裝配式建筑的智能化制造與裝配工藝優(yōu)化*

石夏斌

(中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司 太原 030000)

裝配式建筑作為一種現(xiàn)代化的建造方式,突破了傳統(tǒng)施工的限制,以模塊化、工廠化的生產(chǎn)模式,將建筑構(gòu)件在工廠中預(yù)制制造,然后在現(xiàn)場進(jìn)行快速、高效的裝配。這種方法不僅縮短了施工周期,減少了資源浪費,更在提高建筑質(zhì)量和安全性方面表現(xiàn)出色。然而,隨著市場對建筑質(zhì)量和效率要求的提升,智能化制造與裝配工藝的優(yōu)化逐漸凸顯其重要性。

1 工程概況

筆者將以陜西某建筑工程項目為例,該項目位于陜西省省會城市,總用地面積為28 500 m2,總建筑面積達(dá)到95 700 m2平方米,其中地上建筑面積為71 800 m2,地下建筑面積為23 900 m2。

項目涉及到多棟建筑,包括主樓和附屬建筑,總共分為A、B、C三個標(biāo)段進(jìn)行施工。主樓為裝配式建筑,共有6棟,每棟主樓為18層裝配式住宅,地上18層,高度達(dá)到54 m,該項目的設(shè)計目標(biāo)是為當(dāng)?shù)厥忻裉峁┈F(xiàn)代化、舒適的居住環(huán)境,同時注重建筑的可持續(xù)性和環(huán)保性。主樓采用了裝配式混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu),裝配率達(dá)到45%。項目中的預(yù)制構(gòu)件包括預(yù)制混凝土剪力墻板、預(yù)制樓梯、疊合樓板、預(yù)制陽臺板等。

2 數(shù)字化設(shè)計與BIM 技術(shù)

在陜西省建筑工程項目中,數(shù)字化設(shè)計與BIM 技術(shù)的應(yīng)用為裝配式建筑的智能化制造與裝配工藝優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的支持。通過充分利用數(shù)字化設(shè)計和BIM 技術(shù),設(shè)計、制造和施工等多個環(huán)節(jié)得以高度協(xié)同和精確控制,從而實現(xiàn)了更高效、更精確的裝配式建筑生產(chǎn)。

2.1 數(shù)字化設(shè)計的應(yīng)用

在陜西省建筑工程中,數(shù)字化設(shè)計發(fā)揮著關(guān)鍵作用,為智能化制造與裝配工藝的優(yōu)化打下堅實基礎(chǔ)。設(shè)計團(tuán)隊借助先進(jìn)的設(shè)計軟件和工具,通過數(shù)字化建模對各個建筑元素進(jìn)行全過程的精確模擬和優(yōu)化,這不僅有助于準(zhǔn)確地呈現(xiàn)構(gòu)件的尺寸、形狀和連接方式,還能夠有效地避免傳統(tǒng)手繪設(shè)計帶來的誤差以及不確定性。

具體而言,在陜西項目中,每棟主樓的裝配構(gòu)件均可以通過三維建模的方式呈現(xiàn),包括預(yù)制混凝土剪力墻板、預(yù)制樓梯、疊合樓板、預(yù)制陽臺板等。每個構(gòu)件的詳細(xì)信息,包括材料、尺寸、連接方式等,都被精確地錄入數(shù)字模型中,這些數(shù)字模型不僅為后續(xù)的生產(chǎn)和裝配提供了準(zhǔn)確的依據(jù),也實現(xiàn)了多個團(tuán)隊之間的協(xié)同工作,確保了設(shè)計的一致性和可執(zhí)行性。

2.2 BIM 技術(shù)的應(yīng)用

BIM 技術(shù)(建筑信息模型)是數(shù)字化設(shè)計的重要支持工具,在裝配式建筑的智能化制造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在陜西項目中,BIM 技術(shù)廣泛應(yīng)用于設(shè)計、制造和施工的各個階段,為整個項目的成功實施提供了堅實的技術(shù)支持。

首先,在設(shè)計階段,BIM 技術(shù)實現(xiàn)了不同專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計。建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、機(jī)電工程師等可以在同一個平臺上共同設(shè)計和交流。通過BIM 技術(shù),他們能夠更加準(zhǔn)確地分析和解決設(shè)計中的沖突和問題,提高了設(shè)計的精確性和可行性。

