基于精益生產(chǎn)理念的PC工廠產(chǎn)線規(guī)劃研究

黃 岸，唐柏意，李經(jīng)緯，鄧亞湘

HUANG An，TANG Bo-yi，LI Jing-wei，DENG Ya-xiang

（中民筑友有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410152）

裝配式建筑是制造業(yè)和建筑業(yè)跨界融合形成的新模式，能夠大幅提高建筑產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)省原材料和能源，減少粉塵和噪聲污染，能夠大大改善傳統(tǒng)建筑工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作環(huán)境，是我國(guó)建筑業(yè)發(fā)展的方向。構(gòu)件預(yù)制化生產(chǎn)是裝配式建筑的核心環(huán)節(jié)，PC 構(gòu)件增項(xiàng)是造成裝配式建筑比傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑成本偏高的最主要因素之一。落后的技術(shù)體系、不成熟的生產(chǎn)工藝及錯(cuò)漏的管理模式等都會(huì)對(duì)其費(fèi)用造成影響，構(gòu)件廠不均衡競(jìng)爭(zhēng)和構(gòu)件廠的建設(shè)投資直接導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件定價(jià)較高等。

訚軍指出降低PC 制造的成本需要從4 個(gè)方面著手：①要嚴(yán)格控制生產(chǎn)基地的固定資產(chǎn)投資；②要嚴(yán)控單方人工費(fèi)；③要嚴(yán)控模具成本；④要嚴(yán)控PC 構(gòu)件的生產(chǎn)時(shí)間。

本文采用精益成本管理的基本概念，從工廠產(chǎn)線規(guī)劃、布局規(guī)劃等方面開(kāi)展研究，設(shè)計(jì)了新型雙進(jìn)雙出雙循環(huán)生產(chǎn)線，對(duì)比分析了單進(jìn)單出、單進(jìn)雙出及雙進(jìn)單出3 種類型生產(chǎn)線平衡率，并以雙進(jìn)雙出雙循環(huán)生產(chǎn)線為核心規(guī)劃了某PC 工廠。與同類型工廠相比，具有生產(chǎn)效率高、適應(yīng)構(gòu)件類型多等特點(diǎn)，為降低裝配式建筑PC構(gòu)件成本提供了一種切實(shí)可行的方案。

1 雙進(jìn)單出雙循環(huán)模式PC構(gòu)件柔性生產(chǎn)線

目前PC 工廠存在不同的生產(chǎn)線類型以實(shí)現(xiàn)PC 構(gòu)件的自動(dòng)化生產(chǎn)，但大部分流水生產(chǎn)線只能同時(shí)生產(chǎn)某一種特定的構(gòu)件，若出現(xiàn)設(shè)備故障需要整條生產(chǎn)線停運(yùn)，從而影響生產(chǎn)效率；另外，這些生產(chǎn)線普遍存在單位生產(chǎn)面積的產(chǎn)能較低，占地面積大等缺點(diǎn)。為適應(yīng)PC 構(gòu)件生產(chǎn)批量小、品種多的生產(chǎn)特點(diǎn)，在充分研究PC 構(gòu)件生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種有效提高預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)效率與產(chǎn)能的PC 生產(chǎn)線。

現(xiàn)有夾心保溫外墻板的生產(chǎn)工藝流程一般包括：清潔模具、噴油劃線、安裝模具、安裝鋼筋網(wǎng)、一次澆筑振搗混凝土、趕平混凝土、鋪保溫板、安裝連接件、鋪鋼筋網(wǎng)、二次澆筑振搗混凝土、趕平、預(yù)養(yǎng)護(hù)、磨平、養(yǎng)護(hù)窯養(yǎng)護(hù)、脫模、吊裝等。

以單墻板為例，按照構(gòu)件流水線作業(yè)工藝要求，將生產(chǎn)中作業(yè)內(nèi)容多的工序形成兩條外側(cè)生產(chǎn)線，具體包括清潔模具、噴油劃線、安裝模具、安裝鋼筋網(wǎng)、預(yù)留預(yù)埋、澆筑振搗混凝土、趕平等，外側(cè)兩條生產(chǎn)線完成所有工序后匯集到中間生產(chǎn)線完成初凝、抹面、養(yǎng)護(hù)等工序，脫模后再分流到外側(cè)兩條生產(chǎn)線完成吊裝等工序，3條生產(chǎn)線的循環(huán)生產(chǎn)方式形成雙循環(huán)墻板生產(chǎn)線（圖1）。該生產(chǎn)線變形后還可以滿足疊合樓板、三明治板等的柔性化生產(chǎn)。該生產(chǎn)線產(chǎn)線布局特點(diǎn)如下。

