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橋梁裝配化的五個破局點

?? 日期:2017-11-17???? 來源:《中國公路》????作者:孟凡超 李貞新????評論:0????
核心提示:  改革開放30 多年來,中國公路橋梁建設取得了舉世矚目的成就,但在鋼橋建設方面與歐美日等發達國家相比,工業化、產業化水平低
   改革開放30 多年來,中國公路橋梁建設取得了舉世矚目的成就,但在鋼橋建設方面與歐美日等發達國家相比,工業化、產業化水平低,差距明顯。筆者提出了以"標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、信息化管理"為特征的裝配化橋梁建設方案,升級中國鋼橋產業化、工業化水平,指出了需要重點解決的五大關鍵技術--體制機制、材料、制造、施工、管養及裝備,以此破局。

  而國內首家裝配化鋼結構橋梁產業技術創新戰略聯盟的成立,將整合資源提升行業的全產業鏈一體化服務能力和高品質鋼橋的供給能力。

  我國鋼橋應用比例尚不足1%

  經過改革開放30 多年的發展,我國公路橋梁建設取得了舉世矚目的成就,為經濟發展和民生改善作出重要貢獻。我國公路橋梁數量和品質均實現了跨越式發展,總數已達77.9 萬座,一批已建成和在建的跨大江大河、跨海灣等橋梁工程令世界矚目,如世界首次采用分體式鋼箱梁最大跨徑的懸索橋--西堠門大橋、世界上最長的跨海大橋--杭州灣大橋乃至世界第一座突破千米跨徑的大跨徑斜拉橋--蘇通大橋,以及正在建造的世界級重大跨海交通集群工程--港珠澳大橋、深中通道等。

  盡管我國橋梁建設取得了長足進步,在世界大跨度懸索橋、斜拉橋、拱橋和梁橋的排行榜上已名列前茅,研發了一大批自主創新成果,積累了豐富的橋梁設計、施工和管養經驗。但由于受經濟社會發展水平和鋼材產能制約, 我國公路鋼結構橋梁主要用于特大跨徑橋梁, 1937 年由我國著名橋梁專家茅以升負責設計并監督施工的錢塘江大橋拉開了我國建大跨度鋼橋的序幕,但應用比例很低,尚不足1%,遠低于法國85%、日本41% 和美國35% 的鋼結構橋梁占比,已嚴重滯后于我國經濟和橋梁建造技術發展水平。

  由于鋼結構具有自重輕、質量高、壽命長、施工快、可塑性、工廠化制造、裝配化施工、可循環利用等優勢,為世界橋梁屆所推崇。也正是基于鋼結構的這些特性,我國交通基礎設施大量采用鋼結構將成為未來發展的必然趨勢。隨著我國鋼鐵產能提高和鋼結構橋梁建設技術的進步,我國已經具備推廣鋼結構橋梁的物質基礎和技術條件。當前,鋼鐵產能過剩、鋼材價格下降,是推進鋼結構橋梁建設、提升公路橋梁建設品質的良好契機,同時也是落實《國務院關于鋼鐵行業化解過剩產能實現脫困發展的意見》(國發〔2016〕6 號)要求,促進鋼鐵行業轉型升級的重要舉措。為此,交通運輸部發布了《關于推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》(交公路發〔2016〕115 號,以下簡稱《指導意見》),開啟了我國鋼橋建設的新時代。

  裝配化的四個技術路徑

  裝配化鋼橋,擺脫了高投入、高消耗、高污染的粗放式建設模式,滿足了節能、環保、快速、安全、耐久、高效、美觀的建設要求, 促進橋梁的轉型升級、提質增效,是實現橋梁產業化的有效路徑。

  我國鋼橋的標準化、工廠化、機械化和產業化水平不高,裝配化率低,已經建造的工程尚缺乏設計和建造理念。正在建設的港珠澳大橋,為了應對和解決港珠澳大橋工程技術、施工安全、環境保護的挑戰,建設高品質、長壽命的跨海大橋,提出了"大型化、工廠化、標準化、裝配化"的創新建設理念,核心是工業化,裝配化率達95% 以上,開啟了我國裝配化橋梁建造的新時代。

