裝配式建筑生產(chǎn)的仿真優(yōu)化研究

彭金睿 俞海宏* 謝旦嵐 梅 歡 傅澤凱

1(寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院 浙江 寧波 315211) 2(大連東軟信息學(xué)院 遼寧 大連 116023)

0 引 言

裝配式建筑是指通過預(yù)制的構(gòu)件在施工現(xiàn)場(chǎng)裝配而成的建筑，其各個(gè)部分都是在工廠內(nèi)預(yù)先生產(chǎn)，根據(jù)施工進(jìn)度，安排預(yù)制構(gòu)建運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。與傳統(tǒng)的“現(xiàn)澆式”建筑模式相比較，裝配式建筑具有環(huán)境友好、節(jié)約人工成本、安全、對(duì)周圍居民影響小、縮短工期、質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。然而，當(dāng)前國(guó)內(nèi)裝配式建筑的產(chǎn)能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上市場(chǎng)需求，除了相應(yīng)的預(yù)制PC板供應(yīng)商不足之外，由于其體積大、占用存儲(chǔ)空間大等因素導(dǎo)致庫(kù)存容量少。而目前現(xiàn)有的預(yù)制PC板生產(chǎn)線還遠(yuǎn)未成熟，線邊生產(chǎn)效率低，在工期緊湊時(shí)，線邊生產(chǎn)產(chǎn)量不能夠滿足建筑需求，進(jìn)而影響整個(gè)工程的施工進(jìn)程，阻礙裝配式建筑的發(fā)展。

計(jì)算機(jī)仿真是運(yùn)用在工廠生產(chǎn)戰(zhàn)略和運(yùn)作性決策的一種較為成熟的分析方法，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在降低運(yùn)作成本、縮短開發(fā)周期、提供有效數(shù)據(jù)方面有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。雖然在工廠建設(shè)生產(chǎn)等領(lǐng)域內(nèi)，仿真通常用于系統(tǒng)的規(guī)劃和績(jī)效評(píng)估，但其對(duì)復(fù)雜因素考慮的全面性是使其適宜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的重要因素[1]。建立工廠生產(chǎn)仿真模型能夠?qū)?shù)學(xué)推導(dǎo)求解過程中通過假設(shè)而忽略的，但實(shí)際仍對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生可觀影響的大量隨機(jī)因素融入仿真運(yùn)行過程，對(duì)復(fù)雜的離散系統(tǒng)進(jìn)行直觀的描述[2]。嘗試將優(yōu)化技術(shù)嵌入仿真過程中，以便在仿真環(huán)境下使輸出不斷得到相應(yīng)的改進(jìn)，非枚舉地從大量約束條件內(nèi)搜尋最佳輸入，直到輸出結(jié)果滿足生產(chǎn)需求。仿真在實(shí)現(xiàn)過程中獲得的信息與其他方式相比較是最多的，耗用的資源相對(duì)最少，改動(dòng)的方式也是最為便捷的，非常適宜多種隨機(jī)因素相關(guān)聯(lián)的工廠生產(chǎn)產(chǎn)能及效率的研究。

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某大型裝配式建筑構(gòu)件供應(yīng)企業(yè)的整體運(yùn)作情況進(jìn)行調(diào)研，應(yīng)用仿真方法研究其生產(chǎn)流程中所存在的瓶頸問題，并對(duì)相關(guān)問題提出相應(yīng)的優(yōu)化方案[3]，分析仿真數(shù)據(jù)，驗(yàn)證仿真方案的可行性[4]。

1 項(xiàng)目概況及生產(chǎn)分析

1.1 項(xiàng)目基本概況

工廠預(yù)制PC板共有5條生產(chǎn)線，其中2條生產(chǎn)外墻板，2條生產(chǎn)樓板，1條生產(chǎn)內(nèi)墻板，每條產(chǎn)線所使用的主要設(shè)備基本一致。生產(chǎn)線設(shè)備有：布料機(jī)、液壓振動(dòng)臺(tái)、翻轉(zhuǎn)臺(tái)、液壓橫移車、鋼平臺(tái)小車、鋼軌輪流水線、養(yǎng)護(hù)窯、綜合運(yùn)輸車(墻板樓板運(yùn)輸車)、其他電控系統(tǒng)等；起重運(yùn)輸設(shè)備有：50T整體裝車起重機(jī)、50T龍門起重機(jī)、混凝土運(yùn)輸小車等；半成品加工設(shè)備有：混凝土攪拌站、數(shù)控鋼筋液壓剪切生產(chǎn)線、雙向移動(dòng)斜臺(tái)式彎曲中心、數(shù)控鋼筋調(diào)值切斷機(jī)、數(shù)控鋼筋彎曲機(jī)等。

