段。由於架橋機和啟動資金較大，體外預應力造價偏高等原因，預製拼裝、裝配化施工技術在造價方面的優勢還難以體現。張強認為，只有當橋樑工程的規模越大，用該項技術進行橋樑建設的經濟效益就越高；工程規模越小，經濟效益也越低。隨著技術發展的成熟，在滿足一定建設規模的基礎上，採用裝配化施工方法，可以節約10%～20%的資金。「依據過去幾十年的實踐工作經驗，在歐美等工業發達地區，總長超過1．5 km的橋樑建設工程，短線法節段預製技術所帶來的經濟效益開始體現。在亞洲中等發達地區（如港、澳）以及我國大型都市（如上海、深圳、北京、廣州)地區，經濟工程最小橋樑長度一般應在2.0km左右。而在我國國內中等發達城市（如大多數省會城市），經濟工程最小橋長可能在2.5km左右。」
上海市政工程設計研究總院總裁助理、副總工程師顏海認為，發展新型工業化是國家戰略，具體體現在建築行業，無論是橋樑、道路、軌道交通，工業化的需求都是很大的。「可能具體實施起來，各地區差異比較大。在上海，我們現在規定在環線以內的高架橋，百分之百都要進行預製裝配。當然了，在一些落後地區不能『一刀切』，需要有一個過程。而且預製裝配的工業化核心是標準化設計，標準化設計要上升到國家標準，也需要有一個過程。但是我覺得，它本身是一個趨勢，而且是一個重點。」
顏海認為，儘管過程是漫長的，技術升級也是無止境的，但其過程是甜蜜的。因為老百姓在智慧建造、綠色建造的過程中，會切身感受到環境的效益、工期的效益。每一個腳印，都會有不同的收穫。
上海市政工程設計研究總院總裁助理、副總工程師 顏海
上海市政工程設計研究總院副總工程師 盧永成
諸多難點技術亟需攻關
依託於大量的工程實踐，國內的預製裝配化技術正在飛速發展中。工程師們對品質、技術的追求，社會對質量、耐久和環保的要求是橋樑技術進步的動力之源。
張強認為，目前，橋樑工業化發展面臨幾個重要的難點問題，包括結構連接的新材料研發、專用運架設備的研究、國家級預製基地的建設，以及如何降低工程造價。
「雖然目前預製裝配結構的應用已經比較普遍，但仍存在著一些問題需要攻關。首先，對於上部結構，如何優化和改進傳統的T梁、小箱梁等的設計和施工工藝，加強其縱橫向整體性，簡化其預製和現場施工流程，加強其曲線適應性，是我們努力的一個方向。對於海域橋樑，如何進一步提高接縫的受力性能和耐久性，進一步簡化施工工藝，進一步向大型化、整體化發展，也是一個重要研究課題。此外，對於護欄的預製裝配，目前仍未找到滿意的方法，當前的護欄預製裝配仍存在現場連接繁瑣，線形較差的問題。」史方華向記者介紹了目前發展中存在的困境，「對於下部結構，關鍵問題在於節點，即如何實現各構件之間快速、可靠、耐久的連接。當前經常採用的連接方式有灌漿套筒、預應力連接和濕接縫連接三種方式，但是三種方式都存在一定的缺點：灌漿套筒價格高，安裝精度要求高，且灌漿質量檢測手段不多；預應力連接構造較為複雜，且現場安裝步驟也很繁瑣，鋼絞線連接需要設置齒塊，現場安裝困難；濕接縫連接現場澆築方量大，施工周期長，養護條件差。因此，發展更加快速有效的連接方式還是非常有必要的。」
此外，伴隨著國家經濟實力的增強，人民生活水平的提高，對於綠色施工的呼聲也越來越高。如何改進預製和裝配工藝，使得橋樑施工儘量降低對周邊環境的影響，也是一個亟待解決的課題。特別是對位於山區和自然保護區內的橋樑工程，綠色預製裝配化技術很有必要。
