回顧我國橋樑的發展歷程可以發現，為滿足工程需求開展的技術創新在不斷推動著橋樑產業向前發展，橋樑產業的發展反過來又對技術創新提出了更高、更新的要求。21世紀以來新一輪科技革命和產業變革正在孕育興起，工業化與信息化、智能化正深度融合，「工業4.0」「中國製造2025」等國內外戰略紛紛明確了智能製造的發展目標，傳統建築業也將迎來深刻變革。為此，面向技術現狀及未來需求，亟待圍繞橋樑智能設計、智能施工及裝備、裝配式結構及高性能材料、智能管養等方面，全面開展橋樑智能建造技術研發與實踐，進一步提高我國橋樑建設水平。
勞動密集型模式制約發展
改革開放40多年以來，我國建成了以蘇通大橋、港珠澳大橋等為代表的一大批技術難度大、科技含量高的特大型橋樑，以及量大面廣的中小跨徑橋樑網絡。在取得偉大成就的同時，我們也清楚認識到自身不足，占比絕大多數的混凝土橋樑施工仍以勞動密集型的現澆工藝為主，橋樑建造技術工業化程度還很低，傳統的建造方式越來越不能適應新時代中國經濟發展，突出體現在以下幾個方面——
1.勞動力需求大：混凝土橋樑鋼筋綁紮、模板安裝及現場澆築需耗費大量的勞動力，這與我國當前建築工人日益短缺的現狀矛盾突出。相關數據顯示，自2012年起，我國16至59周歲的勞動力人口在數量和比重上連續出現雙降，7年間減少了2600餘萬人，建築工地現場50歲以上工人占50%以上。可以預見，勞動力將成為行業發展的制約因素。
2.施工條件較差：大量施工措施及設備作業條件差，現場施工易受環境影響，施工部位人員密集，施工安全風險不斷高攀，這與以人為本的發展理念格格不入。
3.質量控制不易:現場施工鋼筋及構件定位、混凝土布料和振搗等關鍵工序受人工素質影響大,易出現混凝土結構存在養護不夠、易開裂、外觀質量不佳等問題,這與「高質量發展」相背離。
4.環境友好性差：現場施工作業產生大量的噪音、粉塵，同時對既有交通造成影響，無法滿足「美麗中國」的建設要求。
5.信息化程度低：常規橋樑施工過程數據監測採集效率低下、實時信息難以獲取，關鍵設備的運行狀態數據只能由現場操作人員查看，或根據經驗判斷，施工管理者無法遠程監管、實時決策及傳達指令等。
為此，如何提高複雜建設條件下的橋樑建造品質及效率，最大程度減少勞動力投入，降低施工成本，降低施工安全風險是當前需要解決的重大課題，當前橋樑建造方式亟待轉型升級，改變落後現狀。
智能造橋應運而生
進入21世紀以來，新一代信息通信技術、新材料技術、「網際網路+」技術、智能製造技術、人工智慧技術等現代科技快速發展，也對各行各業轉型升級、提高質量、改善服務、增進安全、保護環境等產生重大影響。《中國製造2025》在2015年正式發布，該規劃是中國成為製造強國的第一個十年行動綱領，其重點任務有「推進信息化、智能化與工業化深度融合」，而這也正是智能建造的核心所在。同年，交通運輸部印發了《交通運輸部關於印發<交通運輸重大技術方向和技術政策>的通知》（交科技發[2015]163號），將「橋樑智能製造技術」列為交通運輸十項重大技術方向和技術政策之一。
當前，我國橋樑建設正由傳統的建造方式，向工業化、數字化建造變革，未來還將融入先進智能製造技術，向智能建造方向發展。智能建造簡單地說就是通過自動化減人、機械化換人，逐步把人從繁重的體力勞動和腦力勞動中解放出來，並充分利用大數據、物聯網、智能傳感、人工智慧等新技術，實現工程深化設計及優化，工廠化加工，精密測控，智能化安裝，動態監控，信息化，系統化管理，達到提質增效、拓展工程價值鏈的目的。綠色化、工業化、信息化、智能化是智能建造最顯著的特徵，智能建造高度契合了高質量發展模式的要求，也是解決傳統建造不足的有效手段，成為了傳統建築業轉型升級的發展趨勢。
