四、智能建造技术
京张高铁建设过程中创造性发展了基于BIM的协同化设计、数字化制造和智能化施工等技术,建成了基于BIM+GIS的工程管理平台,实现了建设数据的自动采集和信息互联,支撑参建各方协同管理和决策优化。
(一)基于BIM的多专业协同设计平台
京张智能高铁设计是一项庞大复杂的系统性工程,参与专业多,协调难度大,需要设计团队内部多专业间密切配合。目前铁路各专业设计过程及最终设计成果均采用二维图纸,存在设计意图表达与理解不明确、专业间沟通不顺畅等问题。
BIM技术具有数字化、可视化、多维化、协同性、模拟性等特点,可贯穿设计、施工、运营维护整个铁路生命周期,为此面向京张高铁构建了基于BIM的多专业协同设计平台,开展了京张高铁全线BIM设计和三站三隧的精细化设计,自主开发了测绘、线路、桥梁、隧道、路基、接触网、信号等多个专业BIM协同设计软件,提高了设计效率,优化了设计模式。利用BIM模型对设计方案进行有效优化、在复杂节点设计中进行多专业可视化协同,突破了传统平面图纸表达的局限性。攻克了地图投影变换、数据格式融合转换、数据源组织管理、显示策略定制等多项技术难题,实现了铁路各专业BIM模型的快速参数化设计、工程量计算、专业间装配、设计成果集成管理和信息无损传递等,如图4(a)所示。
图4 京张高铁智能建造。(a)基于BIM的协同设计平台;(b)官厅水库特大桥同步顶推;(c)基于BIM的新八达岭隧道智能施工;(d)清河站智能施工。
(二)面向数字化制造的智能双块式轨枕场
利用物联网、自动化、图像智能识别等技术实现了全工序自动化、智能化。集成制造全过程的生产数据,建成了基于工业机器人和大数据的智能双块式轨枕生产线,车间作业人员减少50%。采用了面向工业互联网的生产管理信息系统,支撑轨枕场全要素的在线集中管理,数据统计效率提高20%。研发了基于激光测量、机器视觉深度学习等的双块式轨枕智能检测技术,检测精度提高5倍,检测效率提升15倍。实现了双块式轨枕的数字化制造。
(三)路基、桥梁、隧道、客站等基础设施的智能化施工
1. 路基智能填筑新技术
针对常规路基压实质量检测中存在的事后抽样检测时效性和完整性不足,创造性发展了基于北斗定位的无人驾驶碾压、路径自动规划、薄弱区域自动补压等技术,实现了填料运输自动管控、填料质量自动识别、路基压实质量实时检测。实施了推土机、摊铺机、挖掘机等自动引导、协同作业和机群协同,形成全覆盖式振动压实连续检测。与传统路基建造工艺相比,路基填筑质量、压实程度和均匀性得到提升,检测效率和路基质量显著提高。
2. 官厅水库特大桥同步顶推技术
官厅水库特大桥全长9.08 km,主桥采用8孔110 m跨简支曲弦钢桁梁,是京张高铁重点控制性工程之一。大桥处于官厅水库水源保护区,为最大限度保护水体,提出了钢梁岸上拼装、顶推就位的施工方法。研制基于焊接机器人的龙门式自动焊接系统,实现了多条加劲肋同步焊接,并采用智能控制多点同步顶推及自动监测技术,突破了多孔大跨钢桁梁的顶推施工,确保钢梁顶推精确安全到位。采用该技术后提升了施工效率,提高了焊接和施工质量,如图4(c)所示。
3. 基于BIM的新八达岭隧道(八达岭长城站)智能施工
京张高铁八达岭隧道全长12 km,内设八达岭长城站,是目前世界上规模最大、埋深最深、洞群结构最复杂的地下叠层暗挖洞群高铁车站。通过构建基于BIM的模型,实现叠层进出站通道、环形救援廊道和并行双洞立体多分支斜井等设计优化和施工工艺可视化交底,缩短了各工序的衔接时间,现场施工效率提升20%以上。基于BIM模型,融合物联网、大数据技术开展对临近建(构)筑物危险性的实时预测预报,支撑盾构施工全过程智能化、可视化动态监控与管理,有效降低了施工的影响。研发了基于高速激光扫描的隧道断面质量管理系统,完成隧道超欠挖、净空及空洞方量的自动高精度检测。
4. 客站智能施工和精细化管理
针对大型客站建设,利用BIM发展了对客站装饰装修、钢结构、机电管线和客服机房等建筑结构进行三维深化设计和绿色设计的技术。建立起基于BIM+IoT的客站施工管理系统,实现施工原材料追溯、深基坑监测、高支模监测、检验批、塔吊防碰撞、钢结构焊缝等三维可视化管控。研制了基于BIM的施组优化仿真系统,支撑现场施工精细化管理和安全质量管控,如图4(d)所示。采用智能化施工技术,非传统水源利用率达到22.14%,可再循环建筑材料用量比达到15.30%。
(四)基于BIM+GIS的高铁工程管理平台
京张高铁建设具有投资大、周期长、技术复杂、接口多、管理分散、协调关系复杂等特点,传统管理手段难以适应京张高铁建设高质量、高效率、高速度的需求。为了顺利完成建设目标,采用信息化、智能化手段将传统的线下管理模式转变为线上管理,以标准化管理为抓手、BIM+GIS技术为核心、工程建设项目为载体,研发了高速铁路工程管理平台。平台分为三大板块(综合管理、过程控制、现场管理)、四个维度(空间维度、数据维度、管理维度、应用维度)、六大应用(综合管理、进度管理、材料管理、质量管理、安全管理、投资控制)。攻克了BIM+GIS多源数据融合技术和模型轻量化技术,实现了构件级三维形象进度、质量、安全综合管控,提高了工程建设数据多角度、多维度、多尺度综合分析与管理能力。
平台应用以来,铁路工程建设质量与安全事件、事故显著减少,示范效应突出,社会经济效益显著。
五、智能装备技术
(一)智能动车组系统
智能动车组系统集成了智能复合传感器、车地信息实时传输、大数据挖掘与分析、自动化控制、信息智能处理、故障预测与健康管理等技术,实现了智能化感知、诊断与决策[图5(a)]。京张智能动车组作为复兴号中国标准动车组成员之一,分为标准配置、奥运配置两款车型。标准配置是在“复兴号”动车组基础上增加了智能模块和适应京张线路特点的相关功能,奥运配置是在标准配置上再增加奥运模块。