裝配式建筑智能制造和智能建造的創(chuàng)新需求分析

陳雷鳴

（廣州工程總承包集團有限公司）

1 引言

裝配式建筑近年來在我國快速普及，通過引入人工智能技術(shù)，利用機械化、智能化設備進行一體化生產(chǎn)裝配，使裝配式建筑不斷提升智能制造水平。為推進建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，有必要深入探究與分析裝配式建筑智能制造和智能建造的創(chuàng)新需求，結(jié)合創(chuàng)新訴求加快技術(shù)研發(fā)步伐，在此基礎上提升我國建筑領域機械化、智能化程度。

2 裝配式建筑智能制造概述

裝配式建筑是先在構(gòu)件工廠展開預制化生產(chǎn)，之后將構(gòu)件運輸至施工現(xiàn)場進行現(xiàn)場裝配與安裝。裝配式建筑在國務院《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》中的定義是：“用預制部品部件在工地裝配而成的建筑”。裝配式建筑是建筑行業(yè)工業(yè)化發(fā)展的重要產(chǎn)物，是由傳統(tǒng)建筑生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變而來的新型建筑生產(chǎn)方式，充分符合時代發(fā)展需求。裝配式建筑促進了一體化裝修的實現(xiàn)，建筑生產(chǎn)效率明顯提升，且更容易管理，符合建筑行業(yè)發(fā)展中的節(jié)能環(huán)保需求，屬于一種創(chuàng)新、環(huán)保、資源節(jié)約的建筑生產(chǎn)方式[1]。

裝配式建筑也是以智能化、機械化制造方式代替人工制造，促進建筑生產(chǎn)制造方式轉(zhuǎn)變的基礎，并在此基礎上滿足城市化發(fā)展提出的工程建設需求，并在提高建筑行業(yè)技術(shù)水平、智能化水平的基礎上吸引更多年輕人才投入建筑行業(yè)。

3 基于EPC工程的智能制造面對的問題及創(chuàng)新訴求

3.1 問題

基于EPC工程的智能制造雖然經(jīng)過多年發(fā)展已實現(xiàn)國產(chǎn)化，但還存在諸多問題。

①EPC工程智能制造過程中，數(shù)字設計和數(shù)字工地實踐匹配度低，雖然此類工作在智能制造中保持著較高數(shù)字設計水平，但是很多施工作業(yè)依舊以現(xiàn)澆抹灰等傳統(tǒng)方式實現(xiàn)，數(shù)字化程度低。有一些工地雖引入了機器人，但在操作中也只是簡單模仿抹灰等傳統(tǒng)工作，實施期間與數(shù)字化控制系統(tǒng)的聯(lián)接還存在割裂問題。

②此類工程智能制造中，PC構(gòu)件采購環(huán)節(jié)對數(shù)字化技術(shù)的應用明顯不足，不能立足整體層面，通過智能技術(shù)科學規(guī)劃需要采購的零部件產(chǎn)品、機電設備等。

③PC構(gòu)件涉及到較為復雜的生產(chǎn)工藝，整體標準化程度不高。

④大型設備缺乏良好的聯(lián)動性，包括起重機械設備、混凝土攪拌設備、鋼筋加工設備以及PC生產(chǎn)設備，設備和生產(chǎn)工藝之間也缺乏有效配合[3]。

⑤構(gòu)件生產(chǎn)中所用設備的信息化和自動化程度有待提高，生產(chǎn)中大多應用的是人工手動單步控制，并且很多關(guān)鍵工位仍然涉及大量人工作業(yè)。

3.2 創(chuàng)新需求

通過分析EPC工程的智能制造問題，可明確未來智能制造發(fā)展方向。為打造新型智能制造格局，本文梳理幾點裝配式智能制造創(chuàng)新訴求。

①在裝配智能領域引入智能化技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)等，打造集設計、科研、施工裝配、生產(chǎn)加工于一體的智能制造體系。