  在國家"一帶一路"和"走出去"倡議、擴大內需的政策推動下,我國公路行業將得到迅猛發展,這將為裝配化鋼橋的發展提供更為廣闊的市場空間。為了適應行業發展,推動《指導意見》的有效落地,實現全壽命周期成本最優,中交公路規劃設計院有限公司(以下簡稱中交公規院)聯合國內31 家具有雄厚實力的成員單位,順應社會經濟和產業發展形勢組建了裝配化鋼結構橋梁產業技術創新戰略聯盟(以下簡稱鋼橋聯盟),推動我國鋼結構橋梁"標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、信息化管理",實現"綠色發展、循環發展、低碳發展、高端發展"。

  標準化設計

  標準化設計是保障全產業鏈完整性的關鍵,是實現工廠化預制的前提,能夠有效控制工程質量和建造成本,為構件的系列化、通用化乃至多樣化奠定基礎。

  國內技術水平較高的設計單位已開始了相關研究,部分單位已開展了鋼結構橋梁通用圖的編制,如中交公規院、河北省交通規劃設計院、安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司、甘肅省交通規劃勘察設計院有限責任公司等。河北省院主要編制25 米至40 米跨徑鋼- 混凝土工字組合梁和80 米、120 米、150 米波形鋼腹板PC 組合箱梁通用圖;安徽省院和甘肅省院主要編制中等跨徑鋼- 混凝土工字組合梁通用圖。各省級設計院編制的鋼橋通用圖的理念、質量等尚待實踐驗證。

  中交公規院以堅實的橋梁底蘊系統梳理了裝配化鋼結構橋梁通用圖,完成了《裝配化鋼結構橋梁通用圖編制指導意見》,涵蓋了工字組合梁、箱形組合梁、上跨箱形組合梁、連續鋼箱梁、下承式連續桁架組合梁、下承式連續鋼桁梁、上承式鋼拱橋、中承式鋼拱橋、梁式人行天橋、中承式單肋拱人行天橋等。該系列通用圖已經申報了多項國家專利。

  中交公規院已于今年10 月發布了首批裝配化鋼結構橋梁系列通用圖,包括6 種橋型50 套圖,實現了BIM 參數化建模及出圖。

  工廠化生產

  區域預制廠的建立可將構件制造過程實現"空中的工作放地上,地上的工作請到車間", 從而提高專業化水平和質量管理的可控性,使構件的質量和穩定性得到保障。同時,也可以提高橋梁的耐久性,減少后期維護及運營費用。

  從全生命周期看,鋼結構橋梁的造價和耐久性優勢更為突出。但在當前的體制機制下, 市場更為關注建造成本,這也成為鋼結構橋梁推廣的最大障礙。建立區域預制場不僅有效降低鋼橋建造成本,而且能夠引領當地鋼企轉型升級,帶動地方經濟。

  裝配化施工

  裝配化施工具有施工速度快、勞動生產效率高、對自然和社會環境影響小、優化勞動力結構等優點,能夠有效提升橋梁建設的工業化、產業化水平,核心是高效安裝與高精度控制技術及裝備的研發。

  鋼橋聯盟印發了《首批近、中期科技研發創新任務的通知(鋼橋聯盟〔2017〕009 號)》, 涵蓋了超大直徑鋼管樁及鋼管復合樁、裝配化鋼塔、鋼墩、裝配化墩臺與鋼管樁連接等施工技術研發。

  信息化管理

  通過新一代信息工具BIM 集成橋梁模型的各類相關信息,實現信息參數從橋梁前期規劃設計到施工運維的全壽命周期內進行數據存儲、傳遞和共享,可在提高工程與工作質量、生產效率、節約成本、縮短工期、科學管養和災害應對等方面發揮重要作用。

  BIM 技術具備了可視直觀、動態仿真、智能優化、輔助決策等眾多優點,能夠提升管理的信息化水平。

  裝配化的五個關鍵技術

  對于裝配化鋼橋,應從設計階段開始,統籌考慮鋼結構橋梁標準化設計、工廠化制造、裝配化施工等問題,強化從全產業鏈統籌關鍵技術研發,形成成套技術及裝備。

  高性能高強鋼研發

  橋梁技術的發展都離不開材料,就鋼橋發展來說,應向高強度、易焊接性、耐候性方向發展,保障橋梁的耐久性、安全性,縮短工程周期,降低工程造價、維修費用,取得競爭上的優勢。

  高強鋼是國內外橋梁鋼發展的一個必然方向,美日韓歐等早在2000 年左右就開發了690 兆帕級橋梁鋼,且美國在2003 年就已實現了工程應用。而我國橋梁用鋼板經歷六代發展,最高強度級別Q500qE 已應用于滬通長江大橋, 690兆帕級橋梁鋼已研發完成,但尚無工程應用。

