中国制造 2025推动下，钢结构桥梁智能制造成果与展望

《中国制造2025》战略的引领下，智能制造成为制造业转型升级的核心途径，而钢结构桥梁智能制造技术的进步，对于桥梁行业及制造业智能化进程的推进具有极其重要的价值。文章深入剖析了桥梁钢结构制造企业在智能制造领域的具体实践成果，包括BIM技术的广泛运用、智能生产线的构建、技术创新和研发资金的投入，以及智能总拼技术的推广等多个方面。同时，对这项技术在设备研发、信息搜集以及人工智能领域的应用所面临的难题进行了深入剖析，并且就人工智能与机器学习的深入运用、数字孪生技术的推广以及智能机器人在各个领域的广泛应用等潜在的发展趋势展开了讨论。

信息技术与制造技术的

深度融合

智能制造的

核心要义

智能制造的精髓是达成自我决策与即时调控，其根本是新一代信息技术与高端制造技术的深度融合，从而让制造过程在每一个环节都展现出智能化特点。根据工信部在2016年颁布的《智能制造发展规划（2016-2020年）》，智能制造具备自我感知、自我决策、自我执行、自我适应、自我学习等多重特性，这些特性贯穿于产品设计的每个阶段、生产过程、管理环节以及服务领域。近年以来，人工智能、大数据、云计算、物联网等前沿科技的飞速进步，使得智能制造的理念日益充实，其应用领域亦日益拓宽。

钢结构桥梁制造领域的

实践成果

在钢结构桥梁制造这一领域，行业翘楚企业已开始在部分生产环节引入数字化管理及自动化生产技术。他们从最初的人工排版和套料作业，逐步过渡到利用超级计算机进行智能分拣，切割技术也从半自动的火焰切割升级到了数控激光切割，而焊接环节也由人工焊接转变为了自动化焊接生产线。这些变革使得智能制造信息闭环得以成功实现数字化和网络化。这些成果显著提高了生产效能，确保了产品品质，同时也为钢结构桥梁智能制造技术的持续进步打下了坚实的根基。

图1 数控激光切割及自动写号

图2 自动焊接生产线

突破瓶颈迫在眉睫

设备研发难题

钢结构桥梁部件重量较重，种类众多，焊接作业的部位和形式亦复杂多变，这些因素使得设备研发面临极大的困难。目前，开发出既具备灵活性、又能适应重载需求的设备相当不易，因此，智能机器人在钢梁生产领域的应用受到了一定的制约。以一根重量超过百吨的钢梁桁架弦杆为参照，自动化生产机器在承载能力、定位准确度以及操作便捷性等方面遭遇了一系列技术挑战，攻克这些设备限制刻不容缓。

信息采集困境

当前，在钢结构桥梁的生产制造环节，信息搜集环节面临着众多挑战。尽管焊接等少数环节已经实现了自动化搜集，但大部分信息依旧需要人工录入，这样的做法不仅效率不高，而且容易产生误差。再者，对于焊接变形、残余应力等关键信息的搜集范围有限，无法充分满足智能制造对于数据完整性、精确性和时效性的高要求。信息采集的不周全，对后续的数据处理和决策制定产生了直接影响，进而限制了钢结构桥梁智能制造在智能化方面的进步。

人工智能应用短板

在钢结构桥梁的制造行业里，依托云计算和人工智能的数据分析与运用还仅限于起步阶段，而专业的大型模型的应用开发还未开始。在钢梁的制造流程中，焊接导致的变形以及残余应力的预测与管控是确保制造精度的核心环节，然而，目前的人工智能技术在处理这些问题上还显露出明显的短板。在处理焊接工艺参数的复杂优化、焊接变形的实时预测与补偿等关键问题上，现有模型往往无法充分满足实际生产的需要。因此，深入探索人工智能技术在钢结构桥梁制造领域的应用，增强数据分析和决策支持的能力，已成为推动该技术进步的关键所在。

钢结构桥梁智能制造的

技术特点

高工厂化生产率

钢结构桥梁的多数制作环节在工厂内完成，随后将大型构件拼装好再运送到施工地点，现场的工作量相对较少。工厂化的生产方式使得生产效率高达98%以上。这种高效的生产模式不仅提高了生产效率，减少了施工现场的风险，而且有利于对生产流程进行集中管理与质量控制，从而为钢梁的智能制造提供了良好的条件。

