建筑智能制造在裝配式建筑中的應(yīng)用分析

□劉 覓

一、建筑智能制造概述

(一)建筑智能制造涵義。建筑智能制造是在人工智能基礎(chǔ)上融入多項(xiàng)信息技術(shù)與“互聯(lián)網(wǎng)+”等理念而演變形成，本質(zhì)上屬于人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，在裝配式工程建設(shè)期間，智能制造系統(tǒng)將采取高度柔性和集成的控制方式，模擬人類思維方式來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)分析、判斷推理、決策制定等操作，替代人工完成多數(shù)基礎(chǔ)性任務(wù)和一部分較為復(fù)雜的工作任務(wù)，從而起到提高工程建設(shè)質(zhì)量、輔助設(shè)計(jì)、縮短工期、降低工程造價(jià)成本等多重作用。此外，也可將建筑智能制造視作為一種全新的工程建造方式，由系統(tǒng)自動(dòng)完成建筑設(shè)計(jì)、預(yù)制構(gòu)件加工、控制管理等建造活動(dòng)，旨在幫助建筑企業(yè)更好地適應(yīng)高度變化的工程環(huán)境，突出理論知識(shí)在工程建設(shè)活動(dòng)中的價(jià)值地位。

(二)建筑智能制造在裝配式建筑中的應(yīng)用意義。近年來(lái)，隨著市場(chǎng)需求的變化，以及政府部門陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)扶持政策，裝配式建筑得到蓬勃發(fā)展，在建筑業(yè)中的占比呈現(xiàn)逐年穩(wěn)步提升的發(fā)展態(tài)勢(shì)，工程建造質(zhì)量、管理水平與綜合效益均得到明顯提升。但與此同時(shí)，在裝配式建筑發(fā)展期間逐漸暴露出多項(xiàng)問(wèn)題，包括PC構(gòu)件生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化程度不足、可用BIM設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)品數(shù)量較少、缺乏有效施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)管措施、設(shè)計(jì)與施工等工程建造階段銜接性差、尚未在真正意義上實(shí)現(xiàn)協(xié)同化設(shè)計(jì)目標(biāo)等具體問(wèn)題。

建筑智能制造系統(tǒng)的應(yīng)用推廣，可以徹底解決或有效緩解上述提及的問(wèn)題，推動(dòng)裝配式建筑現(xiàn)行建造體系的現(xiàn)代化發(fā)展，確保裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮。例如，依托建筑智能制造系統(tǒng)來(lái)建立PC智能工廠，在智能化生產(chǎn)系統(tǒng)中同時(shí)采取多規(guī)格自動(dòng)供料、自動(dòng)焊接、柔性布料等自動(dòng)化技術(shù)手段，工作人員僅需提前在系統(tǒng)程序中輸入控制方案，對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)與控制，系統(tǒng)即可在無(wú)人工干預(yù)條件下，自動(dòng)完成供料、焊接等操作任務(wù)，并對(duì)預(yù)制構(gòu)件的加工精度和質(zhì)量提供保障，徹底解決傳統(tǒng)建造方式中面臨的PC構(gòu)件生產(chǎn)效率低下、易造成材料浪費(fèi)、構(gòu)件尺寸加工精度差等實(shí)際問(wèn)題。