橋樑智能建造技術新進展
以下主要從適應於預製裝配的新型橋樑結構、基於一體化的智能工程裝備、輕質高強材料、面向智能建造的數字化控制技術等四個方面，介紹一些橋樑智能建造領域的技術新進展。
適應於預製裝配的新型橋樑結構
主梁裝配化方面，2004年中交二航局在蘇通大橋首次大規模採用短線匹配法節段預製拼裝箱梁技術。該技術是一種將整孔箱梁設計成若干個標準節段，在預製工廠利用循環使用的模板系統逐榀匹配、流水預製，再由運輸工具運至橋位，由架橋機或吊機進行現場組拼成橋的先進技術。經過十多年研發與工程應用實踐，目前已形成了節段梁預製工廠標準化生產線及預製拼裝成套技術，開發了幾何線形控制方法及專用軟體、研發了機電液一體化系列架橋機。同時，針對混凝土節段自重大、接縫抗剪性能差等缺點，提出將短線匹配法節段預製與波形鋼腹板組合梁相結合，開發了新一代節段預製拼裝技術，建立了節段預製拼裝波形鋼腹板組合梁設計方法，形成了相應的預製安裝成套技術，拓展了短線匹配法節段預製技術的應用範圍。相關成果應用於崇啟大橋、港珠澳大橋、南沙大橋、南京長江五橋等多個具有重大影響力的項目，有力地推進了我國裝配式橋樑結構的發展。在形成完備技術鏈條的同時，也取得了良好的經濟與社會效益。以南京四橋引橋為例，採用裝配化技術取代傳統現澆後，勞動力投入大幅節省53%，工期從38個月縮短至19個月，水電油等資源消耗也得以顯著減少（圖1）。
圖1 節段預製拼裝橋樑顯著的經濟社會效益
在橋面板裝配化方面，將「膠接縫」連接技術應用於大跨鋼混組合梁斜拉橋。傳統組合梁斜拉橋施工時，預製橋面板間通常在現場通過現澆濕接縫進行連接，現場澆築量大，質量控制難度大，且工序多，養護時間長，工效低。為解決傳統現澆濕接縫的缺陷，在泉州灣跨海公路大橋的建設中，引入節段梁中的膠接縫連接技術，不僅保證了接縫施工質量，而且將現場安裝工效提高了40%。此外，還將高強、高韌性、高耐久的超高性能混凝土（UHPC）材料應用於橋面板結構，研發了結構輕、強度高的新型UHPC高性能混凝土預製橋面板，解決了鋼橋面板疲勞開裂及鋪裝易損的問題，並開發了專用智能生產線，實現了橋面板結構的規模化生產（圖2）。在鋼橋面板方面，研發了U肋內焊正交異性鋼橋面板以及自動焊接成套技術，相較於傳統的單面焊，其抗疲勞性能提高兩倍以上（圖3）。成果應用於南京長江五橋、沌口長江大橋等項目，將顯著提升大跨橋樑橋面結構使用壽命。
圖2 南京五橋UHPC面板智能生產線
圖3 沌口長江大橋U肋內焊正交異性鋼橋面板
在大跨徑橋樑索塔結構方面，提出了下塔柱採用鋼-混凝土組合結構、中上塔柱採用鋼筋混凝土結構的新型組合橋塔，與混凝土塔柱相比，鋼-混組合結構塔柱承載力和延性提高15%以上，解決了傳統混凝土下塔柱截面大、配筋密、延性差的問題。在南京長江五橋的建設中，成功解決了鋼殼混凝土索塔節段匹配安裝、精確定位、焊接變形控制、索塔整體線形控制等一系列關鍵技術難題，完善了大跨橋樑新型索塔結構的建造技術。
在橋樑預製基礎方面，針對外海珊瑚礁、城市等不同建設條件，提出了預製UHPC管樁、超大直徑預製-灌注組合基礎等多種高性能預製基礎結構形式，並提出了免振沖施沉、管柱基礎內支撐式掘進等相應的基礎施工工藝，為複雜水文地質條件的外海環境及高人口密度城市地區的基礎施工，提供了裝配化解決方案，必將有力地支持「一帶一路」工程建設以及城市基礎設施建造技術升級。