  近年來,鋼鐵行業在提高鋼材抵抗自然環境腐蝕方面做出了大量的努力,耐候鋼就是典型成果之一。耐候鋼生產成本較一般鋼材提高不多,但可以依靠其自身性能抵抗一般環境下的侵蝕,甚至做到免涂裝,大幅降低后期養護成本。美國、日本的鋼結構橋梁已經開始廣泛推廣耐候鋼,截至2014 年年底,美國約有1 萬座免涂裝耐候鋼橋。我國大型鋼企已經研發了橋梁用耐候鋼,最高強度達620 兆帕,已經具備了耐候鋼的生產能力,并開始向國外出口。

  目前,中交公規院聯合鞍鋼股份有限公司、寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司等6 家單位開展《公路橋梁用耐候鋼技術標準》的編制,擬按照屈服強度設計345、420、500、620 兆帕四個強度級別,形成適用的鋼材合金化體系及相應的牌號。

  智能制造技術及裝備研發

  智能制造技術及裝備研發是我國橋梁提升工業化、產業化水平的關鍵,是鋼橋品質的保障。正在建設的港珠澳大橋的鋼結構構件加工基本實現了工業化、自動化制造,包括自動加工、智能焊接及智能拼裝等;采用了數控切割機自動劃線及板單元下料、機器人焊接系統等智能化生產設備。

  目前,鋼橋聯盟聯合上海振華重工(集團) 股份有限公司、中交第一公路工程局有限公司等開展裝配化鋼結構自動化、智能化、高精度制造、焊接、栓接、涂裝、運輸、質量檢測技術及裝備的研發。

  現場高效安裝與高精度控制技術及裝備的研發

  目前,我國橋梁建設的產業化、工業化水平還比較低,智能化施工技術及裝備研發還處在起步階段。現場高效安裝與高精度控制技術及裝備的研發是裝配化鋼橋發揮速度快、施工工法適應性強、對自然與環境影響小、提升工程結構的工業化水平等優勢的關鍵。

  鋼橋聯盟聯合中交第一公路工程局有限公司、中交第二航務工程局有限公司等6 家施工企業開展復雜地形裝配化鋼塔、鋼墩高精度定位、安裝技術及裝備、5000噸級海上裝配化鋼塔、鋼墩高精度定位、安裝技術及裝備等的研發。

  智能化管養技術及裝備的研發

  在中國橋梁的建設過程中,曾走了"重建輕養"的彎路,在保障橋梁的安全性、耐久性和使用功能方面遭遇了挑戰。相對于混凝土橋梁,鋼結構橋梁優勢之一是全壽命周期成本和耐久性,這更需要建立"建養并重"理念,研發智能化管養技術及裝備,提升鋼橋智能化養護能力,保障鋼橋品質。

  鋼橋聯盟聯合中交公規院、中交西安筑路機械有限公司等開展裝配化鋼結構橋梁多功能智能化管養技術及裝備、裝配化鋼結構智能監測檢測技術及裝備、鋼橋面鋪裝自動化橋面除銹車技術及裝備等研發。

  基于"設計使用壽命+ 全壽命周期成本"交通建設評價機制研究

  現行的交通基礎設施建設機制對于推動我國過去30多年交通快速發展做出了重要貢獻, 使我國在較短時間內走過了中低端水平的發展階段。但現有機制具有的"簡單低價競標模式" 和"一般水平重復建設"特性,將難以跨越發展過程中的"中等水平陷阱",已不適應基礎設施建設"綠色發展、循環發展、低碳發展、高端發展"的要求,制約了交通建設與運營管理的發展邁向國際高端,有必要探索和創新交通建設機制。

  鋼橋聯盟將在公路和獨立特大橋的新建、改擴建項目以及特大型跨海通道工程項目建設計劃中,探索并創新"設計使用壽命+ 全壽命周期成本"的交通建設評價機制,以PPP 模式, 推進大型央企集團以"資本+ 技術"為引領的全產業鏈服務方 案解決公路建設、橋梁建設的新機制。

  裝配化鋼橋是橋梁發展方向,為行業提供了"彎道超車"的機遇。"標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、信息化管理"是實現裝配化橋梁的技術路徑,體制機制、材料、加工制造、施工、管養及裝備是升級我國鋼橋產業需要重點解決的五大關鍵技術。

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