可擴(kuò)展組合式預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)的研究

朱敏濤

上海建工材料工程有限公司 上海 200086

1 研究背景

隨著我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)化的不斷推進(jìn)，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)大量涌現(xiàn)，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線(xiàn)基本以傳統(tǒng)固定模臺(tái)、平模流水法（移動(dòng)模臺(tái)法）為主，輔以少量預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)線(xiàn)臺(tái)座法生產(chǎn)線(xiàn)。傳統(tǒng)固定模臺(tái)生產(chǎn)產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)，但是作業(yè)環(huán)境差、機(jī)械化程度低；平模流水法比較適合形狀簡(jiǎn)單的疊合樓板和內(nèi)墻板等構(gòu)件，當(dāng)發(fā)生生產(chǎn)線(xiàn)故障時(shí)影響大；預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)線(xiàn)臺(tái)座適宜生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力疊合板和空心板等構(gòu)件，機(jī)械化程度高，生產(chǎn)效率高。

本文通過(guò)在原有PHC管樁生產(chǎn)廠房的基礎(chǔ)上，引進(jìn)吸收先進(jìn)技術(shù)，研制了一條新型雙向可擴(kuò)展預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)。該生產(chǎn)線(xiàn)具有生產(chǎn)設(shè)施和裝備可擴(kuò)展布置以及有機(jī)組合、構(gòu)件生產(chǎn)數(shù)字化和機(jī)械化程度高、產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)、投資少等特點(diǎn)，提升了預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)效率?；诖藬?shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)還開(kāi)發(fā)了從構(gòu)件產(chǎn)品設(shè)計(jì)、構(gòu)件庫(kù)選擇、模具設(shè)計(jì)加工到構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了部分預(yù)制混凝土構(gòu)件的數(shù)字化生產(chǎn)。

2 可擴(kuò)展組合預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)的總體布局

可擴(kuò)展式模臺(tái)預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)由原有PHC管樁車(chē)間改造而成（圖1），廠房總面積4 536 m2，長(zhǎng)189 m，跨度24 m。車(chē)間布設(shè)3.7 m×9.0 m固定模臺(tái)30個(gè)，縱向2條生產(chǎn)線(xiàn)分3組布設(shè)，每組5個(gè)模臺(tái)，每條生產(chǎn)線(xiàn)布設(shè)15個(gè)模臺(tái)，2條線(xiàn)之間可通過(guò)橫向擺渡軌道運(yùn)輸關(guān)鍵裝備完成連接。

圖1 可擴(kuò)展式模臺(tái)預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)局部

每條生產(chǎn)線(xiàn)模臺(tái)底部左右各布置有一內(nèi)一外2條縱向軌道，模臺(tái)混凝土澆筑完畢后，振動(dòng)裝備可沿模臺(tái)底部?jī)?nèi)軌道移動(dòng)至指定模臺(tái)完成構(gòu)件的振動(dòng)密實(shí)；模臺(tái)左右兩側(cè)外軌道可用于生產(chǎn)裝備的來(lái)回移動(dòng)，以完成預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)任務(wù)。2條縱向生產(chǎn)線(xiàn)外側(cè)另布設(shè)有一組軌道用于橋式混凝土運(yùn)料罐車(chē)的來(lái)回移動(dòng)。數(shù)字化生產(chǎn)車(chē)間設(shè)有參觀通道、辦公區(qū)、物料堆放區(qū)、成品構(gòu)件運(yùn)輸區(qū)、裝備維修區(qū)等，車(chē)間一端并設(shè)有混凝土布料機(jī)、混凝土料罐清洗區(qū)，整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)布局靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，生產(chǎn)線(xiàn)可按產(chǎn)能需求逐條投入生產(chǎn)設(shè)備，且設(shè)備可靈活優(yōu)化組合，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)的雙向可擴(kuò)展。

