交互融合 汇聚智造新动能——山区桥梁智能建造技术创新与实践

我国山区和高原面积占国土面积的59%，该区域地质、地貌复杂，桥梁建设面临诸多难题。为应对挑战，笔者及所在团队围绕设计-制造-施工一体的创新模式，开展山区桥梁智能建造研究，构建了标准化工业化设计、施工装备研发等4大研发体系，取得了显著成果，研发了装配式拱桥缆索吊装系统、智能集成建塔装备等。基于桥梁智能建造，目前正开展斜拉桥钢壳混凝土组合桥塔、等截面宽马蹄等截面混凝土T梁等相关研究，并配套开展桥梁附属设施研究及智能建造基地建设，提高了工程质量、施工效率和安全性。通过技术创新和实践应用，为山区交通基础设施建设提供了有力支撑，也推动了我国桥梁建设技术的不断进步和创新发展。

我国是一个多山的国家，地形为典型的三级阶梯分布，一、二级阶梯以山地为主，占国土面积的59%。随着经济建设的发展，交通基础设施进一步向山区延伸，部分山区高速桥隧高达90%。山区桥梁建设面临着诸多挑战，地形复杂，气候多变，生态脆弱等因素，给桥梁建设带来了极大的挑战。一方面，需要跨越峡谷、高山等复杂地形，克服冰雪、雨雾等恶劣气候条件；另一方面，还要面对地震、滑坡等自然灾害的威胁，保护脆弱的生态环境。

随着当下科技不断发展，智能建造正以其独特的优势逐步改变传统的建筑施工模式，为桥梁产业发展带来前所未有的战略机遇。我国平原、沿海地区已开展了一些装配化、工业化、智能化桥梁建设技术研究，但多依赖大型预制场与高载荷吊装设备,值得注意的是上述智能建造方案很难适应山区桥梁的建设条。如何在复杂山区建设出既经济又环保的新型桥梁，是所有建设者共同面临的重大挑战。

实现山区桥梁的智能建造可以从以下几个方面入手，一是考虑适于山区的桥梁结构设计，适应山区小半径曲线线路，让结构轻型化、工厂化、模块化、装配化、无模化；二是考虑山区制造运输条件，钢构件与混凝土构件推进机械化、少人化、工厂化制造，结构分块并控制构件尺寸与质量，以实现山区公路高效运输；三是考虑山区桥梁架设方案，研发相应自动化程度高的架设装备，进而减少施工人员、提升施工效率，实现高精度、高质量安装；四是考虑数字化、智能化技术赋能，通过研发数字化管理系统，实现科学谋划、智慧管理。

目前，我国交通基础建设领域正快速在向绿色低碳、自动化、装配化、智能化建造的方向发展，然而传统的结构设计往往不会充分考虑自动化制造和现场智能化架设的需求，结构设计体系和基础建设组织形式已经无法适应智能建造的快速发展，以往在桥梁建设过程中设计单位与施工单位没有高效的沟通渠道，同时也缺乏交互融合的动力。尤其是对于山区复杂环境，桥梁建设难度大，上述问题更为凸显。

鉴于山区桥梁建设面临的诸多复杂状况，想要高质量的发展山区桥梁智能建造，必须要将基础设施建设与工业化、数字化和智能化技术充分融合，重塑工艺或业务流程，打通设计—生产—施工之间的壁垒，提高工程效率和总体效益，降低工程成本。实践证明，通过构建设计—生产—施工新型一体化创新模式，可有效突破传统建设组织模型的桎梏，为山区中小跨径桥梁标准化、智能化建造提供了巨大动能。

从2018年开始，四川路桥系统展开山区桥梁智能建造研究，形成了标准化工业化设计、施工装备研发、施工工艺工法研究、施工信息化管理系统4大体系，涵盖16个研究方向。围绕设计-制造-施工深度融合的创新模式，依托实际工程，形成了大量技术成果，下面将结合具体工程实例对已应用和正在开发的代表性技术进行简要介绍。

1.大跨度拱桥

传统山区拱桥施工过程中，扣塔杆件之间通常采用焊接连接，现场工效低、材料损耗大、发生火灾的风险高，为解决上述问题，围绕拱桥施工措施的装配化、预制化，研发了全装配式扣塔、装配式索鞍和装配化锚碇，形成了成套拱桥装配化施工技术。此外，还研发了一种新型装配式拱桥缆索吊装系统，确定了合理的吊装方案、参数和工艺流程，有效提高施工效率和安全性。上述技术有力保障了沿江高速大河坝特大桥及镇广高速白马渠江特大桥的顺利建设。

