基于智能工廠理念的廠房建筑設(shè)計(jì)探索

劉文靜 陳小麟

摘? 要：本文基于智能工廠的設(shè)計(jì)理念，探析了當(dāng)前智能廠房建筑設(shè)計(jì)存在的主要問題，并結(jié)合具體案例，提出了工業(yè)廠房的建筑設(shè)計(jì)架構(gòu)：BIM數(shù)字信息模型，以期為未來智能工廠廠房建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：智能工廠;工業(yè)廠房;建筑設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP278? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）12-0000-00

0 引言

當(dāng)前針對大數(shù)據(jù)、人工智能、5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等新一輪科技革命的浪潮，德國政府提出了工業(yè)4.0計(jì)劃，中國政府也發(fā)布了中國制造2025戰(zhàn)略。智能工廠是基于工業(yè)4.0概念而提出的，其目的是旨在提升制造業(yè)的智能化水平，同時(shí)也指明了制造工業(yè)的未來發(fā)展方向，即數(shù)據(jù)化、智能化。工業(yè)和信息化部、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于2018年印發(fā)的《國家智能制造體系標(biāo)準(zhǔn)》中，明確了智能工廠的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，其包括智能工廠設(shè)計(jì)、智能工廠建造與交付、智能生產(chǎn)、管理與物流、集成優(yōu)化等組成部分[1]。從個(gè)體企業(yè)規(guī)劃到國家宏觀政策的頂層設(shè)計(jì)，都在強(qiáng)調(diào)智能制造是時(shí)代的內(nèi)在需求。鑒于此，制造工業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施的智能化建設(shè)和發(fā)展，有必要進(jìn)行深入探討。

1 制造工業(yè)廠房設(shè)計(jì)的問題及其發(fā)展方向

相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)前大部分傳統(tǒng)制造業(yè)在工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)的人工作業(yè)向機(jī)械化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變，比如大部分企業(yè)引入了叉車、吊車等機(jī)械化、自動化和部分信息化設(shè)備。但是只有在一些大型和新興高科技企業(yè)中，智能倉儲系統(tǒng)、智能分揀系統(tǒng)和處理系統(tǒng)才得到深度應(yīng)用。目前，很大一部分制造企業(yè)在現(xiàn)有工廠建筑過程中，采用傳統(tǒng)落后的廠房建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的日益滲透和普及，智能工廠是未來制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。但建設(shè)智能工廠要出于企業(yè)自身生產(chǎn)的需要，也需結(jié)合產(chǎn)品生產(chǎn)工序特點(diǎn)。值得注意的是，智能工廠目前并沒有一個(gè)明確的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為了更加明確探討智能工廠的問題，我們綜合現(xiàn)有理論和實(shí)踐成果，提出了一種智能工廠的基本架構(gòu)圖，如圖1所示。

2 智能工廠建設(shè)的技術(shù)路線

智能工廠的基礎(chǔ)是數(shù)字化工廠，即實(shí)現(xiàn)所有工廠信息的自動采集。智能工廠的信息化系統(tǒng)建設(shè)，是從數(shù)字化建模開始的，等到廠房建造完成、生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)線的安裝完成后，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和信息化平臺部署與調(diào)試，在實(shí)際運(yùn)營中再不斷的優(yōu)化，從而達(dá)到最優(yōu)效果。其中數(shù)字化建模是智能工廠建設(shè)的基礎(chǔ)，從原料到產(chǎn)品是企業(yè)生產(chǎn)的核心，智能工廠的數(shù)字化建模就是將生產(chǎn)的全過程虛擬化。比如，在實(shí)際的電池工廠項(xiàng)目中可以應(yīng)用仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將生產(chǎn)全過程都納入虛擬生產(chǎn)活動場景中，并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)等，對電池生產(chǎn)的所有工序工段進(jìn)行進(jìn)一步分析與優(yōu)化。

數(shù)字化建模主要包含三部分：三維工廠建模、智能設(shè)備模型、工藝仿真[2]。在三維工廠建模中，我們所使用的數(shù)字化BIM技術(shù)，全稱為建筑信息模型，其在建筑領(lǐng)域是一種新興工具。BIM技術(shù)的價(jià)值在于信息的解構(gòu)、結(jié)合與高效利用[3]，BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)可視化、增強(qiáng)文檔、沖突、干擾和碰撞檢測、建筑物性能和結(jié)構(gòu)分析、代碼審查、施工順序、預(yù)制和自動組裝、成本估算和設(shè)施管理等功能。在實(shí)際應(yīng)用中，BIM技術(shù)能創(chuàng)建智能化廠房的數(shù)字信息，用于采集有關(guān)設(shè)備設(shè)施的資訊，從而形成可靠的決策基礎(chǔ)。比如在電池工廠實(shí)際項(xiàng)目中，BIM技術(shù)可以將建筑圖紙可視化，并在設(shè)計(jì)過程中檢查并提示出水電暖各專業(yè)間管道及設(shè)備的沖突和干擾，再進(jìn)一步，可以分析建筑采光、保溫性能，給出建筑節(jié)能與綠色建筑設(shè)計(jì)參數(shù)，在施工階段，也能在現(xiàn)場管理上提供指導(dǎo)。