預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化加工生產(chǎn)線(xiàn)的主要數(shù)字化裝備包括：生產(chǎn)軌道及振動(dòng)側(cè)翻一體式熱養(yǎng)護(hù)固定模臺(tái)、縱橫向自行移動(dòng)式清掃劃線(xiàn)脫模劑噴涂一體化集成裝置、中央行走平臺(tái)裝置、物料輸送平臺(tái)、橋式混凝土料罐、縱橫向自行移動(dòng)式混凝土布料機(jī)、縱橫向自行移動(dòng)式振動(dòng)側(cè)翻裝置、旋翼式抹平裝置、蒸汽養(yǎng)護(hù)覆蓋裝置等?；诠潭Ｅ_(tái)的可擴(kuò)展組合式預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)方式，通過(guò)數(shù)字化單元裝備在軌自行移動(dòng)對(duì)固定模臺(tái)上預(yù)制混凝土構(gòu)件進(jìn)行不同工序的數(shù)字化操作，實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的并行柔性生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率和對(duì)預(yù)制構(gòu)件的適應(yīng)性。

3 數(shù)字化生產(chǎn)流程

3.1 數(shù)字化構(gòu)件產(chǎn)品設(shè)計(jì)

數(shù)字化構(gòu)件產(chǎn)品常根據(jù)預(yù)制構(gòu)件尺寸、功能、結(jié)構(gòu)形式和工程特點(diǎn)等因素，建立不同類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制構(gòu)件庫(kù)（剪力墻外墻板、剪力墻內(nèi)墻板、圍護(hù)墻板、疊合樓板、樓梯梯段板、陽(yáng)臺(tái)板等），以及建立構(gòu)件數(shù)字化信息與預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)接系統(tǒng)。

(4) 坑邊動(dòng)靜荷載影響?；觾蓚?cè)距離市政道路距離較近，東側(cè)僅2.5 m，全線(xiàn)北段大多數(shù)渣土及混凝土運(yùn)輸車(chē)輛從該路段通過(guò)。同時(shí)，兩側(cè)淺基礎(chǔ)建筑距離基坑南段水平距離約12 m，靜載對(duì)基坑變形存在一定影響。

數(shù)字化構(gòu)件產(chǎn)品生產(chǎn)常從產(chǎn)品類(lèi)型識(shí)別、鋼筋識(shí)別、預(yù)埋件識(shí)別等，在生產(chǎn)前進(jìn)行構(gòu)件信息的識(shí)別，確定好構(gòu)件的類(lèi)型后開(kāi)始導(dǎo)入信息化系統(tǒng)對(duì)鋼筋進(jìn)行識(shí)別，從而開(kāi)始放樣，進(jìn)行鋼筋的自動(dòng)化加工。系統(tǒng)對(duì)預(yù)制構(gòu)件預(yù)埋件位置進(jìn)行識(shí)別，并將自動(dòng)對(duì)鋼筋及預(yù)埋件位置進(jìn)行區(qū)分，避開(kāi)鋼筋及預(yù)埋件區(qū)域，從而開(kāi)始混凝土的自動(dòng)化布料。預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)品的精確度直接決定了其現(xiàn)場(chǎng)安裝的準(zhǔn)確度，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)常對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行進(jìn)一步深化設(shè)計(jì)工作，其目的是為了保證每個(gè)構(gòu)件到現(xiàn)場(chǎng)都能準(zhǔn)確地安裝，不發(fā)生錯(cuò)漏碰缺。

