近年來(lái)，我國(guó)核電項(xiàng)目進(jìn)展順利，僅2018年就捷報(bào)連連：EPR全球首堆廣東臺(tái)山核電1號(hào)機(jī)組首次并網(wǎng)發(fā)電成功；AP1000全球首堆浙江三門核電1號(hào)機(jī)組首次并網(wǎng)成功；華龍一號(hào)穹頂?shù)跹b成功；中俄簽署迄今最大核能合作項(xiàng)目。2019年10月16日，漳州核電1號(hào)機(jī)組開工，標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)自主三代核電技術(shù)華龍一號(hào)正式進(jìn)入批量化建設(shè)時(shí)代。隨著我國(guó)在核電技術(shù)方面取得重大突破和核電標(biāo)準(zhǔn)化體系的日益完善，將不斷推動(dòng)我國(guó)自主核電品牌建設(shè)和國(guó)際合作邁上新的臺(tái)階。

在核電施工中，需要使用大量的鋼筋，某些堆型單機(jī)組鋼筋使用量高達(dá)6萬(wàn)噸，由此可見(jiàn)，鋼筋深化設(shè)計(jì)和加工是核電建設(shè)的重要環(huán)節(jié)之一，將直接影響核電工程的質(zhì)量和安全。為此，中國(guó)核工業(yè)二四建設(shè)有限公司在核電工程建設(shè)過(guò)程中，配備了先進(jìn)的鋼筋加工設(shè)備，包括鋼筋聯(lián)動(dòng)剪切線、數(shù)控彎箍機(jī)和數(shù)控彎曲機(jī)，有效地提高了鋼筋的加工精度和生產(chǎn)效率。

目前，各大建筑企業(yè)利用BIM技術(shù)形成了多項(xiàng)鋼筋深化設(shè)計(jì)的成果，但將BIM技術(shù)應(yīng)用于鋼筋自動(dòng)化加工的成果較少，主要是因?yàn)锽IM軟件與鋼筋加工設(shè)備間存在數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題。尤其是在核電工程中，雖然鋼筋加工設(shè)備較為先進(jìn)，但仍需要人工手動(dòng)錄入鋼筋信息到設(shè)備中才能完成鋼筋加工。該方式人工成本較高、效率低，存在一定的人為失誤因素?；诖?，利用BIM技術(shù)開展鋼筋自動(dòng)化加工研究，具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1.技術(shù)路線

本研究技術(shù)路線（圖1）主要是：在核電工程中利用BIM技術(shù)進(jìn)行鋼筋深化設(shè)計(jì)后，通過(guò)二次開發(fā)，將模型通過(guò)專用格式與核電多項(xiàng)目管理系統(tǒng)ENPower集成，在系統(tǒng)中將鋼筋數(shù)據(jù)自動(dòng)處理轉(zhuǎn)換成PDF417二維條碼，并自動(dòng)生成鋼筋加工計(jì)劃和配料單，然后利用鋼筋加工設(shè)備配套的掃碼器掃描配料單上的二維條碼，由此將鋼筋加工數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備中，從而完成鋼筋的自動(dòng)加工。

圖1 技術(shù)路線圖

2.BIM與鋼筋加工設(shè)備的數(shù)據(jù)交互

交互方式

利用BIM技術(shù)進(jìn)行鋼筋深化設(shè)計(jì)得到的是含有詳細(xì)數(shù)據(jù)信息的幾何形狀，如何讓鋼筋加工設(shè)備讀取鋼筋的BIM幾何形狀信息并正確加工，是本研究的重點(diǎn)所在。通過(guò)查閱國(guó)外鋼筋加工設(shè)備技術(shù)手冊(cè)，最終選定BVBS碼作為鋼筋幾何形狀信息的數(shù)據(jù)載體。鋼筋加工設(shè)備只需讀取鋼筋對(duì)應(yīng)的BVBS碼，便可以解析二維鋼筋形狀和三維鋼筋形狀數(shù)據(jù)。

BVBS碼分解

一個(gè)完整的BVBS碼用來(lái)表示一根或多根同類型的待加工鋼筋，可分為形狀類型、頭部數(shù)據(jù)塊（標(biāo)識(shí)符H）、幾何數(shù)據(jù)塊（標(biāo)識(shí)符G）、校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊（標(biāo)識(shí)符C）、換行符（標(biāo)識(shí)符CRLF）四部分。其中，頭部數(shù)據(jù)塊和幾何數(shù)據(jù)塊的鋼筋信息可以從BIM模型中讀取。