构件类型相对单一

与房屋建筑所用的钢结构相比，钢结构桥梁所采用的构件种类较为有限，这一特点有助于推行标准化生产流程。这种标准化生产方式不仅能够提升生产速度和减少成本，同时还能确保产品质量的稳定与统一，从而为钢结构桥梁的智能制造在规模上的扩展创造了有利条件。

制造精度控制难度大

钢结构桁架桥梁的桁架部分与桥面系在结构特性上存在明显区别，这增加了大节段在制造过程中对精度控制的挑战。制造时，各个结构部件对尺寸、形状和位置精度的要求不尽相同，且彼此之间会产生相互影响。以单片桁架为例，其制造精度的高低直接关系到桥面系结构的安装精度，而桥面系结构的焊接变形又会反过来影响单片桁架的定位精度。在错综复杂的结构体系里，如何实现高精度的制造工艺，这对钢结构桥梁的智能制造技术构成了一个严峻的挑战。

构件重量大

单根桁架弦杆的重量在钢结构桁架桥梁中可达一百多吨，这对自动化生产设备提出了极为严苛的要求。在重型构件的搬运、定位和焊接等环节，设备必须拥有卓越的承载能力、出色的操作灵活度以及精准的定位性能。尽管目前市场上已有部分大型设备能够满足重型构件的生产需求，但它们普遍存在成本高昂、维护难度大等问题。降低生产重型构件所需设备的成本与维护复杂性，同时增强设备的稳定性和工作效率，这成为了推动钢结构桁架桥梁智能制造技术进步的关键任务。

智能制造的实践探索

数字化总体管控架构

智能制造的核心构成要素为数字化总体管控架构，该架构一般由若干个层次组成。决策层位于顶层，凭借丰富的数据和详尽的分析，为全局发展确立战略指引和决策参考；协同管控层承担着整合各方资源的重任，确保各个环节紧密协作，工作流程畅通无阻；车间管控层直接负责生产管理，涵盖了报表中心和多种智能制造生产线，例如板材智能下料切割生产线、板单元智能生产线等，对生产过程的每一个环节进行严格把控；基础设施层位于最底层，包括网络系统、综合布线、管控中心、车间模型、工控一体机、视频监控等，为智能制造体系的稳定运行提供坚实保障。

图3 数字化总体管控架构

MES制造执行系统

MES制造执行系统在数字化管控体系中扮演着核心角色。该系统致力于实现设计、工艺和制造的高度融合，通过高效管理Tekla等三维数字模型，实现了产品数据、工艺规划和项目流程的直观展示，显著提升了设计和工艺阶段中产品数据的流通与处理效率。该系统成功连接了设计、工艺及制造环节的数据传输，精确地将设计BOM清单转换成制造BOM清单及焊接BOM清单。在原材料管理领域，通过运用高精度的唯一标识技术，并与严谨的入库检验、合理的库位规划和流畅的库房管理流程相结合，实现了从原材料采购入库至生产成品出库的整个流程的精细化管理。在计划与订单管理领域，MES系统实现了对生产计划制定至产品入库整个流程的信息化管控，促进了生产向精益、透明和可追溯的方向演变，大幅提高了车间作业的响应效率，有效推动了车间作业的标准化与电子化进程。

图4 沪宁钢机MES制造执行系统

基于BIM技术的平台应用

运用BIM技术构建的焊缝地图以及BIM技术的钢结构远程管理系统，为生产管理领域带来了颠覆性的变化。该焊缝地图通过构建详尽的焊缝BIM模型，采用独特的焊缝编码结构树进行有效管理，将焊缝设计、焊接以及检验检测等环节的数据进行了全面整合，从而实现了焊缝管理的可视化与可追溯性。项目交付后的运维期间，该系统所输出的矢量数据成果，对于安全性能的评估、维修工作的指引以及责任的追溯等方面，起到了至关重要的作用。依托于BIM技术的钢结构远程管理系统，它以深化设计阶段所构建的BIM模型为基础，实现了对钢结构从生产制造、运输过程直至安装环节的全面精细化管理，并能够对整个流程进行完整的溯源跟踪，同时具备实时监控各环节质量和进度的功能。

图5 基于BIM的焊缝地图

数据指挥中心

数据指挥中心作为智能制造的关键展示平台，扮演着至关重要的角色。它全面搜集生产环节中的质量、进度、产值、安全状况以及生产线运作等多维度数据，经过精心整理与分析，不仅能够迅速发出预警信号，还为内部管理提供了精确的决策支持，进而成为优化生产流程、提高管理效能的得力助手。

