主要從事城市軌道交通工程的設(shè)計和科研工作,工作范圍覆蓋全國。主編、參編國家、地方、行業(yè)的規(guī)范標準和規(guī)范性文件23項;擁有發(fā)明專利28項、實用新型專利37項;主編或參與完成專著、譯著和培訓教材9部;獲國家優(yōu)秀設(shè)計金獎1項,國家科技進步獎1項,獲省部級科技進步獎勵10項,省部級及以上優(yōu)秀設(shè)計獎34項。
你見過這樣的地鐵車站建造方式嗎?將工廠里預(yù)先制造好的構(gòu)件像搭積木一樣安裝到相應(yīng)的位置,一座車站就基本成型了。沒錯,這就是采用裝配式建造技術(shù)的車站搭建方式。
隨著我國經(jīng)濟向高質(zhì)量發(fā)展階段轉(zhuǎn)型,需要大力推動軌道交通建造向智能化、綠色化轉(zhuǎn)變。“把裝配式建造技術(shù)引入軌道交通的建設(shè)中,則是我們軌道交通產(chǎn)業(yè)向智能化、綠色化發(fā)展邁出的堅實腳步。”對于全國工程勘察設(shè)計大師楊秀仁而言,這也是他近些年不斷探索、努力開拓的軌道交通創(chuàng)新技術(shù)方向。
作為北京城建設(shè)計發(fā)展集團總工程師,楊秀仁帶領(lǐng)著團隊日夜拼搏、迎難而上、大膽創(chuàng)新,經(jīng)過多年大量的試驗和理論研究以及實際工程應(yīng)用,首創(chuàng)了地鐵車站100%全預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)模式;首次提出并研發(fā)了裝配式軌道關(guān)鍵技術(shù)及全系列配套施工裝備;首次研發(fā)復(fù)合強化超輕墻體材料并應(yīng)用于車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)和用房的裝配化建造技術(shù)。這一系列的創(chuàng)新研發(fā)成果在為我國軌道交通提供更加環(huán)保、智能的建設(shè)方案同時,也進一步推動了軌道交通產(chǎn)業(yè)升級。楊秀仁滿懷信心地告訴記者:“目前我們研發(fā)的裝配式建造技術(shù)已在長春、青島、深圳等城市的軌道交通建設(shè)中得以應(yīng)用,相信在不久的將來,還會有更多的城市加入其中。”
裝配式建造技術(shù)是怎樣引入軌道交通領(lǐng)域的?裝配式建造技術(shù)在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用情況如何?裝配式建造解決了傳統(tǒng)建造的哪些難點?未來軌道交通智能化、綠色化建造的發(fā)展方向在哪里?帶著這些問題,近日《世界軌道交通》記者對全國工程勘察設(shè)計大師、北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司總工程師楊秀仁進行了一次專訪。
裝配式技術(shù)“結(jié)緣”軌道交通
裝配式建造技術(shù)是以工廠化、批量化、模式化生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件為主,通過工業(yè)化、機械化施工技術(shù)在現(xiàn)場工地將構(gòu)件連接為整體的新一代建造方式。目前裝配式建造技術(shù)已應(yīng)用在了建筑工程、橋梁工程以及盾構(gòu)隧道工程等領(lǐng)域。