图1 沿江高速大河坝特大桥

水落河特大桥为一座上承式钢筋混凝土悬臂浇筑拱桥，主跨335m，为目前世界最大跨径公路悬浇拱桥。该桥位于乌蒙山区深处，地质、地貌复杂，施工便道最大平均坡率达18%，针对以上问题，通过开展结构设计、加工一体化研究，构建场地整体数字化模型，对施工便道、拱座开挖平台、缆索吊装系统、拼装场布置进行科学规划，从根本上解决了场地受限问题。此外，还研发了一种特大桥爬拱外模支撑用自行走挂篮系统，有效保障了方量大、高标号钢纤维混凝土的浇筑质量。 

创新提出了多跨变高连续钢桁梁加高桩钢管混凝土格构墩的桥梁体系,桥梁主要构件均实现了预制装配化施工。该技术已在峨汉高速兰家湾大桥应用,该桥全长1330m,仅设一联,联长长度时为国内之最；桥位处水位落差为60m，桩基孔深达132m,位居全省之首。该桥以其轻盈的结构与优雅的造型成为了工程与自然美景和谐共生的典范。

图2 峨汉高速兰家湾大桥

2.断裂带大跨度悬索桥

黑水河特大桥是我国第一座跨越活动断裂带的悬索桥，桥址区地震基本烈度为Ⅷ度，整体位于大型全新世活动断裂则木河断裂带上，是极少数同时受到跨断层及近断层效应影响的桥梁之一，区域地质条件错综复杂，构造运动频繁剧烈，设计上考虑未来百年的最大位错量为水平向1.99m±0.22m，垂直向1.03m±0.10m，地壳缩短量0.60m±0.06m。桥梁设计过程中，采用柔性结构中央扣、减隔震支座及黏滞阻尼器，提升桥梁抗震性能。此外，为了提高桥梁抗断裂带滑移能力，还采用了可调节式主索鞍设计，并预留了锚固系统拉杆长度，用于震后主缆线形调节。其中，攀枝花岸采用隧道式锚碇，隧道锚底板与水平面的夹角为55.5°（目前是世界倾角最大的隧道锚）。

图3 沿江高速黑水河特大桥

西香高速理塘河大桥为缆跨696m的无塔悬索桥，主桥采用钢桁梁，该桥主索鞍与散索鞍合并设置，采用复合索鞍结构形式，主缆在索鞍处经散索后分散锚固，不设置桥塔，两岸锚碇均采用隧道锚形式。已确立V形峡谷库区无塔悬索桥缆索吊装系统关键技术，小断面、缓坡隧道锚出渣，主缆自动入锚施工关键技术，无塔悬索桥猫道系统施工关键技术等相关研究课题。

图4 西香高速理塘河特大桥

3.大跨度斜拉桥

湖北枝江百里洲长江大桥，研发了适用于大倾角“A型”索塔的智能集成建塔装备。该装备具备全封闭一体式架体、混凝土造雾养生、液压自动脱合模等功能与自动化爬升系统，通过位移传感器精确控制平台位置保证架体平台的平稳提升，同时解决大倾角“A型”索塔施工安全性低、自动化及智慧化水平低、混凝土养生质量差等问题，提高整体施工效率和建造品质。

图5 湖北枝江百里洲长江大桥

联合中交公规院、四川省交通院等单位开展了预制装配式大跨度斜拉桥的研究。在钢-混凝土组合结构桥梁结构、材料、工艺等方面开展了多项创新试验，开发出一种组合结构，使钢壳与混凝土协同受力,并且钢壳还充当混凝土模板，钢筋在钢厂内与钢壳集成，节省大量塔上高空作业时间。应用BIM正向设计，从设计、生产、现场拼装均源于同一个BIM模型,已初步实现智能建造。主梁预制桥面板采用全“干接”CA-RPC预制混凝土桥面板，通过钢结构连接键实现板与板、板与钢梁全栓接，无现浇混凝土湿接缝,即“干接”,为全国首例，主梁架设工期从9个月缩减到5个月。

图6 钢壳混凝土组合桥塔及CA-RPC预制混凝土桥面板与钢梁栓接

山区高速桥隧比普遍偏高，甚至达到90%。在桥梁和隧道中，桥梁占比约为30%；在桥梁中，常规桥梁占比达70%，因此山区中小跨度桥梁成为了突破重点。

1.山区智慧梁厂建设

山区智慧梁厂研究，围绕桥梁绿色低碳智能建造，以提高智慧梁厂自动化水平、提质增效为导向，在控制成本的前提下，通过优化混凝土预制梁结构设计，融合信息技术、自动化控制和机械制造等多专业多学科先进技术，实现了预制梁“场”到“厂”的转化和自动化流水生产，最终形成了钢筋笼自动生产绑扎、一键开合高精度数字模板、混凝土无人拌和、空轨鱼雷罐智能运输浇筑、智能张拉压浆和信息化全周期生产管理等一系列行业领先的技术成果，使预制梁生产自动化率达80%，施工人员减少60%，生产效率翻倍。“智慧梁厂”2.0同样经交通运输部认定，是全国公路施工板块唯一的“自动化作业技术交通运输行业研发中心”建造基地的重要组成部分，开创了预制梁全过程自动化生产线和全系统智能化管理的先河，形成了“创新智造+数据赋能+工匠品质”的制造高地新格局。