1.2 仿真目標(biāo)

(1) 發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線瓶頸工序。

(2) 生產(chǎn)線產(chǎn)能優(yōu)化。

1.3 資料收集

(1) 流程運(yùn)作。標(biāo)準(zhǔn)PC板生產(chǎn)工藝的邏輯運(yùn)作流程如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)PC工藝生產(chǎn)流程

成品入庫(kù)流程：成品PC板完成脫模之后會(huì)先由脫模行車將其堆積在中轉(zhuǎn)的運(yùn)輸架上，等待累積到一定數(shù)量(15～20塊)之后，由綜合運(yùn)輸車將滿載PC板的運(yùn)輸架(滿架)運(yùn)送到中轉(zhuǎn)區(qū)的綜合工位架上，并由成品區(qū)行車運(yùn)送至成品存放區(qū)。

空架入庫(kù)和成品出庫(kù)流程：載有空運(yùn)輸架(空架)的運(yùn)輸卡車倒車進(jìn)入指定產(chǎn)線的成品庫(kù)，由成品區(qū)行車先將空架卸載至成品庫(kù)區(qū)，然后將本次出庫(kù)的成品吊裝至運(yùn)輸卡車上(有時(shí)需要經(jīng)過挑選，此過程缺乏足夠數(shù)據(jù)支持在本次仿真流程中暫時(shí)忽略)，運(yùn)輸卡車完成裝貨駛離工廠。

成品儲(chǔ)存運(yùn)輸架的循環(huán)補(bǔ)充流程：綜合運(yùn)輸車卸下滿架成品之后，會(huì)從中轉(zhuǎn)區(qū)的綜合工位架上載運(yùn)一個(gè)空架，送回脫模工位邊上以備下次裝運(yùn)；而成品庫(kù)行車將滿架送入成品庫(kù)區(qū)域之后，也會(huì)從成品庫(kù)區(qū)域載運(yùn)一個(gè)空架補(bǔ)充到綜合工位架上，以此實(shí)現(xiàn)PC板運(yùn)輸架的循環(huán)使用。

當(dāng)前產(chǎn)線流程除了混凝土澆搗之外，其他工序的線邊實(shí)行開工前準(zhǔn)備完當(dāng)日所需的所有原料，生產(chǎn)過程中很少進(jìn)行補(bǔ)料，因此仿真過程中默認(rèn)線邊原料無限供應(yīng)[5]。

(2) 相關(guān)參數(shù)(見表1)。

所有物流設(shè)備的運(yùn)作速度都是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的，并非來源于設(shè)備技術(shù)參數(shù)，可能有部分偏差。

每一種混凝土的攪拌時(shí)間設(shè)定不一樣，使用的水泥、粉煤灰減水劑和氣溫也不一樣，因此凝結(jié)時(shí)間也略有不同，基本服從初凝時(shí)間為2～3小時(shí)，終凝時(shí)間為6～8小時(shí)。

1.4 模型建立及有效性驗(yàn)證

1.4.1建立仿真模型

為了更真實(shí)地模擬生產(chǎn)過程，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)、流程圖，以及導(dǎo)入的3D模型，在FlexSim 18.0.8中建立模型，具體流程如下：

(1) 使用3DSMax軟件將模型導(dǎo)為.3ds格式文件。

(2) 根據(jù)需要，拖出相應(yīng)的實(shí)體，將其導(dǎo)入三維模型，并且把臨時(shí)實(shí)體導(dǎo)入到FlexSim軟件中，建立新的用戶庫(kù)，從而可以減少導(dǎo)入相同實(shí)體模型時(shí)的重復(fù)工作。

(3) 將生產(chǎn)線的CAD布局圖以模型背景的形式導(dǎo)入到FlexSim中，從建立好的用戶庫(kù)中拖出所需的實(shí)體模型，并且按照布局圖中相應(yīng)位置進(jìn)行放置，并對(duì)所建立的模型中的各個(gè)實(shí)體建立關(guān)系連線以及進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，最后把CAD模型背景以及實(shí)體間的連線等隱藏。模型展示效果如圖2所示。