談起裝配式建造技術(shù)是如何與軌道交通“結(jié)緣”時,楊秀仁談到,早在上世紀90年代他擔任北京地鐵5號線項目負責人時,第一次將盾構(gòu)建造技術(shù)引進北京軌道交通區(qū)間隧道工程建設(shè),隨著北京地鐵盾構(gòu)隧道試驗段工程研究和建設(shè)的開展,受盾構(gòu)隧道裝配式襯砌的啟發(fā),他對裝配式技術(shù)建造地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了濃厚的興趣,之后還出版了專著《北京地鐵盾構(gòu)法隧道設(shè)計與施工》,并主編了國標《盾構(gòu)隧道設(shè)計標準》,不斷的總結(jié)和探索之后,裝配式情結(jié)便深深烙印在了他的心底,并產(chǎn)生了更大的憧憬。隨即,楊秀仁拿出了一疊長春地鐵2號線的照片,這是他“裝配式車站”之夢的開始。他興奮地告訴記者:“長春地鐵2號線是國內(nèi)首個采用裝配式技術(shù)建造車站的軌道交通線路,也是我們團隊攻克的首個裝配式項目。”
長春市地處我國東北的嚴寒氣候區(qū)域,軌道交通建設(shè)每年有4~5個月的冬歇期,這對工程進度產(chǎn)生了極大的影響。為了解決東北冬季施工難題,楊秀仁提出了搭建“裝配式車站”計劃,即采用預(yù)制裝配技術(shù),讓地鐵車站完全像搭積木一樣拼裝而成。從2012年開始,他便率領(lǐng)研究團隊以長春地鐵2號線袁家店站為試驗段,在國內(nèi)首次對明挖條件下的地鐵車站預(yù)制裝配技術(shù)進行了系統(tǒng)研發(fā)。
地鐵車站采用裝配式技術(shù)是一個巨大的系統(tǒng)工程,涉及設(shè)計、生產(chǎn)、施工、驗收、使用、政策引導與規(guī)范支持等多個領(lǐng)域,需要扎實做好各項前期研究工作。為此,楊秀仁和團隊專門在當?shù)氐念A(yù)制構(gòu)件廠搭建了用于預(yù)制構(gòu)件接頭結(jié)構(gòu)試驗的工程試驗室和試驗坑。經(jīng)過兩年的前期技術(shù)研究,進行了大量的試驗和數(shù)據(jù)分析,最終確定了關(guān)鍵技術(shù)方案。又經(jīng)過兩年多的系統(tǒng)性研發(fā),才開始在地鐵實際工程建設(shè)中應(yīng)用。
“我們做的事情沒有太多經(jīng)驗可以借鑒,索性大膽探索,研發(fā)了多項突破性創(chuàng)新技術(shù)。”楊秀仁翻著一張張照片,熱情地向記者介紹。比如裝配式結(jié)構(gòu)最為關(guān)鍵的接頭技術(shù),提出并成功應(yīng)用了一種新型的“注漿式榫槽接頭”,采用“榫卯結(jié)構(gòu)”技術(shù),利用接頭凹凸之間的結(jié)合,加上填充縫隙的高性能漿液,成功解決了如何將構(gòu)件嚴絲合縫拼裝起來的難題;揭示的接頭“變剛度”特征及承載能力特性,使裝配式地下結(jié)構(gòu)的靜力和地震力作用承載能力和抗變形力學行為的優(yōu)勢得以充分體現(xiàn);在構(gòu)件接頭接縫處采用兩道橡膠墊密封墊,與接縫注漿層一起,完美實現(xiàn)了拼裝接頭的高性能防水,徹底取消了傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的全外包防水層;為了保證接頭對位的精確度,研發(fā)團隊在構(gòu)件接縫部位設(shè)計了一組紡錘狀的導向定位銷棒,如同給構(gòu)件加上了一個尖頭的插銷,拼裝時只要尖頭對準另外一構(gòu)件端的開孔,就可以保證巨大的混凝土構(gòu)件對接到位,不會出現(xiàn)磕碰現(xiàn)象;開發(fā)了新型接頭專用注漿設(shè)備,完美解決了注漿時間長漿液提前凝固、注漿漿液凝結(jié)堵塞管路、注漿材料精確自動配比等難題。
