基于數(shù)字孿生的裝配式建筑中預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)加工一體化的思考

陳希

摘 要：? 目前裝配式建筑存在著部分問(wèn)題，表現(xiàn)為預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)生產(chǎn)缺乏協(xié)同機(jī)制導(dǎo)致的成本較高與工廠生產(chǎn)安排效率較低。針對(duì)裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件高成本問(wèn)題，提出基于數(shù)字孿生的預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)-加工一體化生產(chǎn)模式，旨在通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的構(gòu)件設(shè)計(jì)和智能高效的生產(chǎn)安排，同時(shí)建立起全過(guò)程信息化管理。

關(guān)鍵詞：? 數(shù)字孿生;裝配式建筑;深化設(shè)計(jì);生產(chǎn)管控

【中圖分類號(hào)】TH166? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A? ? ?【文章編號(hào)】1674-3733（2020）06-0110-01

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建筑業(yè)也逐步向工業(yè)化和信息化發(fā)展。如今，具有質(zhì)量高、工期短、消耗少等優(yōu)點(diǎn)的裝配式建筑得到人們?cè)絹?lái)越多的重視。在大力推廣裝配式建筑發(fā)展的過(guò)程中，其高成本成為了制約其發(fā)展的重要因素。目前構(gòu)件制造全過(guò)程缺乏信息協(xié)同，構(gòu)件規(guī)格不統(tǒng)一，生產(chǎn)難度大，材料、運(yùn)輸?shù)确矫婀芾砝щy，制造成本增高。而要解決這些問(wèn)題，則需建立高效協(xié)調(diào)的全過(guò)程信息化管理。

現(xiàn)提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)-加工一體化生產(chǎn)模式，通過(guò)建立產(chǎn)品全過(guò)程的信息模型，并模擬工廠生產(chǎn)過(guò)程，有效解決設(shè)計(jì)與生產(chǎn)間存在的溝通壁壘，從而為構(gòu)件由設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工到后期運(yùn)維提供信息服務(wù)，。

1 數(shù)字孿生的概念與發(fā)展

2003年，Grieves教授在美國(guó)密歇根大學(xué)產(chǎn)品全過(guò)程課程上提出數(shù)字孿生這一概念，將其定義為包括實(shí)體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品及兩者之間連接的三維模型。隨著這項(xiàng)技術(shù)的研究深入，數(shù)字化與信息化的高速發(fā)展，數(shù)字孿生也有了更廣泛的定義。目前，數(shù)字孿生技術(shù)是指利用信息技術(shù)對(duì)實(shí)體對(duì)象的各種性能、行為和運(yùn)行的規(guī)則等進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)和建模的方法。

相較于BIM技術(shù)，數(shù)字孿生更為智能。除可視化數(shù)字模型外，其依托實(shí)體產(chǎn)品建立虛擬模型，具有實(shí)體產(chǎn)品的規(guī)則和要素，可對(duì)實(shí)體進(jìn)行檢測(cè)、診斷，在云端實(shí)時(shí)模擬反應(yīng)實(shí)體狀態(tài)。同時(shí)。其強(qiáng)調(diào)通過(guò)虛擬與實(shí)體的信息交互，反饋實(shí)物各方面狀態(tài)和預(yù)測(cè)其后期運(yùn)行情況，更具多維性、實(shí)時(shí)性和智能性。

基于上述對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的簡(jiǎn)述，本文進(jìn)一步探討數(shù)字孿生技術(shù)在裝配式建筑預(yù)制混凝土構(gòu)件深化設(shè)計(jì)和工廠生產(chǎn)成本管理兩個(gè)方面的應(yīng)用。

2 基于數(shù)字孿生的預(yù)制構(gòu)件全過(guò)程信息管理

2.1 深化設(shè)計(jì)階段

在深化設(shè)計(jì)階段中，傳統(tǒng)模式存在構(gòu)件碰撞問(wèn)題。目前可通過(guò)BIM為多方設(shè)計(jì)提供一體化平臺(tái)，進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)和碰撞檢測(cè)。但在構(gòu)件規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化和數(shù)模化等方面仍待完善。

數(shù)字孿生虛擬模型可基于BIM系統(tǒng)建立，載入構(gòu)件裝配結(jié)構(gòu)、幾何信息和施工工藝等信息以滿足設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和裝配流程構(gòu)件信息管理一體化。模型中參數(shù)的錄入尤為重要，數(shù)字模型仿真性基于全面可靠的構(gòu)件信息，越是精確有效的信息錄入，越能夠提高模型的仿真度，更為接下來(lái)構(gòu)件的校核、工廠生產(chǎn)流程安排和裝配施工現(xiàn)場(chǎng)管理提供基礎(chǔ)信息。