圖1 雙進(jìn)單出雙循環(huán)模式PC構(gòu)件柔性生產(chǎn)線

1）可生產(chǎn)疊合樓板，內(nèi)外墻板（單板），三明治板。

2）雙進(jìn)單出，設(shè)計(jì)節(jié)拍10min，單位面積產(chǎn)能大。

3）工位設(shè)置合理，產(chǎn)線平衡率高，可視需求增加預(yù)養(yǎng)護(hù)窯。

4）物流順暢，生產(chǎn)效率高。裝拆模工位同側(cè)，模具流轉(zhuǎn)效率高；鋼筋可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)上線；線端出板，適合端部堆場(chǎng)。

2 PC構(gòu)件流水線平衡

在精益生產(chǎn)中對(duì)生產(chǎn)線的平衡率分析和改善有助于提高生產(chǎn)線生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、消除浪費(fèi)。生產(chǎn)線平衡即是對(duì)一定生產(chǎn)工藝條件下的全部工序進(jìn)行平均化，調(diào)整作業(yè)負(fù)荷，使得各工序作業(yè)時(shí)間盡可能相近的技術(shù)手段與方法[6～7]。

從圖2剝落斷口宏觀形貌可以看出，斷面出現(xiàn)呈彎曲并相互平行的溝槽狀花樣，與裂紋擴(kuò)展方向垂直，是裂紋擴(kuò)展時(shí)留下的微觀痕跡，屬于明顯弧形疲勞輝紋，其反向指向裂紋源（A區(qū)域），疲勞裂紋從A區(qū)域向B方向擴(kuò)展，形成一個(gè)疲勞擴(kuò)展帶（AB），與此同時(shí)AB裂紋兩側(cè)向C方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致大面積剝落，疲勞擴(kuò)展帶見(jiàn)圖2中光滑的氧化區(qū)域所示。從剝落斷口宏觀形貌進(jìn)行分析得出，剝落裂紋的起始位置處于支承輥淬硬層厚度位置，然后沿著剪切應(yīng)力方向擴(kuò)展，直至剝落。因此，該支承輥失效形式屬典型的疲勞剝落失效。剝落是從支承輥次表層開(kāi)始，由疲勞裂紋順著剪切面擴(kuò)展而形成。

生產(chǎn)線平衡率=（各工序時(shí)間總和/（工站數(shù)×瓶頸工序時(shí)間））×100%，可知決定生產(chǎn)線的作業(yè)周期的工序時(shí)間只有1 個(gè)，即最長(zhǎng)工序時(shí)間——瓶頸工序時(shí)間，同時(shí)需要區(qū)分瓶頸時(shí)間與節(jié)拍時(shí)間。目前市場(chǎng)上有PC 構(gòu)件生產(chǎn)線有單進(jìn)單出、單進(jìn)雙出、雙進(jìn)雙出等幾種類型，如圖2～圖4所示。3種生產(chǎn)線工位人數(shù)、節(jié)拍安排統(tǒng)計(jì)如下表1所示。

圖2 單進(jìn)單出PC生產(chǎn)線

圖3 單進(jìn)雙出PC生產(chǎn)線

圖4 雙進(jìn)單出PC生產(chǎn)線

表1 常見(jiàn)PC工廠生產(chǎn)線主要數(shù)據(jù)

由生產(chǎn)線平衡公式計(jì)算得出單進(jìn)單出、單進(jìn)雙出和雙進(jìn)單出3 種模式下的生產(chǎn)線很頻率分別為：19.7%、22.7%、28.3%。在同一工生產(chǎn)工藝下，雙進(jìn)單出生產(chǎn)線更能夠提高生產(chǎn)效率。與制造業(yè)其他生產(chǎn)線生產(chǎn)平衡率達(dá)到70%～80%相比，裝配式建筑PC構(gòu)件生產(chǎn)線平衡率還比較低，這與PC 構(gòu)件生產(chǎn)工藝及目前構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度不高等原因有關(guān)。