3.2 模具數(shù)字化設(shè)計(jì)和加工

目前，裝配式建筑的模具是根據(jù)單個(gè)工程設(shè)計(jì)和制造，模具標(biāo)準(zhǔn)化程度低，重復(fù)利用率極低。建立基于標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件庫(kù)的模數(shù)化組合式模具系統(tǒng)和相應(yīng)的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)模具庫(kù)，可大大提高模具重復(fù)使用率和降低工程模具成本。預(yù)制構(gòu)件模具在設(shè)計(jì)階段常根據(jù)構(gòu)件類(lèi)型進(jìn)行模具單元的拆分，采用數(shù)字化設(shè)備對(duì)拆分好的單元進(jìn)行加工生產(chǎn)，保證模具的精確度。在設(shè)計(jì)加工完成后，將模具運(yùn)抵生產(chǎn)企業(yè)，從而對(duì)其進(jìn)行編號(hào)區(qū)分，采用數(shù)字化設(shè)備，根據(jù)構(gòu)件對(duì)應(yīng)編號(hào)吊運(yùn)安裝模具，保證構(gòu)件生產(chǎn)的有序性及合理性。

3.3 預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)

1）構(gòu)件圖紙數(shù)字化轉(zhuǎn)換。數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，由生產(chǎn)企業(yè)翻樣人員根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的構(gòu)件拆分圖紙對(duì)構(gòu)件的預(yù)埋件及平面圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成生產(chǎn)系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別的圖紙并導(dǎo)入生產(chǎn)系統(tǒng)。

2）優(yōu)化布模。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)識(shí)別成功后，為實(shí)現(xiàn)模臺(tái)的最大化利用，提高每批次生產(chǎn)構(gòu)件的數(shù)量，需通過(guò)調(diào)整模臺(tái)邊界尺寸來(lái)優(yōu)化模臺(tái)構(gòu)件布局。

3）縱橫向自行移動(dòng)式清掃畫(huà)線(xiàn)脫模劑噴涂一體化集成裝置對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行接管，移動(dòng)至指定生產(chǎn)模臺(tái)區(qū)域，并對(duì)模臺(tái)進(jìn)行清掃、畫(huà)線(xiàn)、噴灑脫模劑。

4）縱橫向自行移動(dòng)式邊模和鋼筋布置小車(chē)吊運(yùn)模具、鋼筋及預(yù)埋件至指定生產(chǎn)模臺(tái)，對(duì)模具進(jìn)行試拼裝。

5）檢驗(yàn)人員對(duì)試拼好的模具進(jìn)行尺寸驗(yàn)算檢查，鋼筋工按圖紙要求進(jìn)行鋼筋綁扎和預(yù)埋件的安裝，綁扎安裝完成后進(jìn)行隱蔽工程驗(yàn)收。

6）待隱蔽工程驗(yàn)收合格后，給出澆筑指令，使裝載混凝土的魚(yú)雷罐與攪拌樓實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)對(duì)接，然后通過(guò)混凝土輸送軌道將魚(yú)雷罐運(yùn)至指定模臺(tái)與布料機(jī)完成自動(dòng)對(duì)接并卸料。

7）魚(yú)雷罐完成卸料后，混凝土布料機(jī)接收預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化信息，對(duì)模臺(tái)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)布料，布料機(jī)下端有若干卸料口，可根據(jù)構(gòu)件形狀、尺寸和開(kāi)洞情況開(kāi)啟不同卸料口，完成自動(dòng)布料。

8）布料完成，對(duì)布料不均勻區(qū)域進(jìn)行攤平，待單個(gè)模臺(tái)布料完成，啟動(dòng)縱橫向自行移動(dòng)式振動(dòng)側(cè)翻裝置對(duì)模臺(tái)進(jìn)行振搗，混凝土振搗密實(shí)后停止振動(dòng)。

9）依次對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)模臺(tái)進(jìn)行混凝土澆筑，澆筑完成后，用旋翼式抹平裝置對(duì)模臺(tái)預(yù)制構(gòu)件上表面進(jìn)行抹平。

10）抹面完成啟動(dòng)養(yǎng)護(hù)裝置對(duì)模臺(tái)進(jìn)行覆蓋，根據(jù)構(gòu)件形狀、特征進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)。

11）構(gòu)件混凝土經(jīng)養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)起吊強(qiáng)度，應(yīng)用縱橫向自行移動(dòng)式振動(dòng)側(cè)翻裝置對(duì)模臺(tái)上預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行脫模側(cè)翻起吊，進(jìn)行下一循環(huán)生產(chǎn)。