图7 沿江高速智慧梁厂

技术成果已成功运用在沿江高速、成乐扩容高速、久马高速和古金高速等6座智慧梁厂，其中沿江智慧梁厂总生产规模约5000片，久马智慧梁厂总生产规模约5000片，古金智慧梁厂总生产规模约1800片，6座智慧梁厂总产值为32.36亿元，取得经济效益1.68亿元，大幅提升了施工效率、缩短了工期，提升了产品品质，并改善了施工人员的作业环境。

2.等截面混凝土预制T梁

针对常规T梁腹板、翼板钢筋类型多，存在变截面段，钢筋绑扎效率低、工作量大；模板形式复杂，不便调节翼板角度；底部马蹄宽度较小，运输过程稳定性差等痛点，创新研发混凝土等截面工字梁，结构可简化钢筋种类，钢筋种类由172种简化为53种，优化模板构造，采用大直径钢绞线提升张拉效率，创新采用一字横隔板，相对满布横隔板，可实现梁板湿接缝贯通浇筑及翼板无极调整横坡。

图8 等截面宽马蹄后张预应力T梁

3.山区快速拼装钢混组合结构体系

针对40～80m跨径范围的桥梁，研发山区新型装配式钢-混组合梁桥，主体结构采用箱型截面，桥面板采用高韧性混凝土预制桥面板，板厚仅为18cm，可实现施工现场全拼装，该结构构造简单，结构轻盈，便于施工安装，曲线、超高适应性强，主体与附属结构均实现高装配化。上部结构质量减少50%以上，桥墩尺寸减小，双主梁形式取消了传统盖梁，节约材料又提高抗震性能。常规架桥机经简单改造后，便可完成钢梁与桥面板的架设。

图9 高韧性混凝土预制桥面板箱型钢混组合梁

开展新型高耐久钢-橡胶组合支座研究，该支座充分发挥钢与橡胶的特点，竖向荷载主要由钢材承受，将高阻尼橡胶支座的竖向承载力从5000kN扩大为30000kN，支座本身具有一定限位防落梁功能，采用模块化、无焊接、无胶结设计，实现易更换、易维护的效果，提升抗震能力的同时，大幅提升支座寿命。

同时，开展了相关伸缩缝研究，提出装配式桥梁伸缩缝，采用预埋件、预制件、紧固件连接的全装配式结构，取消伸缩缝现浇混凝土的工序，节约混凝土养护时间，通过使用密封胶达到伸缩缝安装后4～10h通车。研究超浅埋160型伸缩缝，产品高度仅10cm，可简化梁体种类，提高生产效率。

建设了混凝土桥面板工业化制造基地——蜀道建科，是一家集研发、设计、生产、销售、服务于一体的“土木工程新材料+装配式建筑部品部件+环保材料+混凝土技术”专业化公司，位于成都东部新区，占地817亩。目前桥面板的生产流水线已经搭建完成，根据生产基地、产能、布局可按需灵活调整，材料进厂后搅拌、钢筋网加工、绑扎、入模、浇筑、摊平、振捣、覆膜、养护等工序全自动流水作业，提升生产效率，尺寸精度控制到毫米级。根据运输条件对桥面板分块尺寸进行针对性划分，配送范围可达600km。

建设了钢结构加工基地——四川省钢构智造有限公司，该基地由蜀道集团打造，是西部第一的现代化钢结构加工厂，占地690亩，设计产能16万t/年，生产车间20万m2，基地研发引进，钢板预处理线、长距离激光切割技术、激光复合焊、焊接机器人、数字化拼装等多项先进技术，为后续钢结构、钢混组合结构发展提供有力保障。

图10 四川省钢构智造有限公司

一是研发新型材料，进行材料革新：研发应用高强度、轻质、耐腐蚀的环保型新材料，推广使用可再生和可回收的材料，实现资源的有效利用和减少对环境的负面影响。

二是绿色环保、绿色能源集成：桥梁设计中融入生态环保理念，考虑桥梁对周边环境的影响，实现与环境的和谐共生。桥梁建设中集成太阳能光伏板、风能发电装置等可再生能源系统，为桥梁提供绿色能源。

三是发展智能化设计与建造，进行数字化转型：利用BIM和数字化技术进行桥梁的智能化设计，引入机器人技术、3D打印技术等先进的施工手段，实现桥梁建造的自动化、精准化、高效化。

四是长寿命与可持续维护：建立桥梁的全生命周期管理，实现桥梁从规划、设计、施工到运营维护等各个阶段的信息化、数据化管理，实现桥梁的可持续维护。