表1 頭部數(shù)據(jù)塊字母標(biāo)識(shí)解析表

形狀類型

形狀類型主要用來(lái)描述待加工鋼筋的形狀是二維形狀還是三維形狀，其中，二維形狀用“BF2D”表示，三維形狀用“BF3D”表示。在“BF2D@”或“BF3D@”后，緊跟其他數(shù)據(jù)塊。

頭部數(shù)據(jù)塊

頭部數(shù)據(jù)塊（表1）包含鋼筋的工程編號(hào)、圖號(hào)、索引、條目、長(zhǎng)度（mm）、數(shù)量（根）、重量（kg）、直徑（mm）、等級(jí)、彎曲直徑（mm）、設(shè)計(jì)人（可為空）等信息，每條信息以“字母標(biāo)識(shí)+數(shù)據(jù)+@”的方式來(lái)表達(dá)。

幾何數(shù)據(jù)塊

幾何數(shù)據(jù)塊（表2）包含鋼筋的段長(zhǎng)（mm）、彎曲半徑（mm）、彎折角度（度）、XYZ軸坐標(biāo)（僅三維鋼筋形狀即異平面鋼筋使用）等信息，每條信息也以“字母標(biāo)識(shí)+數(shù)據(jù)+@”的方式進(jìn)行表達(dá)。

表2 幾何數(shù)據(jù)塊字母標(biāo)識(shí)解析表

校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊

校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊用來(lái)對(duì)前兩個(gè)數(shù)據(jù)塊字符的ASCII值進(jìn)行校驗(yàn)。

校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的數(shù)值計(jì)算方式為：對(duì)校驗(yàn)數(shù)據(jù)值前端所有字符的ASCII值求和Sum，然后對(duì)“Sum/32”求余，用96減去余數(shù)即可得到校驗(yàn)數(shù)據(jù)值。

算法如下：

注：IP為校驗(yàn)數(shù)據(jù)值；n為校驗(yàn)數(shù)據(jù)值前所有字符的數(shù)量；Ci為字符的ASCII值[1]。

換行符

圖2 鋼筋形狀示例圖

圖3 BVBS碼詳細(xì)分解示意圖

圖4 PDF417條碼結(jié)構(gòu)圖

圖5 鋼筋的PDF417碼示例圖

換行符“CRLF”表示一條完整的鋼筋幾何形狀信息表達(dá)結(jié)束。這里的換行符在被機(jī)器識(shí)別時(shí)，并不會(huì)顯示字符“CRLF”，僅是一個(gè)換行命令。

一條完整BVBS碼示例

例如，某工程名稱Test、圖號(hào)123、索引a、設(shè)計(jì)人CF，鋼筋料表中第m個(gè)條目有10根直徑12mm、等級(jí)HPB300、彎曲直徑48mm的鋼筋(圖2 )。

那么，這批待加工鋼筋的BVBS碼分解如下：

形狀類型：BF2D@

頭部數(shù)據(jù)塊：HjTest@r123@ia@pm@l1000@n10@e0.888 @d12@gHPB300@s48@vCF@

幾何數(shù)據(jù)塊：Gl400@w90@l600@w0@

校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊：C78@

換行符：CRLF

完整的BVBS碼如下：BF2D@HjTest@r123@ia@pm@l1000@n10@e0.888@d12@gHPB300@s48@vCF@Gl400@w90@l600@w0@C78@CRLF

注：字符串“BF2D@Hj...w0@C”共計(jì)79個(gè)字符的ASCII值之和為5618，故96-MOD（5618,32）=78。

本條BVBS碼詳細(xì)分解，如圖3所示。

3.PDF417二維條碼

PDF417二維條碼是一種堆疊式二維條碼，1991年由美國(guó)SYMBOL公司發(fā)明，PDF（Portable Data File）的意思是“便攜數(shù)據(jù)文件”。組成條碼的每一個(gè)條碼字符由4個(gè)條和4個(gè)空，共17個(gè)模塊構(gòu)成，故稱為PDF417條碼。圖4給出了PDF417條碼結(jié)構(gòu)圖[2]。PDF417條碼最大的優(yōu)勢(shì)在于其龐大的數(shù)據(jù)容量和極強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，即使條形碼污損50%也能被正確讀出。PDF417二維條碼是實(shí)現(xiàn)證件及卡片等大容量、高可靠性信息自動(dòng)存儲(chǔ)、攜帶并可用機(jī)器自動(dòng)識(shí)讀的理想手段之一。

因此，PDF417碼能夠完全滿足作為鋼筋幾何信息載體的條件，將BVBS碼轉(zhuǎn)化為PDF417碼便可將數(shù)據(jù)掃描讀取到鋼筋加工設(shè)備。上文中示例鋼筋的PDF417碼（圖5），用專用掃碼器便可掃描得到BVBS碼。