3 柔性化PC構(gòu)件生產(chǎn)車間系統(tǒng)規(guī)劃

基于精益生產(chǎn)理念，在工藝設(shè)計(jì)方面，廠房工藝布局充分考慮物流路徑規(guī)劃問(wèn)題，各原材料實(shí)現(xiàn)集中存放、加工處理、齊套配送，并保證物流路徑最短，使原材料供應(yīng)不會(huì)成為影響生產(chǎn)效率的瓶頸。生產(chǎn)工藝充分考慮復(fù)雜構(gòu)件的多樣性，采用柔性生產(chǎn)線滿足不同復(fù)雜構(gòu)件的生產(chǎn)，規(guī)劃生產(chǎn)構(gòu)件類型能夠生產(chǎn)三明治墻板、單墻板、疊合板、樓梯、陽(yáng)臺(tái)、飄窗及其他構(gòu)件。

如圖5 所示，PC 工廠規(guī)劃4 條生產(chǎn)線、一個(gè)室外堆場(chǎng)，4 條生產(chǎn)線分別為墻板生產(chǎn)線1 條、固定臺(tái)模生產(chǎn)線1 條、鋼筋與混凝土生產(chǎn)線1 條、預(yù)應(yīng)力疊合板生產(chǎn)線1 條。

圖5 基于雙循環(huán)生產(chǎn)線的柔性化PC構(gòu)件生產(chǎn)車間

柔性墻板生產(chǎn)線采用雙進(jìn)單出雙循環(huán)布置方式，即由外側(cè)兩條生產(chǎn)線完成所有工序后匯集到中間生產(chǎn)線，再分流到外側(cè)兩條生產(chǎn)線的循環(huán)生產(chǎn)線，是基于BIM 技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)MES 生產(chǎn)管理系統(tǒng)，采用托盤(pán)式配套技術(shù)和空間充分應(yīng)用原理設(shè)計(jì)的雙線生產(chǎn)線，可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)模智能排產(chǎn)、輔件準(zhǔn)確配送、混凝土與鋼筋網(wǎng)片及時(shí)上線。生產(chǎn)線中多處用到國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的技術(shù)與工藝，如采用抱式堆碼機(jī)，堆碼效率提升一倍，取消預(yù)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)窯采用熱水養(yǎng)護(hù)，節(jié)能環(huán)保；增加智能齊套物料上料系統(tǒng)，合理利用空間等。

柔性復(fù)雜構(gòu)件生產(chǎn)線，采用固定臺(tái)模配合異形構(gòu)件專用模具進(jìn)行生產(chǎn)。復(fù)雜構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中，采用混凝土轉(zhuǎn)運(yùn)布料一體機(jī)進(jìn)行澆筑，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的全覆蓋，結(jié)合與魚(yú)雷罐的聯(lián)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化布料，徹底改變傳統(tǒng)采用行車加料斗人工作業(yè)方式，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；增加養(yǎng)護(hù)裝置，縮短養(yǎng)護(hù)周期，大大提高生產(chǎn)效率；采用墻板構(gòu)件鋼筋骨架自動(dòng)組合成型生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)墻板構(gòu)件鋼筋骨架自動(dòng)加工和組合，提高鋼筋骨架生產(chǎn)效率及質(zhì)量；采用置模拆模自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模具的自動(dòng)清洗、上線和模具的助力拆除及自動(dòng)入庫(kù)，代替人工操作，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，增大了模具定位的精準(zhǔn)度，提高了生產(chǎn)效率。柔性墻板生產(chǎn)線產(chǎn)能計(jì)算：產(chǎn)線臺(tái)模共120 塊，規(guī)格：3.5m×9m，養(yǎng)護(hù)窯80 個(gè)倉(cāng)位，生產(chǎn)節(jié)拍20min，每天產(chǎn)能：45×3.5m（寬）×9m（長(zhǎng)）×0.5（臺(tái)模利用率）×2（班）×0.2m=283m3。

