裝配式建筑智能制造和智能建造的創(chuàng)新需求

覃春躍

（南寧學(xué)院）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及生產(chǎn)建造理念的持續(xù)更新，傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)模式已經(jīng)不能滿足社會發(fā)展需求，在大力發(fā)展裝配式建筑的時代背景下，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)和實(shí)際需求，加快智能化、自動化設(shè)備研發(fā)運(yùn)用，提高全生命周期信息流通共享水平，改善裝配式建筑實(shí)施管理效果，力求盡快實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)現(xiàn)代化、工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級。

2 裝配式建筑智能制造創(chuàng)新需求分析

2.1 構(gòu)件制造工藝

裝配式建筑是將主要建筑構(gòu)件在工廠生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場安裝實(shí)現(xiàn)的，因此，大批量的產(chǎn)品需要通過制造生產(chǎn)線完成，這些混凝土構(gòu)件的生產(chǎn)工藝流程包括安裝模板、綁扎鋼筋、澆筑混凝土、振搗、養(yǎng)護(hù)、拆除模板、起吊入庫、組織運(yùn)輸?shù)龋仨殗?yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)程序執(zhí)行，保證預(yù)制構(gòu)件制造質(zhì)量符合規(guī)范要求。

2.2 智能制造問題

裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件制造是根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行的，如果設(shè)計(jì)階段沒有充分考慮制造和裝配需求，那么經(jīng)常會出現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造、施工相沖突的問題，需要進(jìn)行變更、返工，導(dǎo)致資源浪費(fèi)、成本增加。在產(chǎn)品制造階段，雖然主要生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但是仍然存在許多問題：裝備可靠性差、精益生產(chǎn)能力不高、標(biāo)準(zhǔn)化程度比較低、主要生產(chǎn)設(shè)備之間的聯(lián)動性較差、設(shè)備功能與工藝流程配合效果不佳。許多制造車間采用的生產(chǎn)設(shè)備信息化和自動化水平低，需要依靠人工操控，容易出現(xiàn)參數(shù)混淆、工序錯亂等問題。在相關(guān)參與單位交流溝通方面，由于信息感知和集成能力較差，因信息反饋延遲導(dǎo)致的生產(chǎn)資源浪費(fèi)比較常見。在運(yùn)輸階段，信息共享困難，由于裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件種類和數(shù)量比較多，依靠傳統(tǒng)管理方法容易出現(xiàn)信息錯誤、查找困難、構(gòu)件丟失等問題，影響了運(yùn)輸管理效率，制約了后續(xù)施工作業(yè)效率。以上這些都是智能制造面對的核心問題，需要加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，提高信息化、智能化水平[1]。

2.3 創(chuàng)新需求分析

2.3.1 提高智能設(shè)計(jì)水平

為了提高裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件制造水平，必須從深化設(shè)計(jì)過程著手，盡可能從根源上避免問題的出現(xiàn)。根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)和業(yè)主需求，采用面向功能和性能的建筑產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建BIM設(shè)計(jì)模型，經(jīng)過碰撞檢測和受力分析后，導(dǎo)出面向制造和施工的數(shù)字模型及參數(shù)，利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、RFID等技術(shù)，通過設(shè)計(jì)參數(shù)與生產(chǎn)信息的比對，保證預(yù)制構(gòu)件制造過程的質(zhì)量控制效果，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)制造過程與設(shè)計(jì)過程的信息交互，防止上下游銜接不暢。

2.3.2 智能生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)

預(yù)制構(gòu)件制造是裝配式建筑建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，須與施工過程緊密銜接，通過構(gòu)建智能生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)精益生產(chǎn)目標(biāo)。建立預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程模型，利用傳感器、RFID等技術(shù)，全面記錄構(gòu)件生產(chǎn)過程信息，包括每道工序信息、質(zhì)量檢測信息等，同時將生產(chǎn)過程信息、車間庫存信息、施工現(xiàn)場信息等集成到生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)中，有效促進(jìn)生產(chǎn)、施工協(xié)同，在智能算法、精益生產(chǎn)理論的支持下，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)調(diào)度決策，減少生產(chǎn)和倉儲過程中的資源浪費(fèi)。

2.3.3 智能制造設(shè)備運(yùn)用

提高預(yù)制構(gòu)件制造生產(chǎn)線自動化水平，加強(qiáng)智能制造機(jī)械設(shè)備的研發(fā)運(yùn)用。工業(yè)機(jī)器人在產(chǎn)品智能制造中發(fā)揮著越來越重要的作用，使用擺模機(jī)器人及配套模具，能夠有效控制擺模精度，通過友好、開放、兼容的人機(jī)操作界面，可以自動化完成預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線模具的放置、固定、拆卸、回收工作，經(jīng)應(yīng)用實(shí)踐，擺模精度能夠控制在±2mm之內(nèi)。

研究鋼筋籠和模具一體化智能組裝設(shè)備，智能識別、搬運(yùn)、組裝模具和鋼筋籠，存儲和標(biāo)記相關(guān)信息，有效解決組裝工藝環(huán)節(jié)復(fù)雜、搬運(yùn)過程混亂、安裝精度不高等問題，而且有利于構(gòu)件的信息化建檔。

