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桥梁装配化的五个破局点

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-11-17  来源:《中国公路》  作者:孟凡超 李贞新
核心提示:  改革开放30 多年来,中国公路桥梁建设取得了举世瞩目的成就,但在钢桥建设方面与欧美日等发达国家相比,工业化、产业化水平低
   改革开放30 多年来,中国公路桥梁建设取得了举世瞩目的成就,但在钢桥建设方面与欧美日等发达国家相比,工业化、产业化水平低,差距明显。笔者提出了以"标准化设计、工厂化生产、装配化施工、信息化管理"为特征的装配化桥梁建设方案,升级中国钢桥产业化、工业化水平,指出了需要重点解决的五大关键技术--体制机制、材料、制造、施工、管养及装备,以此破局。

  而国内首家装配化钢结构桥梁产业技术创新战略联盟的成立,将整合资源提升行业的全产业链一体化服务能力和高品质钢桥的供给能力。

  我国钢桥应用比例尚不足1%

  经过改革开放30 多年的发展,我国公路桥梁建设取得了举世瞩目的成就,为经济发展和民生改善作出重要贡献。我国公路桥梁数量和品质均实现了跨越式发展,总数已达77.9 万座,一批已建成和在建的跨大江大河、跨海湾等桥梁工程令世界瞩目,如世界首次采用分体式钢箱梁最大跨径的悬索桥--西堠门大桥、世界上最长的跨海大桥--杭州湾大桥乃至世界第一座突破千米跨径的大跨径斜拉桥--苏通大桥,以及正在建造的世界级重大跨海交通集群工程--港珠澳大桥、深中通道等。

  尽管我国桥梁建设取得了长足进步,在世界大跨度悬索桥、斜拉桥、拱桥和梁桥的排行榜上已名列前茅,研发了一大批自主创新成果,积累了丰富的桥梁设计、施工和管养经验。但由于受经济社会发展水平和钢材产能制约, 我国公路钢结构桥梁主要用于特大跨径桥梁, 1937 年由我国著名桥梁专家茅以升负责设计并监督施工的钱塘江大桥拉开了我国建大跨度钢桥的序幕,但应用比例很低,尚不足1%,远低于法国85%、日本41% 和美国35% 的钢结构桥梁占比,已严重滞后于我国经济和桥梁建造技术发展水平。

  由于钢结构具有自重轻、质量高、寿命长、施工快、可塑性、工厂化制造、装配化施工、可循环利用等优势,为世界桥梁届所推崇。也正是基于钢结构的这些特性,我国交通基础设施大量采用钢结构将成为未来发展的必然趋势。随着我国钢铁产能提高和钢结构桥梁建设技术的进步,我国已经具备推广钢结构桥梁的物质基础和技术条件。当前,钢铁产能过剩、钢材价格下降,是推进钢结构桥梁建设、提升公路桥梁建设品质的良好契机,同时也是落实《国务院关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》(国发〔2016〕6 号)要求,促进钢铁行业转型升级的重要举措。为此,交通运输部发布了《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》(交公路发〔2016〕115 号,以下简称《指导意见》),开启了我国钢桥建设的新时代。

  装配化的四个技术路径

  装配化钢桥,摆脱了高投入、高消耗、高污染的粗放式建设模式,满足了节能、环保、快速、安全、耐久、高效、美观的建设要求, 促进桥梁的转型升级、提质增效,是实现桥梁产业化的有效路径。

  我国钢桥的标准化、工厂化、机械化和产业化水平不高,装配化率低,已经建造的工程尚缺乏设计和建造理念。正在建设的港珠澳大桥,为了应对和解决港珠澳大桥工程技术、施工安全、环境保护的挑战,建设高品质、长寿命的跨海大桥,提出了"大型化、工厂化、标准化、装配化"的创新建设理念,核心是工业化,装配化率达95% 以上,开启了我国装配化桥梁建造的新时代。

