對裝配式建筑構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)過程中引入智能制造的思考

甘文靜

摘 要：裝配式建筑構(gòu)件的預(yù)制生產(chǎn)是裝配式建筑施工的重要組成部分，智能制造是融合了信息技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)后發(fā)展起來的先進生產(chǎn)方式。因此，對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)應(yīng)用智能制造可能性進行思考，并提出相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：固定臺模工藝；機組流水工藝；智能制造

中圖分類號：TU741? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）04-0049-03

0 引言

裝配式建筑工程中，混凝土構(gòu)件的預(yù)制是裝配式建筑能夠安裝的基礎(chǔ)，其質(zhì)量、產(chǎn)量及生產(chǎn)工藝模式直接影響建筑工業(yè)化的進程。因此，提升預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的工業(yè)化和智能化程度是推動我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的重要途徑。

1 裝配式建筑混凝土構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn)技術(shù)及其管理要點

1.1 混凝土預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)過程

1.1.1 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)

有別于傳統(tǒng)建筑的設(shè)計單位進行結(jié)構(gòu)及建筑設(shè)計，施工單位進行構(gòu)件施工的模式，裝配式建筑中的整個施工流程的協(xié)同式一體化的，即構(gòu)件的制造和生產(chǎn)部門從設(shè)計階段即參與進來。裝配式建筑協(xié)同設(shè)計參與如圖1所示。

預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計作為生產(chǎn)的第一步，生產(chǎn)廠家在設(shè)計階段介入，在構(gòu)件深化設(shè)計階段結(jié)合廠家的生產(chǎn)能力和制造方式對構(gòu)件的形式提出建議，減少構(gòu)件的制造成本，提高制造效率。

1.1.2 預(yù)制構(gòu)件的分類和生產(chǎn)現(xiàn)狀

建筑的主要構(gòu)件可分為承重和非承重兩大類。承重類主要包括：框架結(jié)構(gòu)中的柱、梁、板；剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻板和樓板；樓梯、陽臺等。非承重類則是各種圍護構(gòu)件和裝修體系，如內(nèi)外墻板、空調(diào)板、陽臺板、幕墻、集成衛(wèi)生間和廚房等。

1.1.2.1 二維構(gòu)件

將框架結(jié)構(gòu)或框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的梁、柱等按每個開間、進深、層高劃分成直線形的單個構(gòu)件，剪力墻結(jié)構(gòu)中的各種承重墻體、構(gòu)造柱，加上樓板、屋面板、內(nèi)外墻板等，此類構(gòu)件在形式上是直線或者矩形的，形成了二維構(gòu)件。

二維構(gòu)件的外形簡單，從生產(chǎn)的角度來看其生產(chǎn)制造過程方便并便于管理，模板的重復(fù)使用率高，可實現(xiàn)高度的自動化生產(chǎn)，是能夠較容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的拆分方式。

1.1.2.2 三維構(gòu)件

如果將整個框架結(jié)構(gòu)中的劃分成若干個小的框架，這種小框架包括梁、柱和樓板，則形成三維構(gòu)件。三維構(gòu)件形式上更復(fù)雜，預(yù)制生產(chǎn)中模板重復(fù)使用率較低，自動化和工業(yè)化程度較為困難，人工參與度高。

1.1.2.3 異形構(gòu)件

建筑中還有一部分如樓梯、陽臺、空調(diào)板等，這些可歸入異形構(gòu)件類別中。此類構(gòu)件的生產(chǎn)過程雖然與異形構(gòu)件中形式難度上較為一致，但重復(fù)率高，行業(yè)上也可以實現(xiàn)比較高程度的自動化和工業(yè)化生產(chǎn)[1]。

1.1.3 構(gòu)件生產(chǎn)制造的一般工藝流程

第一，進行加工準(zhǔn)備，包括鋼筋及鋼筋網(wǎng)片加工、模板制作、預(yù)埋件加工等。

第二，驗收及組裝模板，刷脫模劑，根據(jù)需要刷緩凝劑等。

第三，驗收鋼筋及鋼筋網(wǎng)片、預(yù)埋件后進行安裝。

第四，混凝土的澆筑、振搗、養(yǎng)護。

第五，達到強度后拆模，并進行質(zhì)量檢驗、清理及修補等。

第六，運至成品庫堆放保護，待安裝。

1.2 生產(chǎn)組織方式

建筑中構(gòu)件的形狀各不相同，工藝流程不同，對生產(chǎn)線的要求也不盡相同。進行預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的企業(yè)一般根據(jù)投資規(guī)模、生產(chǎn)場地、生產(chǎn)構(gòu)件的類型及預(yù)期的生產(chǎn)規(guī)模等選擇生產(chǎn)的組織方式。當(dāng)前行業(yè)中主要的制造工藝包括固定臺座工藝和機組流水工藝兩種。