12）構(gòu)件整修及標(biāo)識(shí)。預(yù)制構(gòu)件脫模后，應(yīng)在專(zhuān)門(mén)檢修工位及時(shí)進(jìn)行陳品檢驗(yàn)，對(duì)缺陷部位進(jìn)行修補(bǔ)，并按規(guī)定要求進(jìn)行構(gòu)件標(biāo)識(shí)。

13）構(gòu)件成品檢驗(yàn)。應(yīng)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的外觀質(zhì)量、尺寸偏差、混凝土強(qiáng)度、結(jié)合面、裝飾等各方面進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。

14）構(gòu)件成品堆放。建立與成品堆場(chǎng)相關(guān)聯(lián)的數(shù)字化堆放系統(tǒng)，成品檢驗(yàn)合格后構(gòu)件才可以進(jìn)入成品堆場(chǎng)進(jìn)行堆放，構(gòu)件應(yīng)根據(jù)數(shù)字化堆放系統(tǒng)優(yōu)化布置，按構(gòu)件類(lèi)型、項(xiàng)目分類(lèi)堆放。

15）構(gòu)件運(yùn)輸出廠。構(gòu)件運(yùn)輸應(yīng)根據(jù)構(gòu)件特點(diǎn)和運(yùn)輸工具確定合適的方案，盡量采用平放運(yùn)輸方式?？糠偶?、插放架應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，構(gòu)件經(jīng)檢查驗(yàn)收合格后方可運(yùn)輸出廠[6]。

4 工程應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)

數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)車(chē)間自投產(chǎn)以來(lái)，已完成多個(gè)工程混凝土預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)任務(wù)。相比傳統(tǒng)固定臺(tái)座生產(chǎn)線(xiàn)模式，專(zhuān)有技術(shù)主要有基于平面矩陣式布局的智能化生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)技術(shù)、可側(cè)翻固定模臺(tái)集熱模臺(tái)養(yǎng)護(hù)技術(shù)、可縱橫向自行移動(dòng)的集成化無(wú)線(xiàn)控制關(guān)鍵裝備技術(shù)。

數(shù)字化生產(chǎn)車(chē)間的主要優(yōu)勢(shì)有[7-8]：

1）投資少，生產(chǎn)線(xiàn)相比同規(guī)模的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，初期投資可減少50%以上，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2）可擴(kuò)展性強(qiáng)，生產(chǎn)線(xiàn)可通過(guò)增加模臺(tái)、軌道和裝備等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能擴(kuò)充，多條生產(chǎn)線(xiàn)共用主要關(guān)鍵設(shè)備，產(chǎn)能擴(kuò)充的經(jīng)濟(jì)性明顯。

3）智能化水平高，勞動(dòng)生產(chǎn)率提升，多種智能裝備產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)、操作性好，勞動(dòng)生產(chǎn)率提高30%。

4）適應(yīng)性強(qiáng)，可生產(chǎn)疊合板、墻板、梁、柱等各類(lèi)構(gòu)件。

5）能耗低，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中能耗減少30%。

5 結(jié)語(yǔ)

雙向可擴(kuò)展組合式數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)可通過(guò)僅增加模臺(tái)和軌道等較少投資實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能擴(kuò)充，多條生產(chǎn)線(xiàn)可無(wú)縫銜接，共用主要關(guān)鍵裝備，且關(guān)鍵裝備可靈活組合，產(chǎn)能擴(kuò)充的經(jīng)濟(jì)性明顯?？缮a(chǎn)內(nèi)外墻板、梁、柱等各類(lèi)預(yù)制構(gòu)件，體現(xiàn)了其適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢(shì)。具有顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和推廣價(jià)值，對(duì)推動(dòng)我國(guó)建筑工業(yè)化具有重要意義。