基於一體化的智能工程裝備
更為複雜的橋樑建設環境，對施工工藝、專用裝備智能化程度等多方面提出了更高要求。近年來，二航局在傳統裝備基礎上通過改進、創新，形成了覆蓋橋樑建造、維修、拆除全壽命周期的全套智能化新型裝備。
結合橋樑裝配化發展方向，自主開發了集合機械行走、液壓驅動、施工控制、監視報警功能於一體的智能化步履式頂推裝備，先後攻克了等截面箱梁頂推、梁拱組合橋樑頂推、變高截面箱梁頂推、鋼桁梁橋頂推、曲線橋樑頂推等關鍵技術難題，核心專利獲得中國專利金獎。設備成功應用於九堡大橋、北盤江大橋、沌口長江大橋等項目中，實現了鐵路、公路、城市樞紐等大型橋樑無障礙跨越的智能化施工。在此基礎上進一步拓展步履式頂推技術的應用，持續探索新型建造技術，創新性地將步履式頂推技術應用到海上沉樁平台上，研發了集沉樁、鑽孔、平台移位、調位及快速定位功能於一體的樁頂支撐步履式沉樁平台，實現了中長周期波浪、無覆蓋層複雜地質條件下打入樁和嵌岩樁的全天候高效施工，極大助力了以色列Ashdod港、巴基斯坦胡布CPHGC煤碼頭等海上複雜環境項目的建設（圖4）。
圖4 一體智能化步履式頂推裝備在主梁及樁基施工中的應用
在梁式橋建造技術方面，為提升傳統掛籃現澆施工技術的智能化程度，自主研發了集機械、液壓以及電氣自動化技術於一體的智能化掛籃系統，實現掛籃動作智能同步與遠程監控，並形成對掛籃受力、位移等參數的實時跟蹤，在烏江大橋、楓樹壩大橋等項目的應用中，成功將掛籃單次循環工期縮短10小時、施工人員減少50%。針對中小跨徑裝配式橋樑，還自主研發了能同步安裝預製墩柱及主梁的一體化架橋機，進一步發揮了裝配橋樑施工快速、環境交通干擾小的優勢，促進了裝配式橋樑在高度城市化地區的應用。此外，在常規一體化架橋機的基礎上進行優化改進，研發了帶打樁模塊的斜拉懸臂式一體化架橋機，可實現全預製裝配式橋樑的一體化安裝。
在超高混凝土橋塔建造方面，二航局基於工業化生產及移動工廠的理念，對傳統的液壓爬模裝備進行改進，研發了多功能一體化築塔專用設備，大大改善了傳統工藝施工效率較低、勞動力需求大且安全風險高的問題，多功能一體化築塔機在深中通道項目建設中的應用，顯著提升了工程品質。
隨著我國橋樑面臨的荷載日趨加重，環境條件也逐漸嚴峻，大量舊橋危橋面臨著維修、加固、拆除的問題。在斜拉橋檢修及加固方面，提出了不中斷交通條件下斜拉索更換施工成套技術，研發了動態車載作用下斜拉橋狀態識別技術和斜拉索檢測機器人，實現了拉索高精度、自動化檢測。在橋樑移位方面，構建了3000噸級超重彎坡梁段快速移除設計、施工、安全控制技術體系，並研發了智能監測系統以及132軸高同步性SPMT並車裝備，實現了橋樑的快速、綠色移除（圖5）。
圖5 3000噸級超重彎坡梁段快速移除裝備
輕質高強材料
橋樑向大跨度、輕型化、智能化發展，必須對傳統的建築材料進行革命性突破。目前，超高性能混凝土、高性能灌漿料、適於3D列印的高流動性混凝土、智能自修復混凝土、形狀記憶合金（SMA）等，作為橋樑工程領域具有巨大應用前景的新型結構材料，已成為該領域的研究和應用熱點。
近年來，二航局研製了滿足不同結構部位性能需求的輕質高強UHPC材料，攻克了UHPC製備、施工、養護等質量控制關鍵技術，制定了完整的UHPC系列化產品開發計劃，編制了多部行業規範，相繼開發出UHPC棧橋面板、UHPC輕型組合橋面鋪裝、UHPC索塔結合段等，並先後在福廈高鐵、中馬友誼大橋、襄陽龐公大橋等項目中得到了成功應用（圖6）。