借助数字化管控体系各模块的紧密配合，我们达成了生产管理的提升，包括高效性、细致程度和智能化水平，这不仅为行业的持续发展增添了强劲的推力，同时也为其他行业进行数字化转型贡献了极为珍贵的借鉴。

新发展趋势下的挑战

行业发展趋势

数字化与智能化技术相结合：伴随着5G、物联网、人工智能等技术的广泛应用，钢梁的生产制造将更加倚重于数字化和智能化技术的深度融合。在不久的将来，生产线将变得更加自动化，从设计阶段到生产环节，整个流程都将实现数字化管理，从而显著提升生产效率和产品质量。

随着环保标准不断提升，钢梁生产正逐步向绿色制造模式转型。依托智能化手段，企业能够更精确地调节生产中的能源消耗与排放量，有效降低对生态环境的破坏，进而推动可持续发展的目标得以实现。

定制化生产成为趋势：随着市场需求的多变，钢梁制造行业愈发重视定制化生产的实施。智能制造技术得以迅速应对客户需求，通过小批量、多品种的生产模式，灵活满足各类客户对个性化的需求。

面临的挑战

尽管智能制造技术正迅猛进步，然而在钢梁制造这一领域，众多技术挑战依然存在。比如，重达数吨的构件自动化搬运与焊接技术尚未达到成熟水平，信息采集的自动化水平也亟待提升，这些技术障碍在很大程度上制约了该行业的发展。

人才稀缺问题凸显：在智能制造技术领域，对高素质技术人才的需求量极大。然而，目前具备智能制造技术背景的专业人才数量不足，行业内部人才储备有限。因此，企业亟需增强人才培养和引进工作，以确保技术进步的需求得到充分满足。

成本压力显著：企业若要采纳智能制造技术，需投入大量资金，尤其是在设备研发与系统集成环节。在此过程中，企业既要追求技术的领先地位，又要面临如何有效降低成本的严峻挑战。

未来发展方向

期待“智人”制造的到来

在未来的发展中，人工智能与机器学习技术将在钢结构桥梁的智能制造领域扮演愈发重要的角色。借助深度学习算法，企业能够更加精确地预判和调控焊接变形以及残余应力等问题，从而显著提升制造过程的精确度。运用深度学习技术，对焊接环节中的温度、电流、电压等关键参数进行实时监控与解析，预判焊接可能出现的变形走向，进而自动调节焊接工艺的相关参数，以此达到焊接流程的智能化优化效果。

数字孪生技术的普及

数字孪生技术通过虚拟模型的构建来模仿实际的生产流程，从而实现了对生产活动的实时监控与改进。特别是在钢梁制造这一领域，这项技术预计将得到广泛的运用。企业能够通过构建钢结构桥梁制造流程的数字孪生模型，在虚拟场景中对生产环节进行仿真与优化，以便在事前识别并处理可能存在的问题，降低生产过程中的损耗与失误，进而提升生产效率和产品质量。

智能机器人的

广泛应用

机器人技术的持续发展使得智能机器人在钢梁生产领域的运用日益增多。展望未来，这些智能机器人不仅限于执行基础的焊接作业，还将参与到更为复杂的组装与检测环节中，从而显著提高生产效能。研制新型焊接机器人，其具备更强的承载力和更高的焊接精度，适用于重型钢梁构件的焊接作业；同时，开发具有自主导航及识别功能的搬运机器人，旨在实现钢梁构件的自动化搬运与精确定位。

钢结构桥梁智能制造技术的进步是行业发展的必然走向，同时也是增强企业核心竞争力的核心要素。展望未来，随着技术的不断突破，钢结构桥梁智能制造领域将拥有更加宽广的发展前景。然而，企业在发展过程中必须积极应对技术难题、人才匮乏以及成本压力等挑战，强化技术研发与创新，促进智能制造技术与钢梁制造的深度结合。同时，政府与行业协会需增强对智能制造技术的扶持与指导，携手推动钢梁制造领域的智能化转型，助力我国制造业迈向高质量发展。

本文刊载 / 《数智视界》杂志

2025年 第2期 总第33期

作者 / 高继领 凌志强 胡海国

作者单位 / 江苏沪宁钢机股份有限公司