接頭技術(shù)很關(guān)鍵,但也僅僅是裝配式車站結(jié)構(gòu)建造技術(shù)體系中的一小部分,結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件輕量化、構(gòu)件生產(chǎn)與檢測、拼裝工藝和裝備、技術(shù)標準等等,涉及裝配化一整套技術(shù)體系。經(jīng)過5年的研發(fā)建設(shè),2018年8月,長春市地鐵2號線正式通車運營。2號線上的袁家店站(后改名為雙豐站)、西湖站、興隆堡站、西環(huán)城路站、建設(shè)廣場站和捷達大路站等6座車站成為了我國乃至全球首批采用全預(yù)制裝配式技術(shù)建造的地鐵車站。
楊秀仁感慨道:“這些‘裝配式車站’的成功建設(shè)給了我們極大的信心,讓我們可以甩開膀子加油干,進一步將裝配式建造技術(shù)延伸到軌道交通建設(shè)的其他領(lǐng)域中,為軌道交通的綠色化建造升級打下了堅實的基礎(chǔ)。”
裝配式建造體系由理念變?yōu)楝F(xiàn)實
在“裝配式車站”大獲成功并取得多個“第一”后,楊秀仁和團隊又在此基礎(chǔ)上提出了“裝配式軌道”和“裝配式內(nèi)部結(jié)構(gòu)和用房”的理念,將裝配式建造技術(shù)擴大到軌道交通的其他領(lǐng)域。經(jīng)過多年不懈努力,研究團隊完成了從技術(shù)方案、產(chǎn)業(yè)實用性到生產(chǎn)加工、智能化建造的一整套軌道交通裝配產(chǎn)業(yè)體系研發(fā)設(shè)計。楊秀仁向記者詳細介紹了研究團隊在裝配式建造技術(shù)上取得重要成果。其中:
構(gòu)件拼裝自動控制系統(tǒng)是將人工操作和控制的拼裝工作,交由自動控制系統(tǒng)替代。以往人工控制很難兼顧的“拼縫寬度”、“千斤頂拉力”、“液壓站壓力”、“多點同步控制”等多各環(huán)節(jié),構(gòu)件拼裝自動控制系統(tǒng)可以將這一系列工作進行自動化控制,在提高施工質(zhì)量的同時,也大大提高施工效率。
激光點云式構(gòu)件自動測量系統(tǒng)是對制造好的構(gòu)件進行高精度自動掃描檢測系統(tǒng)。預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)對構(gòu)件有很高的精確度要求,由于大型預(yù)制構(gòu)件體積較大,難以有效保證制作精確度,從而增加了施工建設(shè)難度。為此,楊秀仁率領(lǐng)團隊專門開發(fā)了該套系統(tǒng),在對構(gòu)件進行自動掃描檢測,確保每個構(gòu)件精確度的同時,也能自動生成出廠檢測報告,為施工建設(shè)維護提供準確可靠的依據(jù)。
裝配式軌道建造關(guān)鍵技術(shù)體系是以裝配式板-墊復(fù)合減振軌道、無軌化施工、自動化精調(diào)、兩步逆作法、互換修運維等技術(shù)為核心,以覆蓋運輸、鋪設(shè)、精調(diào)、灌筑、運維全系列裝配式軌道施工專用裝備為支撐的綠色軌道建造技術(shù)。該技術(shù)體系在提高線路平順性、減振降噪、實現(xiàn)機械化、提高施工效率、減少軌道病害和方便運維等方面實現(xiàn)了重大技術(shù)創(chuàng)新和突破。以“預(yù)制板+隔振墊”復(fù)合結(jié)構(gòu)為載體的無損接觸、柔性限位、減振等級可調(diào)的裝配式軌道結(jié)構(gòu),消除了軌道板變形、離縫和起拱等病害,實現(xiàn)了由傳統(tǒng)的多型式局部減振轉(zhuǎn)化為全線環(huán)保水平的整體提升;以自適應(yīng)和自變形模式車輛走行系統(tǒng),攻克了施工裝備在矩形、圓形、馬蹄形等不同型式隧道內(nèi)無軌行走的技術(shù)難題,實現(xiàn)隧道內(nèi)無軌化施工;“測-控-調(diào)”自動精調(diào)技術(shù)實現(xiàn)了軌道板高精度、快速精準到位,全面取代人工調(diào)板工藝;逆作法由傳統(tǒng)17道工序減為2道;互換修技術(shù)徹底解決了大修更換的世界性難題;綜合施工效率提高100%,用工量減少70%。該體系提供的裝配式軌道整體技術(shù),可以輻射到全國各個城市,特別是對環(huán)境保護要求較高的城市,有效助力城市實現(xiàn)綠色化建造。