②應用二維碼識別技術(shù)、無線射頻識別技術(shù)、高速移動通信技術(shù)等進行各種裝配制造數(shù)據(jù)處理。

③在EPC工程智能制造中統(tǒng)籌規(guī)劃零部件產(chǎn)品、裝配設施、機電設備等一體化集成設計，同步利用BIM技術(shù)建立集成化系統(tǒng)及數(shù)字設計平臺，促進裝配零部件的數(shù)字化及智能化升級。

④針對PC構(gòu)件生產(chǎn)線研發(fā)擺模機器人和相關(guān)配套模具。在PC構(gòu)件生產(chǎn)中應用擺模機器人，主要由控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)組成。擺模機器人應具備較高控制精度，要求擺模精度誤差不超過±2mm，并設置便捷高效、高度開放、具有良好兼容性的人機互動界面，且其控制系統(tǒng)易于移植[4]。另外，通過專用模具的配合使用，可在PC生產(chǎn)線中自動化的進行模具放置、拆卸、固定、回收等操作。

⑤研發(fā)集模具和鋼筋籠為一體的智能組裝設備，該設備能對鋼筋籠和模具實現(xiàn)自動化識別、搬運、運輸、存儲等，同步存儲與標記鋼筋籠及模具信息，還可自動、準確組裝[5]。通過智能組裝設備的應用，能夠解決搬運、組裝鋼筋籠以及模具期間存在的安裝精度差、組裝環(huán)節(jié)多等問題，還方便自動化識別PC構(gòu)件，高效建立信息化檔案。

⑥針對復雜預制構(gòu)件，研發(fā)精確化、智能化、數(shù)字化的混凝土布料技術(shù)，通過對混凝土布料智能化設備和關(guān)鍵工藝的研發(fā)，可智能化地對布料機的閥門開關(guān)進行控制，同步自動控制布料速度、布料機運行情況，在混凝土澆筑環(huán)節(jié)也能自動化、精確化作業(yè)與控制。智能布料設備能夠適用于多種塌落高度的混凝土，能夠自動控制下料量，保證均勻落料，振動高效且多維，噪音較小。此外，智能布料設備要能夠自動、高效、便捷地將料斗中剩余物料全面清除，以防料倉中出現(xiàn)凝結(jié)。

⑦針對預制構(gòu)件產(chǎn)品研發(fā)專用運輸設備，研發(fā)專門用于PC構(gòu)件運輸?shù)能囕v，裝配有托盤，應用時可在堆場直接放置托盤，不需要進行吊裝工作，車輛能夠自動化裝卸。車輛應用中支持運輸超高構(gòu)件，突破道路限高以及限寬等約束。車輛應滿足任意負載、各種工況提出的減震需求，以免構(gòu)件運輸環(huán)節(jié)發(fā)生顛簸損壞[6]。車輛使用中可智能化結(jié)合路況情況，自動對托盤離地高度進行調(diào)整，車輛應設置有防爆保護裝置，以防出現(xiàn)托盤墜地以及構(gòu)件損壞問題。

4 裝配式智能建造面臨的問題、對策與創(chuàng)新

4.1 問題

目前，裝配式建筑制造中智能化技術(shù)應用還比較少，應用時間相對較短，雖然和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)與機械化施工相比，裝配式智能建造具有突出優(yōu)勢，但就目前情況來看，裝配式智能建造技術(shù)還有很長的發(fā)展道路，智能建造還存在一系列問題。

①構(gòu)件吊裝設備其智能化與自動化程度有待提升，并且設備精確度并不理想。

②目前所用灌漿設備依舊為人工操作模式，很難智能化的控制灌漿施工質(zhì)量。

③智能建造中所用臨時支撐系統(tǒng)不具有良好的調(diào)整性，并且系統(tǒng)精確度也明顯不足。

④裝配式智能建造中仍然涉及大量人工作業(yè)環(huán)節(jié)，并且很多智能建造工作缺乏技術(shù)標準與相關(guān)規(guī)范，難以為智能建造實踐提供參考和約束，一定程度上影響整體建造效率。