1.2.1固定臺座工藝

固定臺座工藝也稱為固定模臺工藝，是一種將加工對象，即預(yù)制構(gòu)件的整個制作過程固定在模臺上，由不同工種的操作人員依次進行生產(chǎn)的工藝。模臺在制造中起到底模的作用。固定臺座法是當(dāng)前行業(yè)中預(yù)制構(gòu)件的制作應(yīng)用最為廣泛的生產(chǎn)工藝。使用固定臺座法對場地和生產(chǎn)車間的要求較低，整個生產(chǎn)過程機械化和自動化程度較低。固定模臺工藝適應(yīng)性強、加工靈活，適用于非標(biāo)準(zhǔn)化異形構(gòu)件的生產(chǎn)。

1.2.2機組流水法

機組流水是將構(gòu)件放置于模具上，使模臺在流水線上繞固定線路循環(huán)運行，不同的工種處于固定位置進行生產(chǎn)制造工藝。機組流水工藝將預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)過程劃分為包含鋼筋、模板等不同的各個工作區(qū)。根據(jù)控制系統(tǒng)的自動化程度可以分為下面三種。

第一種是手控生產(chǎn)線，模臺的機械傳動過程依靠手動控制的生產(chǎn)線。

第二種是半自動生產(chǎn)線，是指包括混凝土成型設(shè)備，但不包括全自動鋼筋加工設(shè)備的生產(chǎn)線。它實現(xiàn)了圖樣輸入、模板清理、劃線、組模、脫模劑噴涂、混凝土澆筑、振搗等生產(chǎn)過程的自動化，鋼筋加工和入模則需要人工作業(yè)。

第三種是全自動生產(chǎn)線，在工業(yè)生產(chǎn)中依靠各種機械設(shè)備，并充分利用能源和信息手段完成工業(yè)化生產(chǎn)過程的生產(chǎn)線。

自動化生產(chǎn)線一般分為八大系統(tǒng)：鋼筋骨架成型系統(tǒng)、混凝土拌合供給系統(tǒng)、布料振搗系統(tǒng)、養(yǎng)護系統(tǒng)、脫模系統(tǒng)、附件安裝與成品輸送系統(tǒng)、模具返回系統(tǒng)、檢測堆碼系統(tǒng)。在模臺生產(chǎn)線上設(shè)置了自動清理機、自動噴油機（脫模劑）、劃線機和模具安裝、鋼筋骨架或桁架筋安裝、質(zhì)量檢測等工位，全過程進行自動化控制、循環(huán)流水作業(yè)[2]。

2 混凝土構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn)過程中信息化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)

BIM （Building Information Modeling） 是建筑信息模型的簡稱，也是當(dāng)前建筑行業(yè)中應(yīng)用廣泛的建模技術(shù)。BIM技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用集中在構(gòu)件的深化設(shè)計和模具設(shè)計方面，可以進行構(gòu)件深化設(shè)計階段的構(gòu)件編號、節(jié)點細化、信息模型制作、鋼筋翻樣、加工圖信息表達等內(nèi)容。BIM中的三維技術(shù)模型，可以為預(yù)制構(gòu)件的模具設(shè)計提供所需要的三維幾何數(shù)據(jù)以及相關(guān)輔助數(shù)據(jù)， 還可以將模具設(shè)計自動化。結(jié)合全自動化生產(chǎn)線，還可實現(xiàn)拼模的自動化[3]。

2.2 芯片追蹤技術(shù)

當(dāng)前應(yīng)用的芯片追蹤技術(shù)是射頻識別技術(shù)，主要應(yīng)用在構(gòu)件生產(chǎn)的質(zhì)量控制方面，將包含構(gòu)件信息的芯片預(yù)埋于構(gòu)件內(nèi)部并進行生產(chǎn)單位、時間和管理等相關(guān)信息的追蹤。

2.3 資源管理系統(tǒng)

資源管理系統(tǒng)，即ERP（Enterprise Resource Planning），是一項成熟的可以進行全企業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)化管理軟件。結(jié)合BIM和芯片識別技術(shù)，ERP系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)工廠提供的模臺情況安排生產(chǎn)車間的構(gòu)件加工計劃。

2.4 制造執(zhí)行系統(tǒng)

制造執(zhí)行系統(tǒng)，即MES （Manufacturing Execution System），是面對制造車間執(zhí)行過程開發(fā)的信息化管理系統(tǒng)，可以和前三個系統(tǒng)結(jié)合起來實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控和管理，方便管理及生產(chǎn)人員，提高整個生產(chǎn)效率。

3 智能制造

智能制造，即IM（Intelligent Manufacturing）， 是進入信息化時代后逐漸發(fā)展的一種先進生產(chǎn)技術(shù)。其核心概念是將信息技術(shù)，甚至是最新的智能機器人技術(shù)與制造技術(shù)進行融合而產(chǎn)生的新技術(shù)。