(三)建筑智能制造的綜合特征。根據(jù)現(xiàn)代裝配式工程建造情況和智能制造系統(tǒng)應(yīng)用情況來(lái)看，建筑智能制造系統(tǒng)有著自律性、人機(jī)一體化、自學(xué)習(xí)維護(hù)、自組織超柔性的綜合特征，這也是智能制造方式和傳統(tǒng)制造方式的區(qū)別所在。其中，自律性特征是，系統(tǒng)與所安裝設(shè)備均具備數(shù)據(jù)信息分析判斷、規(guī)劃自身行為的使用功能，可以根據(jù)外部環(huán)境情況與實(shí)際面臨的問(wèn)題進(jìn)行決策分析，以及開展智能機(jī)器間的協(xié)調(diào)運(yùn)作。人機(jī)一體化特征是，將人與人工智能系統(tǒng)加以完美結(jié)合，由二者共同形成一種全新形態(tài)的“混合智能”，在面對(duì)較為復(fù)雜的問(wèn)題時(shí)，由優(yōu)秀人才來(lái)樹立正確思路和承擔(dān)判斷、決策等任務(wù)，人工智能系統(tǒng)則起到輔助作用，使二者保持相互協(xié)作、相互理解狀態(tài)。自學(xué)習(xí)維護(hù)特征是，建筑智能制造系統(tǒng)在運(yùn)行期間，基于程序運(yùn)行準(zhǔn)則，將會(huì)自動(dòng)收集整理相關(guān)的專業(yè)理論知識(shí)和同類項(xiàng)目案例報(bào)告，從中篩選出高價(jià)值信息導(dǎo)入知識(shí)庫(kù)中，隨著知識(shí)庫(kù)的豐富，系統(tǒng)的智能化水平將會(huì)持續(xù)提高，更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況和復(fù)雜問(wèn)題，如提高故障診斷質(zhì)量。而自組織超柔性特征是，智能制造系統(tǒng)在處理不同類型與復(fù)雜程度的問(wèn)題時(shí)，為充分調(diào)動(dòng)系統(tǒng)資源，將會(huì)基于判斷結(jié)果來(lái)自行組成一種超柔性的最佳結(jié)構(gòu)形式，更好地完成任務(wù)。

二、建筑智能制造在裝配式建筑中的應(yīng)用策略

(一)發(fā)展數(shù)字設(shè)計(jì)。針對(duì)裝配式建筑在設(shè)計(jì)階段面臨的可選軟件產(chǎn)品數(shù)量單一、軟件功能不完善、智能化程度不足、各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)效果不佳等實(shí)際問(wèn)題，建筑企業(yè)需要依托建筑智能制造系統(tǒng)來(lái)大力發(fā)展數(shù)字設(shè)計(jì)體系，推出使用功能完善、具備較高智能化程度的深化設(shè)計(jì)軟件，輔助設(shè)計(jì)師完成裝配式建筑結(jié)構(gòu)平面布局規(guī)劃、場(chǎng)地布置、PC構(gòu)件設(shè)計(jì)、多專業(yè)設(shè)計(jì)方案整合、3D可視化圖紙生成等復(fù)雜的設(shè)計(jì)任務(wù)。同時(shí)，需要在深化設(shè)計(jì)軟件中開發(fā)三維信息模型創(chuàng)建、構(gòu)件配筋率和整體計(jì)算分析、裝配式指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、構(gòu)件加工數(shù)據(jù)導(dǎo)出等使用功能。如此，將大幅提高裝配式建筑工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量及效率，如在模型創(chuàng)建環(huán)節(jié)起到簡(jiǎn)化重復(fù)翻模步驟與縮短設(shè)計(jì)周期的作用，在方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)起到方案拆分整合、自動(dòng)計(jì)算、方案合規(guī)性自動(dòng)審查的作用，在深化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)起到碰撞檢查、深化調(diào)整、工況驗(yàn)算等作用，在成果輸出環(huán)節(jié)起到快速出圖、生成可視化三維圖紙、獲取和提供BOM清單及JSON數(shù)據(jù)的作用。

在數(shù)字設(shè)計(jì)場(chǎng)景中，對(duì)建筑智能制造系統(tǒng)的應(yīng)用，主要體現(xiàn)為BIM技術(shù)的應(yīng)用推廣，此項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于裝配式建筑的策劃立項(xiàng)、方案設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工等階段，做到了對(duì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)流程的打通。例如，在某裝配式建筑工程中，通過(guò)BIM軟件將設(shè)計(jì)系統(tǒng)與智能工廠的PC生產(chǎn)設(shè)備保持對(duì)接狀態(tài)，設(shè)計(jì)師可以直接在BIM軟件中將PC構(gòu)件設(shè)計(jì)方案及加工數(shù)據(jù)發(fā)送至PC構(gòu)件生產(chǎn)設(shè)備，由設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能工廠開展構(gòu)件加工生產(chǎn)活動(dòng)。

(二)建立PC智能工廠。在早期建設(shè)的裝配式建筑工程中，由于預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)系統(tǒng)采取人工操作方式，雖然通過(guò)配置新型自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)效率和加工精度的提升，但在PC構(gòu)件設(shè)計(jì)與工廠生產(chǎn)加工階段，偶爾出現(xiàn)方案圖紙認(rèn)知偏差、溝通不及時(shí)、錯(cuò)誤操作等問(wèn)題，加之工廠人數(shù)較多，導(dǎo)致PC構(gòu)件的生產(chǎn)加工成本較為高昂，構(gòu)件良品率有待進(jìn)一步提升，進(jìn)而影響到工程建設(shè)質(zhì)量、造價(jià)成本、工期進(jìn)度等多個(gè)方面。