3 新能源智能網(wǎng)聯(lián)科技園鋰電池及其配套工程項(xiàng)目案例分析

（1）項(xiàng)目概況：本項(xiàng)目建設(shè)地處長沙市高新區(qū)，項(xiàng)目規(guī)劃有效用地面積283622.70㎡。鋰電池生產(chǎn)區(qū)建設(shè)內(nèi)容主要包括：新建中小模組和PACK廠房、模組成品庫、維修間及售后服務(wù)、食堂、地下車庫、電池包成品庫、垃圾分類站、電芯立體庫、公用站房、電芯生產(chǎn)聯(lián)合廠房、固廢間、廢電芯處理＼電解液倉庫、變電站等。電芯生產(chǎn)聯(lián)合廠房位于園區(qū)南側(cè)，共4層，建筑高度23.7m，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)危險(xiǎn)性類別為丙類2項(xiàng)，廠房建筑耐火等級為一級;設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度六度，屋面防水等級為一級。廠房長264m，寬147m，建筑面積為122961.1㎡。

（2）智能化工藝流程分析和建筑設(shè)計(jì)對策。本次設(shè)計(jì)新建的電芯生產(chǎn)聯(lián)合廠房遵循統(tǒng)一規(guī)劃的原則。車間主要承擔(dān)對生產(chǎn)綱領(lǐng)中80億動力鋰電池正負(fù)極配料、涂布、輥壓、烘烤、疊片、注液、化成、分容、靜置、分檔的整套生產(chǎn)工序。根據(jù)電池車間的工藝要求，對廠房內(nèi)的生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行合理規(guī)劃布局，綜合考慮其整體功能，力求物流和工藝流程順暢合理，便于生產(chǎn)組織，使車間面積得到合理利用。基于此，首層由南向北布置原材料立體倉庫→勻漿→涂布→輥壓、分切→裝配工段（采用全自動疊片和焊接）→二層布置接觸式烘箱、注液、化成→三層布置抽真空分容、靜置、OCV 測試及分檔→電芯立體庫房。

電芯生產(chǎn)聯(lián)合廠房采用自動化的生產(chǎn)工藝，最大限度地減少中間物流周轉(zhuǎn)，縮短工件的制造周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。工藝設(shè)備的選擇考慮與生產(chǎn)綱領(lǐng)相匹配，關(guān)鍵設(shè)備采用國際先進(jìn)裝備。廠房工藝布置按整體物流和生產(chǎn)工序聯(lián)系的緊密性進(jìn)行布置，對相近工序相對集中布置，盡可能減少物料的周轉(zhuǎn)搬運(yùn)。并依據(jù)廠房生產(chǎn)工藝路線，采用AGV小車轉(zhuǎn)運(yùn)配送。

智能化建筑設(shè)計(jì)對策：通過BIM技術(shù)設(shè)計(jì)，電池廠房可在三維數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，將廠房運(yùn)營期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，將工廠全生命周期管理數(shù)據(jù)在三維場景上進(jìn)行不同維度的展示，實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)工藝、設(shè)備運(yùn)營管理、智慧園區(qū)建設(shè)的全方位數(shù)字化和可視化建設(shè)。在工業(yè)廠房建設(shè)過程中，常有許多專業(yè)管線碰撞情況，且設(shè)備安裝復(fù)雜，我們可以通過采用BIM技術(shù)改善廠房建設(shè)過程，還可以探索其決策的替代方法。BIM技術(shù)也可以幫助提升建筑室內(nèi)環(huán)境，改善企業(yè)員工工作狀態(tài)。比如在廠房設(shè)計(jì)初期對廠房輔助辦公區(qū)域進(jìn)行建筑采光分析，能達(dá)到優(yōu)化工作環(huán)境的目的。而對高溫設(shè)備區(qū)域工位通風(fēng)環(huán)境檢測，也能適當(dāng)?shù)奶嵘と说氖孢m感。電池廠房許多工段都有潔凈需求，BIM技術(shù)也可幫助實(shí)現(xiàn)不同等級的潔凈度。這些通常都需要我們在設(shè)計(jì)方案之初做出判斷。另外我們可以使用BIM技術(shù)對建筑能耗進(jìn)行評估，以識別關(guān)鍵變量并優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。通過BIM建模，電池廠房也能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)場景的數(shù)字化建設(shè)。車間大型生產(chǎn)設(shè)備比如涂布機(jī)、廠房的整體建筑結(jié)構(gòu)、各專業(yè)管線、設(shè)備及儀表等，都可以充分展示在該數(shù)字模型中。通過數(shù)據(jù)集成，首先三維場景結(jié)合廠房內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以形成一個(gè)良好的展示，既可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理的監(jiān)察，也可以適當(dāng)展示給客戶，并在后續(xù)生產(chǎn)計(jì)劃制定和修改中，做到實(shí)時(shí)更新和即時(shí)反饋，對于企業(yè)生產(chǎn)效率的提升有很大幫助。

4 結(jié)語

總之，以智能化帶動產(chǎn)業(yè)的改造升級，在很大程度上能提升企業(yè)的市場競爭力。智能工廠為企業(yè)提供了更為專業(yè)化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的生產(chǎn)平臺，實(shí)現(xiàn)了資源共享，有效節(jié)約了資源，降低成本，提升效率，促進(jìn)了企業(yè)快速可持續(xù)發(fā)展和跨越式發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2020-11-03

作者簡介：劉文靜（1987—），女，湖南長沙人，碩士研究生，工程師，研究方向：建筑設(shè)計(jì)及其理論研究。