圖2 仿真效果圖

1.4.2驗(yàn)證模型有效性

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)行3天后，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，通過結(jié)果輸出，麓谷二期每小時(shí)產(chǎn)量約為4塊，年產(chǎn)能約為150萬m2。八小時(shí)人均效率約為：18 m2，符合實(shí)際生產(chǎn)情況，模型適用性較強(qiáng)[6]，可以用來模擬實(shí)際生產(chǎn)過程。

1.5 仿真分析

模型校驗(yàn)完成后開始運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮?天后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，為了確保績(jī)效結(jié)果，確定仿真時(shí)間為12天(1 036 800 s)。通過對(duì)模型運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)流程運(yùn)作中的瓶頸工位[7]。

各工位耗用時(shí)間如圖3所示。在裝鋼筋籠和脫模吊裝入庫(kù)環(huán)節(jié)耗用時(shí)間長(zhǎng)，使得該工序的前置工序堵塞情況嚴(yán)重，造成整條生產(chǎn)線出現(xiàn)總體產(chǎn)能降低，部分設(shè)備利用率低，關(guān)鍵物流設(shè)備的利用效率低等情況[8]。因此，在整個(gè)生產(chǎn)流程過程中，瓶頸工位在裝鋼筋籠和脫模吊裝入庫(kù)環(huán)節(jié)。

圖3 各工位耗用時(shí)間

2 仿真優(yōu)化

2.1 生產(chǎn)線瓶頸優(yōu)化方案

由1.5節(jié)仿真分析可知，在生產(chǎn)流程中的瓶頸工位在裝鋼筋籠和脫模吊裝入庫(kù)環(huán)節(jié)。因此，為了提高整條生產(chǎn)線的總體產(chǎn)能，降低生產(chǎn)過程中的堵塞現(xiàn)象，提高部分設(shè)備以及關(guān)鍵物流設(shè)備的利用率， 有針對(duì)性地提出三套優(yōu)化方案。

方案一在裝鋼筋籠工位增加工作人員數(shù)量，由原來的2名工作人員增加到4名工作人員，從而縮短該工位的耗時(shí)。

方案二將裝鋼筋籠工位的部分工序分?jǐn)偟胶罄m(xù)的裝模工位和底層置筋工位上。由圖3所示，在裝鋼筋籠工位的后續(xù)2個(gè)工位，即裝模工位和底層置筋工位耗時(shí)較少。因此，將裝鋼筋籠工位的部分工序分?jǐn)偟胶罄m(xù)的裝模工位和底層置筋工位，這樣，3個(gè)工位的耗時(shí)就由原來的裝鋼筋籠工位45分鐘、裝模工位21分鐘、底層置筋工位15分鐘，平衡為三個(gè)工位各耗時(shí)27分鐘。

方案三在方案二的基礎(chǔ)上，對(duì)脫模吊裝入庫(kù)工位進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)脫模工位上清理作業(yè)墻板的作業(yè)手法，增加工作人員。方案二中，裝鋼筋籠工位的部分工序分?jǐn)偨o后續(xù)2個(gè)工位之后，各工位的利用率都有所提高，堵塞時(shí)間減少，但在脫模吊裝入庫(kù)工位仍有大部分時(shí)間處于堵塞狀態(tài)，且利用率一直都沒有提高，而且根據(jù)前面所述，脫模吊裝入庫(kù)也是瓶頸之一，制約著生產(chǎn)。因此，在方案二的基礎(chǔ)上對(duì)脫模吊裝入庫(kù)工位進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)脫模工位上清理作業(yè)墻板的作業(yè)手法，增加工作人員，使得脫模吊裝入庫(kù)工位耗時(shí)由原來的34分鐘，縮短至20分鐘左右。

在各個(gè)方案的模擬運(yùn)行中，充分考慮隨機(jī)因素的影響，對(duì)于每一個(gè)變量方案運(yùn)行100次，能夠有效確保運(yùn)行所得數(shù)據(jù)的合理性，防止偶然事件的發(fā)生。

2.2 優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了比較三套方案優(yōu)化效果，以關(guān)鍵工位利用率、月均產(chǎn)量和人均效率為優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過對(duì)三個(gè)優(yōu)化指標(biāo)的數(shù)據(jù)分析比較，選取三套方案中的最佳優(yōu)化方案。