柔性復(fù)雜構(gòu)件生產(chǎn)線產(chǎn)能計(jì)算：產(chǎn)能臺(tái)模40塊，規(guī)格：4m×12m，每天生產(chǎn)臺(tái)模20 塊，每天產(chǎn)能：20×4m（寬）×12m（長(zhǎng)）×0.6（臺(tái)模利用率）×1（班）×0.25m=144m3。

總產(chǎn)能：（1147＋576）×250=43 萬(wàn)m3

4 柔性化PC構(gòu)件生產(chǎn)車間關(guān)鍵子系統(tǒng)

4.1 鋼筋骨架組合成型生產(chǎn)線整體布局

國(guó)外現(xiàn)代化的PC 構(gòu)件生產(chǎn)流水線，通常配置有自動(dòng)化的鋼筋加工系統(tǒng)（圖6）。目前，鋼筋骨架加工是我國(guó)建筑工業(yè)化模塊部件的一個(gè)重要瓶頸。針對(duì)現(xiàn)有預(yù)制混凝土墻板構(gòu)件鋼筋骨架加工效率低、耗工多等問(wèn)題，鋼筋骨架自動(dòng)組合與成型生產(chǎn)線匹配工廠生產(chǎn)內(nèi)外墻板、梁柱框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件、疊合板等各類預(yù)制構(gòu)件所需鋼筋產(chǎn)品，將生產(chǎn)線規(guī)劃為鋼筋網(wǎng)片生產(chǎn)單元、鋼筋骨架生產(chǎn)單元、鋼筋骨架組合及存儲(chǔ)單元、齊套配送單元等，各生產(chǎn)單元既可獨(dú)立作業(yè)，亦可與其他生產(chǎn)單元配合生產(chǎn)。鋼筋骨架生產(chǎn)線采用封閉式骨架機(jī)、鋼筋骨架成型機(jī)、機(jī)器人及機(jī)器視覺(jué)等先進(jìn)設(shè)備，匹配兼容BIM 的鋼筋骨架自動(dòng)加工和組合成型支撐系統(tǒng)，能夠大幅度提升鋼筋骨架生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)在相同產(chǎn)能下減少用工人數(shù)8～10 人。

圖6 鋼筋自動(dòng)化加工成型生產(chǎn)線

4.2 重載大跨度三坐標(biāo)機(jī)器人

基于以上產(chǎn)品需求，確定鋼筋籠組合桁架機(jī)器人、網(wǎng)片抓取桁架機(jī)器人及拉網(wǎng)機(jī)器人等關(guān)鍵產(chǎn)品的負(fù)載、精度、運(yùn)行速度等參數(shù)。

鋼筋籠組合桁架機(jī)器人采用桁架結(jié)構(gòu)，基本指標(biāo)：X 軸最大速度1m/s，最大加速度0.5m/s2，橫梁跨度7050mm，Y 軸及Z 軸最大速度0.6m/s，最大加速度0.3m/s2，Y 軸跨度10000mm?？紤]鋼筋骨架存在左右兩側(cè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，需增加旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)角度±18°，旋轉(zhuǎn)速度6r/min。機(jī)器人負(fù)載900kg，考慮鋼筋骨架組合精度需求，機(jī)器人本體重復(fù)定位精度確定為±2mm。鋼筋籠組合機(jī)器人桁架結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 鋼筋籠組合桁架機(jī)器人

對(duì)機(jī)器人核心部件進(jìn)行力學(xué)分析，X 軸結(jié)果如圖8 所示，Y 軸分別采用矩形管和工字鋼，分析結(jié)果如圖9 所示。