一系列的研究成果讓裝配式軌道交通建造技術(shù)體系由理念變成了現(xiàn)實。楊秀仁激動地告訴記者:“裝配式建造技術(shù)給軌道交通行業(yè)打開一扇新大門,在為我國軌道交通建設(shè)提供全新方案的同時,也有望引領(lǐng)一場軌道交通綠色化、智能化的新技術(shù)革命。”
六大優(yōu)勢帶來高質(zhì)量轉(zhuǎn)變
裝配式建造技術(shù)作為新一代的軌道交通建設(shè)方式,在加快建設(shè)速度、減少勞動力投入、節(jié)能環(huán)保、降低施工風險、提升工程質(zhì)量、一體化建設(shè)等方面解決了當前傳統(tǒng)建造技術(shù)所面臨的難題,并在助力軌道交通高質(zhì)量發(fā)展的同時,也產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟與社會效益,推進城市的和諧可持續(xù)發(fā)展。楊秀仁向記者詳細介紹:
一是提高工作效率,縮短工期。隨著城市軌道交通向著大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展,城市軌道交通建設(shè)工期日趨緊張。一座明挖標準車站,采用裝配式建造技術(shù)可以使工期節(jié)?。?-6)個月,不僅能有效地支持軌道交通工程的建設(shè)周期,還能將軌道交通工程施工對城市交通、周邊環(huán)境的影響時間降到最低。
二是減少勞動力投入。傳統(tǒng)建造對人工作業(yè)的依賴性較高,隨著人口老齡化和勞動力成本不斷增加,建設(shè)施工現(xiàn)場面臨著嚴重的勞動力緊缺問題。裝配式建造的大量構(gòu)件由工廠車間生產(chǎn)加工完成,施工現(xiàn)場主要工作為鋪助構(gòu)件拼裝就位,張拉作業(yè)等,可以將大幅度減少勞動力的投入。明挖車站傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工技術(shù),現(xiàn)場施工人員每班班需要(130-150)人,而采用裝配式建造技術(shù),每班可減少為(20-30)人。
三是節(jié)能環(huán)保,減少材料浪費及污染環(huán)境現(xiàn)象。傳統(tǒng)建造技術(shù)材料浪費現(xiàn)象十分嚴重,并且建造過程還伴有粉塵、噪音、建筑垃圾等污染環(huán)境現(xiàn)象。裝配式建造需要在現(xiàn)場進行操作的工程項目極少,現(xiàn)場無火、無水、無塵、無味,并且整個工地幾乎看不到建筑垃圾,這對周邊環(huán)境起到較大保護作用,可以有效地減少能源消耗和環(huán)境污染,更符合綠色建造要求。
四是降低軌道交通施工風險。傳統(tǒng)建造的現(xiàn)場工作環(huán)節(jié)有:綁扎鋼筋、澆筑混凝土、搭建外圍防護物和腳手架等,并且現(xiàn)場堆放的施工材料非常多,工作人員在進行施工時,容易發(fā)生意外事故,加大了施工風險。而裝配式建造的現(xiàn)場工作環(huán)節(jié)主要為預(yù)制構(gòu)件的拼裝作業(yè),因此可以有效降低現(xiàn)場施工風險,保障現(xiàn)場施工安全。
五是大幅提升軌道交通工程質(zhì)量。傳統(tǒng)建造現(xiàn)場施工容易受時間、空間、環(huán)境、人員素質(zhì)等不可控因素影響,在保障工程質(zhì)量方面存在一定的難度。而裝配式建造的構(gòu)件在預(yù)制工廠中生產(chǎn),不受各種因素影響,不僅有利于形成一整套規(guī)范化標準體系以確保工程質(zhì)量,還能在后期運營維護中減少大量的維護費用。