2.2.1關(guān)鍵工位利用率

方案一在裝鋼筋籠工位利用率由改善前的95.3%下降到54.6%，主要是因?yàn)槿藛T增加后，工位加工時(shí)間下降，與前后工序加工時(shí)間基本持平，當(dāng)構(gòu)件到達(dá)之后，不會(huì)因加工時(shí)間過長(zhǎng)而產(chǎn)生擁堵，裝鋼筋籠工位也就不用一直處于加工狀態(tài)；涂脫模油工位在利用率方面基本沒有什么變化，但是在這個(gè)工位的擁堵情況得到很大改善，由原來的近75%的擁堵驟降為零，大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，原因在于裝鋼筋籠工作時(shí)間下降后，構(gòu)件加工過程流暢，也就不會(huì)產(chǎn)生擁堵情況了；得到同樣改善的還有脫模工位，利用率雖然沒有變化，但堵塞情況得到較大改善，由改善前一半以上的時(shí)間處于堵塞狀態(tài)，變?yōu)槎氯麜r(shí)間減少，等待時(shí)間加長(zhǎng)；水電預(yù)埋和底層置筋兩個(gè)工位的利用率也有所提高，但提高較小，主要是因?yàn)檫@兩道工序處于裝鋼筋籠工序的后續(xù)工序，受影響不大。

方案二在裝鋼筋籠工位由原來的高達(dá)95.3%的利用率下降到60.8%，其余時(shí)間都處于閑置狀態(tài)，主要是因?yàn)楣ば蚍謹(jǐn)傊?，?gòu)件在裝鋼筋籠工位的加工時(shí)間下降到27分鐘，與前置工序耗時(shí)基本持平，構(gòu)件在加工過程中比較順暢，不會(huì)在裝鋼筋籠工位集中，因此，該工位的利用率能夠大幅度下降。涂脫模油工位的堵塞情況也得到很大改善，由原來的近75%的堵塞時(shí)間下降到5%左右，主要是后面的裝鋼筋籠工位加工順暢，因此作為前置工序，不會(huì)產(chǎn)生擁堵情況，構(gòu)件能夠順暢加工。底層置筋工位的利用率也由改善之前的15.9%提升到30.4%，效率翻倍，部分原因在于該工位分?jǐn)偭搜b鋼筋籠的部分工序，工位的加工時(shí)間變長(zhǎng)，利用率自然也就得到提升了。另一方面，構(gòu)件再生產(chǎn)過程中堵塞情況得到很大改善，能夠流暢生產(chǎn)，因此，單位時(shí)間內(nèi)加工處理的構(gòu)建數(shù)量增多，工位利用率也就隨之提升，這也是水電預(yù)埋工位利用率提升的主要原因，由改善前的24.3%的利用率提升到30.4%。同樣地，脫模工位的堵塞情況得到很大改善，由原來的一半以上的時(shí)間處于堵塞狀態(tài)改善為等待狀態(tài)。

方案三雖然對(duì)脫模吊裝入庫(kù)工位進(jìn)行了改進(jìn)，使得整個(gè)生產(chǎn)流程更加順暢，加快了構(gòu)件的生產(chǎn)效率，但各工位的利用率情況依然與方案二相同。關(guān)鍵工位利用率對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 關(guān)鍵工位利用率對(duì)比

2.2.2月均產(chǎn)量

方案一月均產(chǎn)量由改善前的1 580塊/月增加到1 650塊/月，增加數(shù)量并不理想，主要是因?yàn)檠b鋼筋籠工位增加工作人員之后，雖然該工位利用率降低，前后工序的堵塞情況改善，但其他工位的利用率改善情況不大，利用率提高很少，大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，因而，整條產(chǎn)線的產(chǎn)量增加數(shù)量很小。

方案二月均產(chǎn)量由原來的1 580塊/月，增加到1 660塊/月，數(shù)量有所增加，原因在于裝鋼筋籠工位部分工序分?jǐn)傊?，生產(chǎn)過程中其前置工位堵塞情況有所改善，生產(chǎn)過程較改善前更為順暢，產(chǎn)量自然也就能夠增加；然而，每月增加80塊，效果并不是很明顯，這與后面的另外一個(gè)瓶頸工序有關(guān)，脫模吊裝入庫(kù)工序沒有得到改善，依然制約著整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)。