研制鋼筋籠自動綁扎及智能焊接設(shè)備，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范自動進(jìn)行鋼筋連接，提高鋼筋網(wǎng)片規(guī)格尺寸的精確度，自動按照設(shè)計(jì)尺寸預(yù)留預(yù)埋，精度可以控制在±10mm范圍內(nèi)，而且通過通信接口和互聯(lián)網(wǎng)可以遠(yuǎn)程進(jìn)行技術(shù)診斷和故障排除。

研制預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)混凝土智能布料設(shè)備，自動控制布料機(jī)啟停及運(yùn)行參數(shù)，控制布料速度，實(shí)現(xiàn)混凝土澆筑的精準(zhǔn)把握，而且下料均勻，振動高效，噪音較小，能夠自動清理剩余物料。

2.3.4 完善智能制造系統(tǒng)

智能制造系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)全自動流水作業(yè)的基礎(chǔ)保證，主要由智能制造、智能管理、智能分析等部分組成。智能制造子系統(tǒng)是由智能裝備組成的，并且由物聯(lián)網(wǎng)將各種智能生產(chǎn)裝備連接起來，完成預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集信息數(shù)據(jù)，并與生產(chǎn)管理子系統(tǒng)通信。生產(chǎn)管理子系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場產(chǎn)品狀態(tài)、制造進(jìn)度、資源計(jì)劃等方面的智能管控，通過網(wǎng)絡(luò)與智能分析子系統(tǒng)傳輸信息。智能分析子系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、處理、集成、分析、可視化設(shè)計(jì)等模塊組成，主要負(fù)責(zé)產(chǎn)品制造周期中的數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崟r控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程，達(dá)到智能優(yōu)化制造的目的。

利用智能制造系統(tǒng)，充分發(fā)揮云端服務(wù)優(yōu)勢，從產(chǎn)品類型和生產(chǎn)需求出發(fā)，分析優(yōu)化工藝流程，科學(xué)配置生產(chǎn)資源，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)線的自動建立與運(yùn)行。智能制造系統(tǒng)的核心要素有智能決策處理系統(tǒng)、智能生產(chǎn)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、分布式控制等，這些裝備和技術(shù)是實(shí)現(xiàn)資源開發(fā)利用、實(shí)時信息處理、質(zhì)量跟蹤控制的基礎(chǔ)支撐，作為智能單元個體，智能設(shè)備和功能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)局部環(huán)節(jié)的智能處理，在其他系統(tǒng)的輔助下，可以創(chuàng)建人機(jī)互聯(lián)的智能化生產(chǎn)環(huán)境，促進(jìn)智能單元個體向整體智能系統(tǒng)轉(zhuǎn)換升級。

2.3.5 提高智能運(yùn)輸水平

研究預(yù)制構(gòu)件專用運(yùn)輸設(shè)備，以往的預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸需要吊裝設(shè)備輔助，而且在運(yùn)輸過程中容易出現(xiàn)超限問題，如果路況不佳，可能會因顛簸造成損壞。運(yùn)用帶托盤的預(yù)制構(gòu)件專用運(yùn)輸車輛，無須吊裝便可以自裝卸，在復(fù)雜工況和不同荷載要求下，能夠滿足減震需求，智能托盤進(jìn)行離地高度調(diào)整，減少超限和顛簸破壞問題，同時配備防爆保護(hù)裝置，能夠有效避免托盤墜地。在此基礎(chǔ)上，提高運(yùn)輸過程信息化水平，通過配備GPS定位系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、RFID、傳感器，在電子運(yùn)單傳送到運(yùn)輸調(diào)度管理系統(tǒng)后，可以智能匹配相關(guān)信息，自動制定最佳運(yùn)輸方案，減少資源和能源浪費(fèi)，在運(yùn)輸時，可以實(shí)時查閱預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸情況，精準(zhǔn)計(jì)算預(yù)計(jì)到達(dá)時間，方便施工現(xiàn)場合理安排場地、人員、機(jī)械設(shè)備，根據(jù)時間節(jié)點(diǎn)做好卸貨準(zhǔn)備。

3 裝配式建筑智能建造創(chuàng)新需求分析

3.1 裝配施工流程

預(yù)制構(gòu)件在工廠制造完成后組織運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場安裝施工，通過預(yù)留的插筋、孔等進(jìn)行組合和連接，組裝成滿足設(shè)計(jì)要求的整體，主要工藝流程包括定位放線、構(gòu)件吊裝、套筒連接、套筒灌漿、支撐固定、疊合層澆筑等，裝配式建筑建造過程對作業(yè)精度提出了更高要求，作業(yè)內(nèi)容發(fā)生了改變，需要從具體工藝環(huán)節(jié)出發(fā)進(jìn)行智能建造問題分析和創(chuàng)新研究。