六是有利于形成裝配式軌道交通產(chǎn)業(yè)。裝配式建造可將設(shè)計、加工等工序一體化整合,帶動軌道交通產(chǎn)業(yè)升級。并在軌道交通建設(shè)領(lǐng)域大范圍應(yīng)用后,進一步提高軌道交通的綜合效益。
“裝配式建造所具備的這些優(yōu)勢在助力軌道交通高質(zhì)量發(fā)展的同時,也帶來了巨大的經(jīng)濟與社會效益。”楊秀仁介紹,在經(jīng)濟效益方面,現(xiàn)階段我國城市軌道交通行業(yè)處于快速成長期,全國城市軌道交通建設(shè)投資規(guī)模持續(xù)增長。在新建的城市軌道交通中,采用裝配式建造技術(shù)可以根據(jù)實際建設(shè)需要,合理安排預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)量,并且隨著產(chǎn)業(yè)鏈的成熟,預(yù)制構(gòu)件的產(chǎn)能提升,規(guī)模效應(yīng)顯現(xiàn),將有效地降低建設(shè)、維護成本,減少材料浪費,從而帶來巨大的綜合經(jīng)濟效益。
在社會效益方面,一是裝配式建造解決了傳統(tǒng)軌道交通建造存在的難題,為實現(xiàn)軌道技術(shù)的智能化、機械化、模塊化發(fā)展提供了全新的解決方案。二是降低了城市軌道交通沿線的振動及噪聲污染,減輕了線路開通運營對周邊居民的影響,從而減少了沿線居民投訴的概率,有利于社會的和諧發(fā)展。
裝配式建造技術(shù)所具備的這些優(yōu)勢能夠更快、更好、更安全的進行軌道交通建設(shè),因此受到了許多城市的青睞。“以裝配式車站為例,目前,第一代‘樁(墻)+錨’體系下的裝配式車站技術(shù)在長春成功應(yīng)用于多座車站;第二代‘樁(墻)+內(nèi)支撐’體系下的裝配式車站技術(shù)也已經(jīng)研發(fā)完成,并準備在長春、青島和深圳投入實施。截止目前,全國范圍內(nèi)采用我們的技術(shù)已建、在建和待建的裝配式車站規(guī)模已達30座,相信在不久的將來,還會有更多的工程加入進來。”楊秀仁進一步強調(diào):“應(yīng)用裝配式建造技術(shù)是軌道交通行業(yè)未來工業(yè)化發(fā)展的趨勢,它將有利于促進軌道交通與工業(yè)化信息化的深度融合,并培育新產(chǎn)業(yè)、新動能,從而實現(xiàn)軌道交通向高端制造業(yè)的轉(zhuǎn)變。”
自主創(chuàng)新向“智能+綠色”未來進軍
智能化、綠色化、自主創(chuàng)新是我國軌道交通發(fā)展的新方向,對于楊秀仁而言,這也是他和團隊共同奮斗的目標。2021年是我國“十四五”開局之年,“十四五”也是我國建設(shè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵時期,中國的軌道交通也迎來新一輪轉(zhuǎn)型發(fā)展階段。談到軌道交通建造未來發(fā)展時,楊秀仁從裝配式軌道交通建造規(guī)劃、新技術(shù)應(yīng)用、自主創(chuàng)新等方面向記者透露了自己的一些看法:
裝配式軌道交通建造規(guī)劃,首先應(yīng)該推行一體化建造。在研發(fā)設(shè)計、構(gòu)件生產(chǎn)、施工裝備、運營維護等環(huán)節(jié)實行一體化的生產(chǎn)建設(shè)管理模式,最大限度地發(fā)揮各種資源優(yōu)化配置作用,實現(xiàn)整體效益最大化。其次應(yīng)形成標準化、規(guī)范化的行業(yè)發(fā)展體系。要對裝配式構(gòu)件的多樣性進行合理統(tǒng)籌、控制,并對不同構(gòu)件進行標準化設(shè)計,形成適合我國國情的裝配式建造技術(shù)體系和規(guī)范體系。目前,城市軌道交通裝配式地下結(jié)構(gòu)和軌道技術(shù)設(shè)計、生產(chǎn)和施工系列行業(yè)規(guī)范已獲得城市軌道交通協(xié)會的批準,正在積極的編制過程中,隨著裝配式建造技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模越來越大,還需要政府建立相關(guān)的監(jiān)管體系,以助力裝配式建造軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
新技術(shù)應(yīng)用方面,數(shù)字化、智能化和信息化是軌道交通技術(shù)發(fā)展的方向。隨著新一代信息技術(shù)革命興起,5G、人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)將在軌道交通建設(shè)、運營等各個領(lǐng)域得以應(yīng)用。對于裝配式軌道交通建造技術(shù)而言,需要通過新技術(shù)搭建一個可以整合裝配式軌道交通相關(guān)咨詢、規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和管理等各個環(huán)節(jié)的信息交互平臺,實現(xiàn)裝配式建造的全生命周期信息化數(shù)字轉(zhuǎn)變。此外,還要加強數(shù)據(jù)協(xié)同效應(yīng),創(chuàng)建質(zhì)量責任可追溯管理模式,進一步提高軌道交通的裝配式建設(shè)管理水平。
自主創(chuàng)新方面,盡管我國軌道交通產(chǎn)業(yè)取得了一系列自主創(chuàng)新技術(shù)成就,但在某些領(lǐng)域,其相關(guān)研究仍然比較薄弱。對此,相關(guān)單位應(yīng)加大技術(shù)投入,加強聯(lián)合攻關(guān),逐步提升我國軌道交通建造的技術(shù)水平和核心競爭力。
“經(jīng)過幾十年的建設(shè),我國軌道交通產(chǎn)業(yè)取得了長足的進步,在滿足人民群眾交通出行、緩解城市交通擁堵、促進經(jīng)濟社會發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。接下來,我們軌道交通行業(yè)要準確把握新階段的歷史機遇,推動相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用,向新時代綠色化、智能化的軌道交通發(fā)展道路上大步前進。”關(guān)于軌道交通建造的未來,楊秀仁心中充滿了希望。
記者采訪的過程中,楊秀仁始終透著一個資深技術(shù)研究工作者特有的謙虛和嚴謹,言語樸實卻更顯親切。在從事軌道交通工程設(shè)計和科研工作的35年里,他率領(lǐng)團隊以科研創(chuàng)新為力量,堅持奮斗在我國軌道交通建設(shè)的第一線上,用精湛的專業(yè)知識攻克一道道科研難關(guān),為我國的城市軌道交通事業(yè)付出了青春和智慧,直到今日他仍然在挑戰(zhàn)自我、不斷創(chuàng)新,為實現(xiàn)“軌道交通強國”的夢想而奮力拼搏。
談到未來的工作發(fā)展時,楊秀仁鄭重而堅定地向記者表示,當前我國軌道交通正進入升級轉(zhuǎn)型的黃金發(fā)展時期,許多重大科學問題和關(guān)鍵技術(shù)瓶頸亟待攻克,作為軌道交通的技術(shù)設(shè)計工作者,他愿意用自己的畢生所學和滾燙的汗水,為軌道交通建設(shè)化解一道道技術(shù)難題,當好“拓荒者”,為我國軌道交通高質(zhì)量發(fā)展,繼續(xù)勇往向前。