在這一工程背景下，需要依托建筑智能建造系統(tǒng)來(lái)建立現(xiàn)代化的PC智能工廠，使用SPCI等工業(yè)軟件，在智能工程管理體系中建立裝備管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等具有高度智能化程度的系統(tǒng)程序，系統(tǒng)采取開環(huán)控制或是閉環(huán)控制系統(tǒng)，直接控制生產(chǎn)設(shè)備完成PC構(gòu)件的生產(chǎn)加工任務(wù)，如自動(dòng)執(zhí)行機(jī)械化噴涂、機(jī)器人焊接等操作。具體來(lái)講，則是對(duì)PC工廠的傳統(tǒng)勞動(dòng)力密集型生產(chǎn)工藝進(jìn)行數(shù)字化改造，在車間現(xiàn)場(chǎng)配置大量的建筑機(jī)器人、信息傳感裝置等智能設(shè)備，系統(tǒng)在生產(chǎn)期間持續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)，根據(jù)PC構(gòu)件生產(chǎn)加工情況和設(shè)計(jì)單位發(fā)送的構(gòu)件加工數(shù)據(jù)，基于系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)則自動(dòng)下達(dá)相應(yīng)控制指令，或是執(zhí)行操作人員實(shí)時(shí)下達(dá)指令和預(yù)先設(shè)定的控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)PC構(gòu)件生產(chǎn)加工過(guò)程的有效把控。與此同時(shí)，智能制造系統(tǒng)還具備構(gòu)件生產(chǎn)預(yù)測(cè)、故障自診斷、在線運(yùn)輸交付等使用功能，以自動(dòng)化方式完成物料運(yùn)輸、故障診斷檢修、PC構(gòu)件運(yùn)輸交付等任務(wù)。

例如，中建三局依托建筑智能制造系統(tǒng)，在武漢市綠色建筑產(chǎn)業(yè)園中建立了一座智能PC構(gòu)件廠，在鋼筋加工車間內(nèi)同時(shí)建立了自動(dòng)供料系統(tǒng)、柔性布料系統(tǒng)和全坐標(biāo)焊接系統(tǒng)，用于自動(dòng)生產(chǎn)柔性鋼筋焊網(wǎng)線。其中，自動(dòng)供料系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制矯直切斷、鋼筋放線以及規(guī)格轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，可同時(shí)完成不同類型、規(guī)格尺寸鋼筋材料的供料任務(wù)，以及開展直線度穩(wěn)定試驗(yàn)，有效解決了盤螺鋼筋直線度不穩(wěn)的技術(shù)問(wèn)題。柔性布料系統(tǒng)負(fù)責(zé)同時(shí)控制橫縱筋布料機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)檢測(cè)筋條長(zhǎng)度，將其進(jìn)行分解處理后傳入側(cè)料倉(cāng)，通過(guò)配置階梯式多級(jí)推送裝置，在各上料工位上推送對(duì)應(yīng)尺寸筋條。而全坐標(biāo)焊接系統(tǒng)負(fù)責(zé)采取PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，由現(xiàn)場(chǎng)配置的信息傳感裝置對(duì)鋼筋網(wǎng)片的規(guī)格長(zhǎng)度、焊接點(diǎn)位置等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量分析，在分析結(jié)果基礎(chǔ)上自動(dòng)調(diào)整壓接力、電流值、電壓值等工藝參數(shù)，連續(xù)開展不同規(guī)格惠存的開口網(wǎng)片焊接作業(yè)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)看，該P(yáng)C構(gòu)件廠在數(shù)字化、智能化改造后，鋼筋成材率提高2%、鋼筋直線度始終維持在0.5～1.7mm/m區(qū)間范圍內(nèi)、鋼筋網(wǎng)片橫縱筋間距誤差縮小至±3mm范圍內(nèi)、鋼筋布料速度與焊機(jī)效率分別提升至30次/min和500個(gè)焊點(diǎn)/min，切實(shí)滿足GB/T1499.3標(biāo)準(zhǔn)要求，每年節(jié)省數(shù)十萬(wàn)噸鋼材。