當(dāng)前整個市場對于智能化的認知處于較為模糊的階段，有人認為當(dāng)前使用的全自動化生產(chǎn)線已經(jīng)可以視為智能制造，還有的將信息技術(shù)應(yīng)用于制造技術(shù)開始作為智能制造的起點，對此劃分智能階段。但從信息技術(shù)的角度，智能一詞應(yīng)包含了智慧和能力，具有一定的自主性，即是否能夠在機械執(zhí)行指令的基礎(chǔ)上進一步升級，并具有自我修正和決策的能力。

智能建造是基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。智能制造系統(tǒng)的構(gòu)架如圖2所示。

目前預(yù)制構(gòu)件全自動化流水，雖已使用互聯(lián)網(wǎng)、系統(tǒng)化技術(shù)于制造過程，但還不具自主性，因此將現(xiàn)階段的預(yù)制構(gòu)件全自動流水線名為信息制造。具有智能化和自主性的特點才可稱為智能制造。

4 將智能制造引入裝配式建筑的思考

混凝土預(yù)制構(gòu)件的智能制造體可從以下2個方面著手。

4.1 預(yù)制構(gòu)件本身的智能化

預(yù)制構(gòu)件的智能化應(yīng)該是利用傳感及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在構(gòu)件中預(yù)埋或預(yù)設(shè)傳感設(shè)備。構(gòu)件智能化主要可用于質(zhì)量檢查和控制，即構(gòu)件可自檢裂縫數(shù)量、寬度及表面平整度等參數(shù)，將參數(shù)發(fā)送控制中心，控制中心可判斷是否合格。此項技術(shù)應(yīng)用費用高昂，短期內(nèi)實現(xiàn)可能度不太高，取決于未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展程度和成本。

4.2 生產(chǎn)過程的智能化

生產(chǎn)過程的智能化，即利用物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)，將生產(chǎn)過程中所包含的中控系統(tǒng)（軟件部分）和生產(chǎn)線上的機械及各種設(shè)備（硬件系統(tǒng)）進行有機融合。生產(chǎn)線應(yīng)裝配傳感、測量及數(shù)據(jù)收集設(shè)備，并可將數(shù)據(jù)實時發(fā)送至中控系統(tǒng)。中控系統(tǒng)具有自主判斷功能，真正做到由生產(chǎn)線來決定什么時候供料、什么時候生產(chǎn)、生產(chǎn)什么、使用什么模具的功能。為了實現(xiàn)上述智能，應(yīng)進行大量的技術(shù)和設(shè)備研發(fā)。具體有以下4個措施。

第一，在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上研發(fā)具有機械學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)功能的集成生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

第二，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)針對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的數(shù)字化設(shè)備。對于固定模臺工藝，設(shè)備的研發(fā)應(yīng)圍繞著固定模臺這個核心上，意味著生產(chǎn)過程中的各個生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備，如鋼筋加工系統(tǒng)、模具加工系統(tǒng)、混凝土加工系統(tǒng)等本身應(yīng)具有移動的能力。此舉將大大增加設(shè)備成本，從這個角度，固定模臺工藝的智能建造設(shè)備研發(fā)成本較高。對于流水工藝，當(dāng)前的設(shè)備已經(jīng)具有很高的自動化，下一步的落點應(yīng)該集中在如何加入傳感設(shè)備，實現(xiàn)真正的物聯(lián)網(wǎng)。從更廣泛的角度，設(shè)備的研發(fā)應(yīng)具有普遍適用性，即設(shè)備的組件應(yīng)該可以互換或替換后依舊互相適應(yīng)。

第三，生產(chǎn)環(huán)境的智能化研發(fā)。生產(chǎn)環(huán)境即車間、工廠。在智能化環(huán)境下，生產(chǎn)車間應(yīng)該稱為物聯(lián)網(wǎng)的一部分，能夠?qū)崟r監(jiān)控生產(chǎn)過程和設(shè)備的狀態(tài)，以防生產(chǎn)線的過度使用等問題。

第四，完善智能制造的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

當(dāng)前預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程，處在信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的潮流下自動化、規(guī)?；⒐I(yè)化的階段。而我國預(yù)制構(gòu)件的全自動化程度依舊處于較為初級的階段，更多的構(gòu)件預(yù)制處在手控、半自動化，應(yīng)用最廣泛的是自動化程度相對較低的固定模臺法。隨著信息和物理技術(shù)融合的逐漸發(fā)展，智能建造已經(jīng)成為了當(dāng)前一些科研機構(gòu)及高校的研究題目。智能制造的引入有助于提高生產(chǎn)和管理效率，完成預(yù)制構(gòu)件制造的產(chǎn)業(yè)升級。

參考文獻

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