史方華同時指出，對於目前興起的UHPC等新材料，國內目前的應用還僅限於橋面鋪裝、橋面板等構造，這主要是由於其基礎研究，特別是缺少耐久性研究的緣故。由於其性能優越，如果諸多疑難問題得到解決，必將掀起橋樑結構的一場變革。
產業升級 標準先行
上海市政工程設計研究總院副總工程師盧永成認為，橋樑建造要全面實現工業化，標準化非常重要。「通過幾年時間，把一些結構都定型化、標準化，以此來提高效率。只有標準化了，才能實現工業化，如果每個構件標準都不一樣，是不可持續的，就沒有辦法工業化，必須實現工廠流水線作業。」
早在20世紀六七十年代，我國在跨江跨海橋樑上，就開始了預製裝配技術的嘗試，也編制了相關標準。然而，新時期的全預製化裝配理念，從根本上發生了變革，需要新的標準來支撐。「基於工業化、標準化，基於機器製造，還有人工智慧、信息化管理，這些方面需要大量新技術的支撐，不再是原來簡單地把它裝配起來，而是真正實現以人為本，把人從繁重勞力中脫離出來的智慧化建造。這些新的領域，我覺得它的標準規範都是非常缺乏。」顏海說，「為此，同濟大學也設立了『智慧建造』專業，今年是第一年。這也可以說明，新時代的預製裝配，是新時代的需求和發展方向。」
儘管在建造業領域，我國的產業鏈相對完整，從設計理論的研究、設備的開發，到安裝、施工，都有一套相對完整的產業鏈來支撐，這是實現橋樑工業化建造的前提與保障。然而，隨著標準的提高，產業鏈的升級與轉型也迫在眉睫。
「因為工業化的標準是把預製件做成產品級，比如說我覺得現在產品很標準，但新的技術出來，比如機器人、人工智慧的出現，可能又會演化成更新的標準。那麼在逐步演進的過程中，標準的內涵也不一樣。可能原來是1.0到1.5的標準，現在是5.0的標準。都是標準，但水平不一樣，需要整個產業鏈的支撐。比如說一個很先進的設計，但設備製造跟不上也不行，安裝跟不上也不行。包括工人也是一樣，現在1.0版需要他把連接技術質量做好，以後出現了更高級的機器人加工，就要求他把按鈕按好，計算機控制好；再往後出現更高級的，可能就需要他做好整條生產線的質量控制管理。現在的農民工和建築工人，要向產業化工人轉型，這也是適應智慧建造、綠色建造自身轉型的過程和需求。」顏海說道。
目前，我國橋樑預製拼裝技術的推廣主要從大城市開始。面臨的障礙集中在兩個方面：管理和人才。「由於傳統的建造方式是設計、施工、管理三方，常常出現脫節的情況，設計做出來了，就按圖施工，管理也就是監督一下。預製拼裝要提高效率，要求設計、施工、管理一體化考慮。設計要考慮施工，要標準化，這個過程的工作，要相互溝通才能確定下來，協同越來越密切。」盧永成告訴記者，工業化建造後，「製造」成為一個關鍵環節。「以前預製廠跟現場是不協同的，預製廠管預製廠，現場管現場，現在是一個大協同，所有的過程都要有一整套的管理來保證。因為現在的裝配精度和連接要求都比較高，如果缺乏管理，以後肯定要出大事。而我們國家很多地區恰恰缺少這方面的管理人才，包括施工需要的專業團隊。」
工業化作為國家戰略，僅靠一個行業、幾個項目的努力遠遠不夠，需要政府層面的統籌與支持。顏海呼籲，各地政府能夠積極支持相關項目的策劃、標準的建設，引導橋樑行業的轉型。「一項工程建設，政府是核心，下面還有立項的發改委，驗收的質監站。只有在政府的支持下，這個事才做得了，單靠一家是沒辦法做的。政府把整個產業鏈列總起來，進行合理的策劃之後，才能實施。僅僅把一個項目變成了預製結構，從我個人角度來講是沒有意義的，對工業化的升級起不到太大的作用。需要整個產業鏈的升級，建築業的轉型。」
本文刊載 /《橋樑》雜誌 2019年 第3期 總第89期
本刊記者 / 陳晨