(三)打造智慧工地。裝配式建筑工程有著現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，涉及諸多專業(yè)、人員設(shè)備往來(lái)頻繁的特征，如果實(shí)施傳統(tǒng)的粗放型現(xiàn)場(chǎng)管理模式，并無(wú)法切實(shí)滿足工程建設(shè)要求與管理需求，會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管控力度薄弱、形成質(zhì)量安全隱患、污染周邊生態(tài)環(huán)境、施工資源利用率低下等一系列問(wèn)題。例如，因施工操作行為缺乏有效監(jiān)管，出現(xiàn)不規(guī)范操作行為，產(chǎn)生飄塵與落塵，在風(fēng)力作用下吹向工程現(xiàn)場(chǎng)下風(fēng)口，最終造成大氣環(huán)境污染。因此，為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、文明施工目標(biāo)，高效處理工程建設(shè)期間持續(xù)產(chǎn)生的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與繁雜現(xiàn)場(chǎng)管理任務(wù)，需要應(yīng)用智能制造系統(tǒng)來(lái)打造智慧工地，通過(guò)開發(fā)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)和配置硬件設(shè)施，在現(xiàn)場(chǎng)施工期間持續(xù)采集人、機(jī)、料等要素現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)，在數(shù)據(jù)分析運(yùn)算結(jié)果基礎(chǔ)上制定合理的決策方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部施工要素的有效把控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除變形因素及質(zhì)量安全隱患，確保施工組織計(jì)劃、施工技術(shù)方案得以有效執(zhí)行。

在智慧工地中，建筑智能制造系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景包括進(jìn)度控制、在線管理、現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程管理。一是進(jìn)度控制。系統(tǒng)既可以根據(jù)人機(jī)等施工資源配置情況、工藝技術(shù)要求等因素來(lái)模擬施工過(guò)程，準(zhǔn)確設(shè)定各項(xiàng)工序的持續(xù)作業(yè)時(shí)間，將其作為項(xiàng)目進(jìn)度偏離程度的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，也可以在施工期間持續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)信息，實(shí)時(shí)處理施工班組上傳的現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告，以此來(lái)掌握項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)度，在實(shí)際進(jìn)度和預(yù)期進(jìn)度產(chǎn)生較大偏離時(shí)，向管理人員提供決策建議，如重新安排工序流程和提供人機(jī)數(shù)量增加方案。二是在線管理。系統(tǒng)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)人員出入場(chǎng)信息、現(xiàn)場(chǎng)各類機(jī)械設(shè)備的型號(hào)及數(shù)量、施工材料進(jìn)場(chǎng)量與庫(kù)存量、機(jī)具設(shè)備運(yùn)行工況與作業(yè)效率等信息，管理人員預(yù)先在系統(tǒng)中設(shè)定各類信息參數(shù)的額定值，自動(dòng)對(duì)比分析實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)值與額定值，在檢測(cè)到統(tǒng)計(jì)值超限問(wèn)題時(shí)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)、執(zhí)行應(yīng)急處置預(yù)案，如發(fā)送機(jī)具設(shè)備故障預(yù)警信號(hào)和現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵污染預(yù)警信號(hào)。三是現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程管理。在現(xiàn)場(chǎng)配置傳感器、攝像頭、探頭等裝置，持續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)與拍攝視頻圖像資料，管理人員可以直接觀察現(xiàn)場(chǎng)施工情況，糾正不規(guī)范操作行為，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全質(zhì)量隱患問(wèn)題。同時(shí)，還可以應(yīng)用特征提取技術(shù)，從視頻圖像中提取特定的特征信息，如自動(dòng)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)人員是否按規(guī)定穿戴安全帽、安全帶、防護(hù)服等安全防護(hù)設(shè)備。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為加快裝配式建筑與配套產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐，使裝配式建筑及早邁入全新發(fā)展階段，建筑企業(yè)必須認(rèn)識(shí)到建筑智能制造在工程建設(shè)期間的應(yīng)用價(jià)值，理解智能制造的涵義概念與綜合特征，落實(shí)上述應(yīng)用措施，在數(shù)字設(shè)計(jì)、PC智能工廠、智慧工地等場(chǎng)景中做到對(duì)建筑智能制造系統(tǒng)的落地應(yīng)用。