圖8 鋼筋籠組合桁架機(jī)器人X 軸力學(xué)分析

圖9 鋼筋籠組合桁架機(jī)器人Y 軸力學(xué)分析

根據(jù)分析結(jié)果最終采用工字鋼結(jié)構(gòu)，以減少機(jī)器人本體重量。

對(duì)于機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)部件，通過(guò)以上對(duì)實(shí)際需求負(fù)載和桁架機(jī)器人相關(guān)支架的強(qiáng)度分析，和對(duì)常用的直線運(yùn)動(dòng)部件分析對(duì)比所得：直線導(dǎo)軌經(jīng)濟(jì)性不滿足重載機(jī)器人實(shí)際需求。由于V 型滾輪和V 型導(dǎo)軌的接觸屬于線接觸，這根線和滾輪的中心軸線斜交，繞著中心軸線高速轉(zhuǎn)動(dòng)；這根線和V 型導(dǎo)軌面的接觸屬于瞬時(shí)接觸，高速接近導(dǎo)軌面，瞬時(shí)接觸，再高速離開(kāi)；這樣的話，就通過(guò)V 型滾輪的“線”不停地對(duì)導(dǎo)軌面進(jìn)行“刮擦”，可以很好地保證導(dǎo)軌面的清潔。如果通體采用V 型滾輪和V 型導(dǎo)軌，可以在將導(dǎo)軌安裝在支架側(cè)面，進(jìn)一步降低灰塵及雜物都機(jī)器人的影響。因此，鋼筋組合機(jī)器人整體采用V 型滾輪和V 型導(dǎo)軌使得梁柱上線機(jī)器人和組合件上線機(jī)器人共軌。

網(wǎng)片抓取桁架機(jī)器人采用桁架結(jié)構(gòu)，其基本指標(biāo)為X 軸最大速度0.5m/s，最大加速度0.25m/s2，X軸跨度10000mm，Z軸最大速度0.3m/s，最大加速度0.15m/s2，Z 軸提升高度3500mm。機(jī)器人本體重復(fù)定位精度確定為±5mm，負(fù)載3000kg。網(wǎng)片抓取桁架機(jī)器人如圖10 所示。拉網(wǎng)機(jī)器人行走最大速度1m/s，最大加速度0.5m/s2，有效行程32500mm。機(jī)器人本體重復(fù)定位精度確定為±3mm。網(wǎng)片抓取機(jī)器人如圖11 所示。

圖10 網(wǎng)片抓取桁架機(jī)器人

圖11 拉網(wǎng)桁架機(jī)器人

4.3 置模拆模自動(dòng)化系統(tǒng)

PC 構(gòu)件流水線置模拆模系統(tǒng)由置模機(jī)械手與拆模機(jī)械手組成，置模機(jī)械手負(fù)責(zé)從料架上抓取相應(yīng)的模具放置于模臺(tái)上。拆模機(jī)械手負(fù)責(zé)從模臺(tái)上拆卸相應(yīng)模具到回收輸送線上。選配的回收輸送線將模具從拆卸位輸送至置模位，期間自動(dòng)清洗機(jī)對(duì)模具進(jìn)行自動(dòng)清洗，置模拆模信息系統(tǒng)將拆卸的模具類型發(fā)送至置模機(jī)械手，置模機(jī)械手對(duì)模具進(jìn)行抓取放置到料架上。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與PC 工廠生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)對(duì)接，大幅度減少人工并降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高構(gòu)件生產(chǎn)效率和構(gòu)件質(zhì)量（圖12）。

圖12 置模拆模自動(dòng)化系統(tǒng)

5 結(jié)論

基于精益生產(chǎn)理念及PC 構(gòu)件生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)了雙進(jìn)雙出雙循環(huán)生產(chǎn)線，對(duì)比分析了單進(jìn)單出、單進(jìn)雙出及雙進(jìn)單出3 類型生產(chǎn)線平衡率，并以雙進(jìn)雙出雙循環(huán)生產(chǎn)線規(guī)劃了某PC 工廠。與同類型工廠相比，具有生產(chǎn)效率高、適應(yīng)構(gòu)件類型多等特點(diǎn)，為降低裝配式建筑PC 構(gòu)件成本提供了一種切實(shí)可行的方案。但從產(chǎn)線平衡率分析，PC 構(gòu)件產(chǎn)線還有較大的提升空間，這與PC構(gòu)件模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化及構(gòu)件生產(chǎn)工藝緊密相關(guān)，應(yīng)該從多方面著手予以研究。適應(yīng)國(guó)內(nèi)剪力墻結(jié)構(gòu)體系的鋼筋骨架加工生產(chǎn)系統(tǒng)以及置模機(jī)器人系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)流水線效率和質(zhì)量瓶頸問(wèn)題，有利于實(shí)現(xiàn)構(gòu)件生產(chǎn)精益化。