圖6 UHPC工程應用
在高性能灌漿料方面，開發了初始流動度320mm、28d抗壓強度120MPa高強高韌性纖維灌漿料，解決了傳統灌漿材料早期強度低、疲勞性能差、乾燥收縮大、韌性低等難題，並成功應用於預製構件、組合結構連接中，提升了裝配式橋樑結構的連接性能及裝配工效。
面向智能建造的數字化控制技術
在鋼桁橋製造安裝控制方面，建立了從製造幾何數據快速精確採集、快速三維數據建模，到預拼裝誤差統計分析的虛擬預拼裝平台，並通過實例分析建立預拼裝評判標準，指導現場製造。在滬通長江大橋天生港專用航道橋的建設中，相比於工廠預拼裝，虛擬預拼裝的成本降低了90%、時間減少70%，大大提升了裝配式橋樑、尤其是鋼桁橋的安裝精度與效率。
在轉體施工控制技術方面，研發了大跨多肋柔性拱豎轉、萬噸級平轉技術及控制系統，形成了轉體施工控制方法和控制指標體系，控制系統成功應用於鄭萬鐵路水平轉體、滬通長江大橋天生港專用航道橋的豎向轉體施工，實現了轉體過程自動協調智能同步控制，以及轉體全過程幾何與受力狀態自動跟蹤與調控。
圖7 三拱肋豎向轉體實時監控系統介面
為了將自動化監測拓展至橋樑全壽命周期，該項目提出並建立了基於幾何控制法的橋樑全壽命安全監控系統。該系統實現了施工與運營養護的無縫對接，貫穿了結構構件製作、安裝、使用、拆除全過程控制，全面把握橋樑結構真實狀態，為橋樑全壽命周期的安全評估和養護決策提供了科學依據。此外，二航局積極探索項目管理方式創新，在國內首次將GIS+BIM技術應用於橋樑、隧道、水工項目的建造中，建立了集進度、質量、風控等管控於一體的信息化管理平台，支撐了企業智慧管理水平的提升。
圖8 橋樑全壽命安全監控系統
搶抓重要戰略機遇期
智能建造是建立在高度信息化、工業化和社會化基礎上的一種信息融合、全面物聯、協同運作、激勵創新的工程建造模式，也是建造技術的高級形態，需要經歷長期的發展過程。從國內外的一些研究成果以及應用案例來看，目前我國橋樑行業正處於工業化建造尚未完全鋪開、數字化建造剛剛起步的階段，離實現智能建造有較大距離，需要花大力氣開展橋樑智能建造技術研究，找差距、補短板，儘快迎頭趕上。針對未來我國橋樑智能建造技術的發展，提出以下幾點思考與建議——
1.構建架構完善的技術體系：目前的橋樑智能化建造技術研究及應用實踐非常零散，需打造從基礎層、支撐平台、關鍵技術、產品及應用的5個層次技術體系。
2.加強核心領域的技術攻關：還需繼續對涉及智能建造的橋樑設計、裝配式結構、高性能材料、施工與裝備、傳感與監控、運營管理等開展深入研究，推進全產業鏈的智能化發展。
3.提升核心技術的統籌能力：大數據、物聯網等都是以計算機專業為主導的新興技術，如何統籌這些技術在橋樑建造中的應用成為關鍵。
4.打造專業齊全的研發團隊：目前我國在工程技術、工程管理方面的人才隊伍較為齊備，但智能建造相關領域人才仍嚴重缺乏，亟需建立智能建造技術研發團隊和人才梯隊，培養一定數量既懂工程技術，又具有數字化思維的復合型人才。
圖9 智能建造技術體系架構
未來5～10年是橋樑創新發展及轉型升級的重要機遇期，每一個橋樑人都重任在肩，需緊緊圍繞智能建造這個主題開展技術攻關、示範及應用，以更好地支撐國家重大發展戰略、保障橋樑安全長壽，早日實現橋樑強國夢。
本文刊載 /《橋隧產業資訊》雜誌 2019年 10月刊 總第38期
作者 / 張永濤
作者單位 / 中交第二航務工程局有限公司