4.2 對策

根據(jù)上述問題分析，提出幾點裝配式智能建造問題解決策略。

①針對PC構(gòu)件研發(fā)智能抓取、精確微調(diào)與安放設備，由相關(guān)設備代替裝配式施工現(xiàn)場進行微調(diào)、安放、抓取等操作的水平尺、斜拉支撐、吊鉤等傳統(tǒng)設備。比如，可研發(fā)具有較好自適應性且精度較高的斜撐系統(tǒng)，尤其對墻體角度進行自動化測量，并智能顯示測量數(shù)據(jù)，設備可結(jié)合測量結(jié)果對斜撐系統(tǒng)進行自動化調(diào)整，以此大量節(jié)約系統(tǒng)調(diào)整時間，并大幅提高設備安裝精度，相關(guān)設備要能適應多種建筑造型。

②針對裝配式構(gòu)件連接過程研發(fā)智能化灌漿設備，因為在裝配式建筑混凝土施工中，灌漿作業(yè)屬于關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其施工質(zhì)量會對裝配式建筑整體結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生直接影響。研發(fā)智能化灌漿設備，應包含計量稱重、上料、控制系統(tǒng)、制漿注漿等，并具備自動規(guī)劃、自動計量、自動注漿、自動清洗、自動配漿、數(shù)據(jù)交互等功能[7]。在智能灌漿設備應用下，體現(xiàn)灌注施工的自執(zhí)行、自決策以及自感知優(yōu)勢，管理人員能夠可視化的觀察與監(jiān)控注漿過程以及注漿結(jié)果。

③針對施工現(xiàn)場構(gòu)件吊裝研發(fā)智能化吊裝設備，因為裝配式構(gòu)件大多為大型構(gòu)件，在吊裝裝配式建筑主體結(jié)構(gòu)過程中，主要利用塔式起重機或汽車吊。為使吊裝更可靠、安全與智能，可專門為吊裝環(huán)節(jié)研發(fā)智能操控系統(tǒng)，使吊裝設備所做出的吊裝行為精度更高，更便于控制和管理。同時，可基于PLC技術(shù)研發(fā)智能吊裝機械，由其對吊裝全過程進行智能化的參數(shù)監(jiān)控，同步進行故障診斷與處理。

4.3 創(chuàng)新

裝配式智能建造要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，除了要解決目前智能建造所面臨的問題，還要不斷創(chuàng)新。首先，可研發(fā)自動化通用型鋪地機器人，機器人運行中可直接從電腦端導入場地瓷磚尺寸、作業(yè)區(qū)域面積等。另外，機器人當中設置有智能控制芯片，可對工作程序?qū)崿F(xiàn)自動化計算、調(diào)整與規(guī)劃，運行中能夠在作業(yè)區(qū)域內(nèi)自動預先涂抹粘合劑或砂漿。機器人的機械臂具有瓷磚搬運、吸附等功能，通過掃描設備或預先設定參數(shù)能夠自動獲取瓷磚間隙寬度，對瓷磚位置實現(xiàn)自動化調(diào)整，還能對瓷磚形狀、大小等進行自動化切割與掃描[8]。其次，可針對生產(chǎn)線研發(fā)配套的建筑3D打印設備。相關(guān)設備中的設計軟件應具有良好的兼容性。同時，要合理設計打印噴頭形式和材料運輸系統(tǒng)，以便更精確地進行混凝土布料工作。除此以外，要研發(fā)具有較好抗裂性能、保溫隔熱性能、力學性能的新型打印材料。

5 結(jié)語

裝配式建筑要完全實現(xiàn)信息化管理、機械化施工與工廠化生產(chǎn)，還有很長的道路要走，在此發(fā)展過程中，要積極借鑒多方經(jīng)驗，加強資源整合，關(guān)注技術(shù)研發(fā)，以科技促發(fā)展，不斷突破裝配式建筑智能制造與智能建造面臨的技術(shù)難題。各相關(guān)領域要大力支持與推進裝配式建筑智能化產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，不斷提高裝配式建筑智能建造水平，推進我國建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級與可持續(xù)發(fā)展。