此外，虛擬系統(tǒng)基于工廠制造和建設(shè)項(xiàng)目的大量歷史數(shù)據(jù)創(chuàng)建程序，對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)的構(gòu)件進(jìn)行相近規(guī)格的替代套用，統(tǒng)一優(yōu)化構(gòu)件規(guī)格，盡可能減小特殊規(guī)格構(gòu)件的比例，滿足工廠進(jìn)行大量模板的生產(chǎn)需求，提高構(gòu)件生產(chǎn)效率的同時(shí)降低模板成本。完成構(gòu)件規(guī)格替代后，系統(tǒng)對(duì)于優(yōu)化后構(gòu)件的適配性進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)具有偏差過(guò)大或承載力不足等問(wèn)題的構(gòu)件進(jìn)行反復(fù)修正，循環(huán)優(yōu)化。在此環(huán)節(jié)可設(shè)計(jì)人員也可手動(dòng)調(diào)整構(gòu)件規(guī)格，將本次人工修改后的信息輸入程序，使孿生系統(tǒng)的自動(dòng)程序不斷學(xué)習(xí)改正以后期完善。

2.2 構(gòu)件加工階段

工廠端，對(duì)于構(gòu)件制造方面存在的生產(chǎn)成本較高效率較低等問(wèn)題，建立數(shù)字孿生系統(tǒng)，包含實(shí)體對(duì)象和虛擬模型以及兩者之間的交互信息三個(gè)層面。根據(jù)工廠實(shí)際環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)和構(gòu)件生產(chǎn)流程要素建立起生產(chǎn)車間虛擬數(shù)字孿生模型，對(duì)構(gòu)件生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行設(shè)計(jì)、監(jiān)控與優(yōu)化。

（1）實(shí)體對(duì)象為工廠實(shí)際生產(chǎn)車間和產(chǎn)品鏈。主要通過(guò)傳感器、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（等智能感知與定位技術(shù)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境人、機(jī)、物、環(huán)境等全要素多源異構(gòu)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)感知和監(jiān)控。

（2）虛擬模型為虛擬數(shù)字孿生車間，其重點(diǎn)在于構(gòu)建車間運(yùn)行的行為與規(guī)則。根據(jù)嗎物理對(duì)象層的接收信息，基于工廠生產(chǎn)歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)、各個(gè)構(gòu)件生產(chǎn)步驟和各工藝生產(chǎn)方式等信息，建立能夠模擬車間規(guī)則、運(yùn)行和驅(qū)動(dòng)的孿生模型，如樓板的流水線工藝施工流程;工廠實(shí)際場(chǎng)地面積與分區(qū);機(jī)械、材料堆放位置。

（3）信息交互層則連接實(shí)體對(duì)象與虛擬模型。將實(shí)體對(duì)象檢測(cè)信息輸入孿生模型，再反饋孿生模型推演結(jié)果以指導(dǎo)生產(chǎn)。建立起全面的孿生系統(tǒng)后，對(duì)構(gòu)件生產(chǎn)安排分為初步設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)優(yōu)化兩階段。

第一階段，初步設(shè)計(jì)。系統(tǒng)接收生產(chǎn)任務(wù)，根據(jù)上游構(gòu)件設(shè)計(jì)階段完成的構(gòu)件信息結(jié)合工廠實(shí)時(shí)狀況，包括設(shè)備類型和產(chǎn)能等因素對(duì)構(gòu)件生產(chǎn)安排進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。而后，管理人員依據(jù)工廠機(jī)器、物料等要素的實(shí)際數(shù)量向虛擬模型反饋實(shí)際數(shù)據(jù)，模型接收相關(guān)數(shù)據(jù)并對(duì)相應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行再一次修正，完善生產(chǎn)流程安排。

第二階段，實(shí)時(shí)優(yōu)化。構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)傳感器等設(shè)備監(jiān)測(cè)各機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境等外部狀態(tài)，將監(jiān)測(cè)信息同步輸入孿生數(shù)字模型，達(dá)到車間運(yùn)行狀況的動(dòng)態(tài)模擬。同時(shí)監(jiān)測(cè)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)產(chǎn)量和效率，再通過(guò)管理人員手動(dòng)調(diào)整物料使用情況、產(chǎn)出等生產(chǎn)進(jìn)度，使虛擬孿生數(shù)字生車間實(shí)時(shí)模擬出車間產(chǎn)量和生產(chǎn)能力。結(jié)合機(jī)器運(yùn)行狀況和各項(xiàng)物料的使用、運(yùn)輸和堆放情況，并根據(jù)實(shí)際車間的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)，以及對(duì)各項(xiàng)生產(chǎn)安排進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。預(yù)測(cè)與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的要點(diǎn)是對(duì)于車間生產(chǎn)狀況的高度仿真以及結(jié)合大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

結(jié)束語(yǔ)：探索數(shù)字孿生技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)-生產(chǎn)一體化的應(yīng)用，有望解決預(yù)制構(gòu)件高成本問(wèn)題，推動(dòng)裝配式建筑加速發(fā)展。本文提出針對(duì)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)-加工一體化的數(shù)字孿生系統(tǒng)的概念，系統(tǒng)建立需要基于大量數(shù)據(jù)的收集與處理，同時(shí)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息與虛擬模型結(jié)合也需要更加深入研究來(lái)解決。

參考文獻(xiàn)

[1] 申金山，華元璞，袁鳴.裝配式建筑精益成本管理研究[J].建筑經(jīng)濟(jì)，2019（3）：45-49.

[2] APRISO.Digital twin：Manufacturing excellence through virtual factory replication[EB/OL].（2014-05-06）.