  在国家"一带一路"和"走出去"倡议、扩大内需的政策推动下,我国公路行业将得到迅猛发展,这将为装配化钢桥的发展提供更为广阔的市场空间。为了适应行业发展,推动《指导意见》的有效落地,实现全寿命周期成本最优,中交公路规划设计院有限公司(以下简称中交公规院)联合国内31 家具有雄厚实力的成员单位,顺应社会经济和产业发展形势组建了装配化钢结构桥梁产业技术创新战略联盟(以下简称钢桥联盟),推动我国钢结构桥梁"标准化设计、工厂化生产、装配化施工、信息化管理",实现"绿色发展、循环发展、低碳发展、高端发展"。

  标准化设计

  标准化设计是保障全产业链完整性的关键,是实现工厂化预制的前提,能够有效控制工程质量和建造成本,为构件的系列化、通用化乃至多样化奠定基础。

  国内技术水平较高的设计单位已开始了相关研究,部分单位已开展了钢结构桥梁通用图的编制,如中交公规院、河北省交通规划设计院、安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司、甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司等。河北省院主要编制25 米至40 米跨径钢- 混凝土工字组合梁和80 米、120 米、150 米波形钢腹板PC 组合箱梁通用图;安徽省院和甘肃省院主要编制中等跨径钢- 混凝土工字组合梁通用图。各省级设计院编制的钢桥通用图的理念、质量等尚待实践验证。

  中交公规院以坚实的桥梁底蕴系统梳理了装配化钢结构桥梁通用图,完成了《装配化钢结构桥梁通用图编制指导意见》,涵盖了工字组合梁、箱形组合梁、上跨箱形组合梁、连续钢箱梁、下承式连续桁架组合梁、下承式连续钢桁梁、上承式钢拱桥、中承式钢拱桥、梁式人行天桥、中承式单肋拱人行天桥等。该系列通用图已经申报了多项国家专利。

  中交公规院已于今年10 月发布了首批装配化钢结构桥梁系列通用图,包括6 种桥型50 套图,实现了BIM 参数化建模及出图。

  工厂化生产

  区域预制厂的建立可将构件制造过程实现"空中的工作放地上,地上的工作请到车间", 从而提高专业化水平和质量管理的可控性,使构件的质量和稳定性得到保障。同时,也可以提高桥梁的耐久性,减少后期维护及运营费用。

  从全生命周期看,钢结构桥梁的造价和耐久性优势更为突出。但在当前的体制机制下, 市场更为关注建造成本,这也成为钢结构桥梁推广的最大障碍。建立区域预制场不仅有效降低钢桥建造成本,而且能够引领当地钢企转型升级,带动地方经济。

  装配化施工

  装配化施工具有施工速度快、劳动生产效率高、对自然和社会环境影响小、优化劳动力结构等优点,能够有效提升桥梁建设的工业化、产业化水平,核心是高效安装与高精度控制技术及装备的研发。

  钢桥联盟印发了《首批近、中期科技研发创新任务的通知(钢桥联盟〔2017〕009 号)》, 涵盖了超大直径钢管桩及钢管复合桩、装配化钢塔、钢墩、装配化墩台与钢管桩连接等施工技术研发。

  信息化管理

  通过新一代信息工具BIM 集成桥梁模型的各类相关信息,实现信息参数从桥梁前期规划设计到施工运维的全寿命周期内进行数据存储、传递和共享,可在提高工程与工作质量、生产效率、节约成本、缩短工期、科学管养和灾害应对等方面发挥重要作用。

  BIM 技术具备了可视直观、动态仿真、智能优化、辅助决策等众多优点,能够提升管理的信息化水平。

  装配化的五个关键技术

  对于装配化钢桥,应从设计阶段开始,统筹考虑钢结构桥梁标准化设计、工厂化制造、装配化施工等问题,强化从全产业链统筹关键技术研发,形成成套技术及装备。

  高性能高强钢研发

  桥梁技术的发展都离不开材料,就钢桥发展来说,应向高强度、易焊接性、耐候性方向发展,保障桥梁的耐久性、安全性,缩短工程周期,降低工程造价、维修费用,取得竞争上的优势。

  高强钢是国内外桥梁钢发展的一个必然方向,美日韩欧等早在2000 年左右就开发了690 兆帕级桥梁钢,且美国在2003 年就已实现了工程应用。而我国桥梁用钢板经历六代发展,最高强度级别Q500qE 已应用于沪通长江大桥, 690兆帕级桥梁钢已研发完成,但尚无工程应用。