3.2 智能建造問題

狹義上的智能建造主要指在建筑施工階段，利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、BIM、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信等技術(shù)，創(chuàng)建智慧化建設(shè)環(huán)境，統(tǒng)籌分配建筑資源，使建設(shè)過程更加智能高效。現(xiàn)階段，我國的裝配式建筑智能建造水平比較低，存在許多問題需要解決，比如，吊裝機(jī)械設(shè)備自動化程度低、精度差，實(shí)施過程存在一定的質(zhì)量和安全隱患；節(jié)點(diǎn)連接方式依然以灌漿套筒連接為主，灌漿施工主要依靠人工完成；臨時支撐精度不高、調(diào)整困難等，容易出現(xiàn)資源浪費(fèi)現(xiàn)象[2]。

3.3 創(chuàng)新需求分析

3.3.1 智能吊裝創(chuàng)新需求

預(yù)制構(gòu)件的吊裝施工具有較大難度，需要依靠大型機(jī)械設(shè)備，而且吊裝精度把控困難。利用GPS、傳感器、RFID等技術(shù)，將現(xiàn)場施工要素轉(zhuǎn)化為智能施工對象，能夠被感知特性，實(shí)時采集信息并傳輸?shù)绞┕がF(xiàn)場資源要素管理系統(tǒng)，通過智能運(yùn)算合理調(diào)度施工資源，將構(gòu)件制造信息、吊裝施工方案、質(zhì)量檢測信息等傳送到工程質(zhì)量檢測系統(tǒng)，將施工現(xiàn)場安全監(jiān)管信息傳送到工程安全預(yù)警系統(tǒng)，使整個現(xiàn)場吊裝過程處于可視化監(jiān)管狀態(tài)。研制智能化吊裝設(shè)備，開發(fā)智能操控系統(tǒng)，提高吊裝設(shè)備的智能性和操控的便利性，運(yùn)用具有PLC編程控制器的智能吊裝機(jī)械，能夠自動進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控和故障診斷，保證預(yù)制構(gòu)件吊裝的速度和精度。

3.3.2 智能安裝創(chuàng)新需求

預(yù)制構(gòu)件吊裝到作業(yè)面后，需要進(jìn)行位置調(diào)整和支撐固定，研制高精度自適應(yīng)斜撐系統(tǒng)，自動測量墻體角度數(shù)據(jù)，并根據(jù)結(jié)果自動調(diào)整斜撐系統(tǒng)，這樣可以有效提高安裝精度、減少調(diào)整時間。同時，研制智能化灌漿設(shè)備，集上料、制漿、注漿等工藝流程于一體，實(shí)現(xiàn)自動設(shè)計(jì)、自動計(jì)量、自動配漿、自動注漿、自動清洗，提高注漿施工效果，減少對人工作業(yè)的依賴。研制自動鋪地設(shè)備，根據(jù)瓷磚規(guī)格、鋪裝范圍等數(shù)據(jù)，自動進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)、規(guī)劃調(diào)整，完成砂漿涂抹、瓷磚搬運(yùn)、切割加工等作業(yè)，減少建筑材料浪費(fèi)。研發(fā)建筑3D打印設(shè)備，解決軟硬件兼容問題，設(shè)計(jì)合適的材料輸送系統(tǒng)和打印噴頭形式，研發(fā)具有優(yōu)良性能的新型打印材料，解決裝配式建筑智能建造的核心問題。

3.3.3 智能管理創(chuàng)新需求

在資源管理方面，除了對預(yù)制構(gòu)件狀態(tài)的跟蹤管理，還應(yīng)該對機(jī)械、人員及其他物料等資源要素加強(qiáng)管理，向現(xiàn)場管理人員和施工人員發(fā)放GPS定位器，實(shí)時采集人員信息，在其他管理系統(tǒng)的輔助下，能夠可視化顯示人員位置、狀態(tài)，自動分析人力資源配置情況，作出針對性優(yōu)化調(diào)整，對施工機(jī)械設(shè)備統(tǒng)一編碼，綁定定位芯片，實(shí)時監(jiān)控位置和運(yùn)行狀態(tài)，防止出現(xiàn)機(jī)械資源浪費(fèi)或供給不足的問題。

在進(jìn)度管理上，依靠物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行狀態(tài)感知，將采集到的進(jìn)度信息傳送到BIM模型中，對比實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度之間的差異，利用大數(shù)據(jù)重新計(jì)算實(shí)時數(shù)據(jù)，優(yōu)化調(diào)整進(jìn)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)智能化進(jìn)度管理。另外，在質(zhì)量、安全、成本管理方面，同樣要以數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，利用智能化系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控與對比分析，做到有效預(yù)警、追蹤整改，提高智能管理效果[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)裝配式建筑特點(diǎn)，智能制造主要針對的是預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，智能建造主要針對的是現(xiàn)場安裝施工環(huán)節(jié)，涉及的行業(yè)和技術(shù)類型有所不同。在智能制造方面，通過智能設(shè)備、智能系統(tǒng)的運(yùn)用，有利于提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和效率，在智能建造方面，通過關(guān)鍵工藝的智能化改造以及先進(jìn)管理系統(tǒng)研發(fā)，有利于提高現(xiàn)場施工效果，維護(hù)各項(xiàng)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。