由于方案三脫模吊裝入庫(kù)環(huán)節(jié)的改善，使得整體生產(chǎn)比方案二更加流暢，在產(chǎn)量方面自然也就會(huì)增加，而且增加效果明顯，由原來的1 580塊/月，增加到2 600塊/月，能夠有效提高預(yù)制PC板的產(chǎn)量。月均產(chǎn)量對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 月均產(chǎn)量對(duì)比

2.2.3人均效率

方案一人均效率非但沒有提高，反而有所下降，由原來的16.8塊/8 h，下降到16塊/8 h。究其原因，人均效率在計(jì)算時(shí)與月均產(chǎn)量和工作人員數(shù)量相關(guān)。人均效率等于8 h內(nèi)生產(chǎn)總量除以工作人員數(shù)量，月均產(chǎn)量基本沒有提高，再平均分配到每天的生產(chǎn)數(shù)量基本與改善之前基本沒有差別。但工作人員增加了，人均效率也就降低了。

方案二由改善前的16.8塊/8 h，提升到改善后的18.1塊/8 h，月均產(chǎn)量增加了，而工人數(shù)量沒有增加，相應(yīng)的人均效率也隨之提升。然而提升的效果并不明顯，與月均產(chǎn)量相關(guān)。

方案三由于月均產(chǎn)量得到了很大的提升，在人均效率上也會(huì)相應(yīng)地得到很大的提升，由原來的16.8塊/8 h提升到24塊/8 h。

圖6 每8小時(shí)人均產(chǎn)量對(duì)比

2.3 方案對(duì)比選取

對(duì)于方案一，通過改變作業(yè)人數(shù)來降低工位作業(yè)時(shí)間，能夠有效地解決工位堵塞。但人數(shù)的增加導(dǎo)致人均效率降低，且月均產(chǎn)量提高不明顯。

對(duì)于方案二，瓶頸工位將部分工序分?jǐn)偨o后續(xù)工位之后，優(yōu)化了作業(yè)流程設(shè)計(jì)，達(dá)到生產(chǎn)線平衡，工位堵塞現(xiàn)象得到了改善，人均效率也得到了提高。而月均產(chǎn)量雖然有所提高，但提高有些緩慢。

對(duì)于方案三，在方案二的基礎(chǔ)上，同時(shí)對(duì)兩個(gè)瓶頸工位進(jìn)行改善，使得產(chǎn)量和人均效率得到大幅度的提升。但是由于工位作業(yè)時(shí)間相差較大，在脫模吊裝入庫(kù)工位仍有堵塞情況，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

根據(jù)關(guān)鍵工位利用率、月均產(chǎn)量和人均效率評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)三套方案進(jìn)行對(duì)比，方案三能夠有效提高預(yù)制PC板產(chǎn)線產(chǎn)量，提高產(chǎn)線生產(chǎn)效率。因此，選取方案三作為該模型的最終優(yōu)化方案。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過FlexSim仿真軟件，對(duì)預(yù)制PC板工廠生產(chǎn)線進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)其生產(chǎn)流程中的瓶頸工位，然后根據(jù)存在的瓶頸工位提出相應(yīng)的解決方案[9]，最終選取裝鋼筋籠工位工序分?jǐn)偤透倪M(jìn)脫模入庫(kù)工位作業(yè)手法同步進(jìn)行的生產(chǎn)方案，達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高預(yù)制PC板生產(chǎn)產(chǎn)量和生產(chǎn)效率的目標(biāo)。

裝配式建筑在國(guó)內(nèi)作為新興行業(yè)，發(fā)展快，潛能巨大，市場(chǎng)需求大，而目前的生產(chǎn)工藝之中并沒有一套規(guī)范的生產(chǎn)工藝，依然采用老一套的生產(chǎn)工藝，其中所存在的問題不僅僅會(huì)影響產(chǎn)能，而且會(huì)進(jìn)一步影響裝配式建筑的政策推廣以及裝配式建筑的市場(chǎng)占有率。通過仿真技術(shù)可以為企業(yè)生產(chǎn)提供一套規(guī)范可行的生產(chǎn)模式，解決生產(chǎn)過程中存在的問題，為裝配式建筑搶占市場(chǎng)份額助力。