4.BIM與核電多項(xiàng)目管理系統(tǒng)的集成

核電工程鋼筋深化設(shè)計(jì)采用Bentley公司的ProStructures軟件。核電多項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)ENPower是在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持下建立的系統(tǒng)的、高集成度的信息系統(tǒng)，用于管理核電建造過(guò)程各階段業(yè)務(wù)的全部信息，包括鋼筋加工料單信息。要將BIM技術(shù)應(yīng)用到鋼筋自動(dòng)加工中，就必須實(shí)現(xiàn)BIM與ENPower的集成。

Bentley提供的i-model技術(shù)，是為支持項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)聯(lián)合工作的信息交互的通用方法，適用于項(xiàng)目的幾何圖形信息和數(shù)據(jù)信息，同時(shí)適用于Bentley及非Bentley的產(chǎn)品。i-model包含豐富的元數(shù)據(jù)和組件的業(yè)務(wù)屬性、幾何圖形及關(guān)系，不需要專門的應(yīng)用程序邏輯來(lái)解析，不需要引用外部的架構(gòu)定義，所有需要的架構(gòu)定義都內(nèi)置在i-model中。i-model包含信息的來(lái)源、日期、狀態(tài)等，且是只讀的。i-model可直接由Bentley軟件輸出或轉(zhuǎn)換程序生成。鑒于此，i-model技術(shù)是實(shí)現(xiàn)BIM與ENPower系統(tǒng)集成的最優(yōu)方式。

圖6 BIM與ENPower系統(tǒng)集成圖

圖7 轉(zhuǎn)換BVBS碼和PDF417碼功能模塊圖

圖8 鋼筋配料單

圖9 彎曲機(jī)自動(dòng)加工

利用i-model 技術(shù)，經(jīng)過(guò)二次開發(fā)，ENPower 系統(tǒng)中可以直接查看鋼筋三維模型并讀取鋼筋的幾何形狀信息（圖6），實(shí)現(xiàn)二者的數(shù)據(jù)集成。

接下來(lái)在ENPower系統(tǒng)中添加兩個(gè)功能模塊，一是將鋼筋的幾何形狀信息轉(zhuǎn)換為BVBS碼的功能模塊；二是將BVBS碼轉(zhuǎn)為PDF417碼的功能模塊（圖7）。

5.設(shè)備掃碼自動(dòng)加工鋼筋

ENPower系統(tǒng)導(dǎo)出鋼筋配料單（圖8），鋼筋加工廠工人利用掃碼槍掃描料單上的PDF417碼，加工數(shù)據(jù)便傳輸?shù)戒摻罴庸ぴO(shè)備，設(shè)備讀取完一個(gè)批次的數(shù)據(jù)后，便可以開始自動(dòng)加工（圖9）。

6.應(yīng)用中的不足

目前，各類堆型的核電工程中約有近200種二維和三維鋼筋形狀，采用BVBS碼格式能夠準(zhǔn)確表達(dá)其中約100種常用鋼筋形狀。但對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)、異形鋼筋，數(shù)控加工卻難以解決相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，仍需要借助常規(guī)加工設(shè)備。數(shù)控設(shè)備與常規(guī)設(shè)備搭配使用，有助于滿足不同加工需求，數(shù)控設(shè)備的高效性可以解決批量化半成品加工，常規(guī)設(shè)備的靈活性可以滿足非標(biāo)構(gòu)件、零星變更補(bǔ)料等需求[3]。

7.結(jié)語(yǔ)

將BIM技術(shù)應(yīng)用于核電工程鋼筋自動(dòng)加工中操作簡(jiǎn)單，不僅可以減輕人為干預(yù)過(guò)程，避免因人為失誤造成損失，還可以提高鋼筋的加工質(zhì)量和效率，在實(shí)際應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)鋼筋加工效率提升約29.23%。此外，還可以降低鋼筋加工廢料余料率，每噸鋼筋成本可以節(jié)省約175元，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

下一步研究方向是通過(guò)ENPower系統(tǒng)連接鋼筋加工設(shè)備、采集鋼筋加工信息，可支持鋼筋加工廠的加工過(guò)程監(jiān)控、材料管理；通過(guò)掃碼監(jiān)控鋼筋成品的倉(cāng)儲(chǔ)、物流和交付等過(guò)程，以提高項(xiàng)目高管理水平，減少倉(cāng)儲(chǔ)積壓[4]，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)數(shù)字化核電建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。