工业4.0时代的桥梁设计

工业4.0，这场已席卷整个制造业的革命， 也在为建筑领域带去福利。工程师们在设计或维护桥梁结构时该如何利用好4.0的新技术呢？

工业4.0——又称第四次工业革命——其实质在于将全新的数字化技术，诸如自动化、互联、大数据、人工智能及机器学习等应用于现今的制造行业。开发既能互联互通又能独立运转的智能机器无疑将有助于生产力和生产效率的大幅提升。与此同时，数据分析也将提高生产工艺和供应链的效率。

尽管工业4.0经常在制造业领域内被谈及，但建筑领域也将受益于上述的变化及新兴的技术，尤其是桥梁结构的设计和建造。

工业4.0的技术怎样应用于桥梁设计？

“未来，在工业4.0时代下桥梁建筑将不仅仅是交通运输的载体”

瑞典皇家理工学院结构工程与桥梁系主任Raid Karoumi 教授如是说, “由于加装了传感器，桥梁本身可以提供诸如交通载荷、交通密度、车速及路况等信息。”

Karoumi 在该领域已有超过20年的从业经验，除去理工学院的工作外，他还经常担任各种建筑项目的顾问。在他很年轻的时候，就被桥梁这种建筑形式所吸引。后来，他的博士论文的研究方向也是悬索桥与斜拉桥的动态建模。他认为，桥梁的设计标准除了安全和功能性外，可维护性也是很重要的——要确保每个关键部件都能进行检查和更换。

他说：“在新建的桥梁中，结构健康监测会有助于分析新材料和设计的性能表现，对于现有的桥梁，它们的价值在于提供了评估剩余使用寿命的机会。假设，你的建筑结构遭遇疲劳相关的问题。在这种情况下，你可以了解应力和振动的变化，并且如果需要更换某些部件时也能据此做出更加精确的计算。”

借助智能产品解决螺栓松动问题

最近，洛帝牢集团的一个铁路测试项目正在中欧地区开展，使用的也是集团针对工业4.0时代研发的第一款智能产品——Superbolt 载荷感应预紧器。运营商的隔音屏障出现了螺栓松动现象，约有300座桥梁受到影响。  

这是由时速高达200公里的列车所造成的空气动力载荷引发的。预留给紧固件的空间有限，因此桥梁上的隔音屏障总会存在这样的问题。经第三方引荐，洛帝牢集团认为这可能会是自己的智能化产品大显身手的好地方。

“载荷感应预紧器本质上同Superbolt 多顶推预紧器类似，内置了传感器，外部加装了可连接读取设备的接头，” Pierre Kellner 解释道，他负责洛帝牢集团智能产品及服务的推广工作。 “我们发现Superbolt 螺母主体的圆周膨胀同施加的预紧力之间存在一定的关系。即预紧力越大，螺母膨胀得也越大。载荷感应预紧器正是用来测量这一膨胀量，并以千牛顿为单位转化成预紧力值。”  

载荷感应预紧器可在100kHz的频率下进行监测，精确度为±5%。测试过程中，4台载荷感应预紧器被安装在铁路桥上，每当有列车经过时就会源源不断地输出相关数据。 为了不使数据太过庞大，测试阶段使用的是600kHz的频率。

该方案能显著降低维护成本和去往现场的次数，“如果有任何一处螺栓连接出现预紧力丢失的现象，客户在家即可通过电脑接收到通知并获得相关数据。” Kellner 补充道。

借助增强现实技术辅助安装

另一项有关工业4.0的案例则是，疫情期间Kellner 和他的团队可以通过增强现实技术实现载荷感应预紧器的安装环节。

“我们与现场的操作人员看到的一切是一致的，”他解释说。“事实上，安装环节并没受到任何影响，并且增强现实技术可以记录下整个环节，也免去了操作人员手动记录的烦恼。”  

桥梁设计、检查和维护的自动化

在早些时候，Karoumi 教授便预见到工业4.0会通过多种形式对桥梁设计及建造产生影响。例如，使用高度自动化实现更优化、更持续的桥梁设计，在建模阶段使用大数据分析，以及使用机器人和无人机进行例行检查。同样，在结构检测与振动分析方面也会大有帮助。  

“未来，可提供异常检测并参与初期维护的传感器会同今天的小轿车一样普及，” 他说。

“未来，当我们需要采购一些预制件（如横梁或吊架）时，它们将在出厂前加装智能传感器，用以持续监控桥梁的状况并在需要更换或检查时发出提醒。”

本文摘自洛帝牢集团桥梁行业白皮书：Bridge Design, Construction & Maintenance: Insights and Best Practices for a Rapidly Changing Sector (2021)