  近年来,钢铁行业在提高钢材抵抗自然环境腐蚀方面做出了大量的努力,耐候钢就是典型成果之一。耐候钢生产成本较一般钢材提高不多,但可以依靠其自身性能抵抗一般环境下的侵蚀,甚至做到免涂装,大幅降低后期养护成本。美国、日本的钢结构桥梁已经开始广泛推广耐候钢,截至2014 年年底,美国约有1 万座免涂装耐候钢桥。我国大型钢企已经研发了桥梁用耐候钢,最高强度达620 兆帕,已经具备了耐候钢的生产能力,并开始向国外出口。

  目前,中交公规院联合鞍钢股份有限公司、宝钢股份武汉钢铁有限公司等6 家单位开展《公路桥梁用耐候钢技术标准》的编制,拟按照屈服强度设计345、420、500、620 兆帕四个强度级别,形成适用的钢材合金化体系及相应的牌号。

  智能制造技术及装备研发

  智能制造技术及装备研发是我国桥梁提升工业化、产业化水平的关键,是钢桥品质的保障。正在建设的港珠澳大桥的钢结构构件加工基本实现了工业化、自动化制造,包括自动加工、智能焊接及智能拼装等;采用了数控切割机自动划线及板单元下料、机器人焊接系统等智能化生产设备。

  目前,钢桥联盟联合上海振华重工(集团) 股份有限公司、中交第一公路工程局有限公司等开展装配化钢结构自动化、智能化、高精度制造、焊接、栓接、涂装、运输、质量检测技术及装备的研发。

  现场高效安装与高精度控制技术及装备的研发

  目前,我国桥梁建设的产业化、工业化水平还比较低,智能化施工技术及装备研发还处在起步阶段。现场高效安装与高精度控制技术及装备的研发是装配化钢桥发挥速度快、施工工法适应性强、对自然与环境影响小、提升工程结构的工业化水平等优势的关键。

  钢桥联盟联合中交第一公路工程局有限公司、中交第二航务工程局有限公司等6 家施工企业开展复杂地形装配化钢塔、钢墩高精度定位、安装技术及装备、5000吨级海上装配化钢塔、钢墩高精度定位、安装技术及装备等的研发。

  智能化管养技术及装备的研发

  在中国桥梁的建设过程中,曾走了"重建轻养"的弯路,在保障桥梁的安全性、耐久性和使用功能方面遭遇了挑战。相对于混凝土桥梁,钢结构桥梁优势之一是全寿命周期成本和耐久性,这更需要建立"建养并重"理念,研发智能化管养技术及装备,提升钢桥智能化养护能力,保障钢桥品质。

  钢桥联盟联合中交公规院、中交西安筑路机械有限公司等开展装配化钢结构桥梁多功能智能化管养技术及装备、装配化钢结构智能监测检测技术及装备、钢桥面铺装自动化桥面除锈车技术及装备等研发。

  基于"设计使用寿命+ 全寿命周期成本"交通建设评价机制研究

  现行的交通基础设施建设机制对于推动我国过去30多年交通快速发展做出了重要贡献, 使我国在较短时间内走过了中低端水平的发展阶段。但现有机制具有的"简单低价竞标模式" 和"一般水平重复建设"特性,将难以跨越发展过程中的"中等水平陷阱",已不适应基础设施建设"绿色发展、循环发展、低碳发展、高端发展"的要求,制约了交通建设与运营管理的发展迈向国际高端,有必要探索和创新交通建设机制。

  钢桥联盟将在公路和独立特大桥的新建、改扩建项目以及特大型跨海通道工程项目建设计划中,探索并创新"设计使用寿命+ 全寿命周期成本"的交通建设评价机制,以PPP 模式, 推进大型央企集团以"资本+ 技术"为引领的全产业链服务方 案解决公路建设、桥梁建设的新机制。

  装配化钢桥是桥梁发展方向,为行业提供了"弯道超车"的机遇。"标准化设计、工厂化生产、装配化施工、信息化管理"是实现装配化桥梁的技术路径,体制机制、材料、加工制造、施工、管养及装备是升级我国钢桥产业需要重点解决的五大关键技术。

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