其次,BIM 技術(shù)在制造階段也扮演著重要角色。通過BIM 模型,制造團(tuán)隊能夠準(zhǔn)確地了解每個構(gòu)件的詳細(xì)信息,包括材料、尺寸、連接方式等,這為生產(chǎn)線上的材料切割、成型和連接提供了明確的依據(jù),從而確保了構(gòu)件質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。同時,BIM 技術(shù)還為制造過程的監(jiān)控和調(diào)整提供了數(shù)據(jù)支持,實現(xiàn)了實時的質(zhì)量控制。

最后,在施工階段,BIM 技術(shù)為現(xiàn)場管理和協(xié)調(diào)提供了有力工具。施工人員可以通過BIM 模型獲取裝配的指引,確保每個構(gòu)件的正確安裝位置和順序。與傳統(tǒng)的施工圖相比,BIM 模型更加地直觀和精確,有助于降低人為錯誤和誤差。

3 智能化制造

在陜西省建筑工程項目中,智能化制造是實現(xiàn)裝配式建筑的關(guān)鍵一環(huán),通過運用智能設(shè)備、機(jī)器人技術(shù)和數(shù)據(jù)分析,優(yōu)化了生產(chǎn)流程,提高了構(gòu)件制造的質(zhì)量和效率。

3.1 預(yù)制構(gòu)件制造

在該項目中,預(yù)制構(gòu)件的制造是智能化制造的核心。項目采用了先進(jìn)的生產(chǎn)線和智能設(shè)備,如數(shù)控切割機(jī)、全自動成形機(jī)等,實現(xiàn)了材料的精確切割和成形。每個構(gòu)件都經(jīng)過嚴(yán)格的尺寸控制,確保在裝配時的準(zhǔn)確性。

生產(chǎn)團(tuán)隊根據(jù)BIM 模型提供的信息,準(zhǔn)備所需的材料,包括預(yù)制混凝土、鋼筋等。每批材料都經(jīng)過質(zhì)量檢驗,確保符合設(shè)計要求。隨后,進(jìn)行智能切割。數(shù)控切割機(jī)根據(jù)BIM 模型中的數(shù)據(jù),精確地切割材料,獲得所需的構(gòu)件零部件。切割過程由智能軟件控制,確保尺寸的準(zhǔn)確性。在切割完成后,使用全自動成形機(jī)進(jìn)行材料的成形,如預(yù)制混凝土墻板的成形。成形過程中的振動和壓實由智能設(shè)備自動控制,確保混凝土的均勻性和密實性。在材料成形后,需要進(jìn)行質(zhì)量檢驗,包括尺寸、外觀和材質(zhì)的檢查。任何不合格的構(gòu)件都將被淘汰,以確保裝配的質(zhì)量。

3.2 裝配線智能化

在陜西項目中智能化裝配線上,智能化技術(shù)也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。機(jī)器人技術(shù)被廣泛應(yīng)用于構(gòu)件的組裝和連接,確保裝配的精度和效率。

機(jī)器人可以根據(jù)BIM 模型的引導(dǎo),將預(yù)制構(gòu)件零部件進(jìn)行組裝。利用先進(jìn)的感知技術(shù),機(jī)器人能夠精確識別每個構(gòu)件的位置和角度,從而實現(xiàn)高精度的定位和連接。在裝配過程中,機(jī)器人可以應(yīng)用力學(xué)原理,實現(xiàn)材料的精準(zhǔn)壓合、焊接或螺栓連接,確保每個構(gòu)件在建筑體系中的精確性和一致性。同時,可以利用智能設(shè)備實現(xiàn)自動化連接,如預(yù)制墻板之間的連接。自動化的連接過程可以消除人為誤差,提高連接的牢固性。在這過程中,為了確保裝配線智能化質(zhì)量,可以通過數(shù)據(jù)監(jiān)控的方式,實時采集基本的溫度、壓力、振動等數(shù)據(jù),并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析和比對。通過與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比,系統(tǒng)可以及時檢測裝配過程中的異常情況,如材料偏差、構(gòu)件位置偏移等,以便盡早發(fā)現(xiàn)潛在問題,并進(jìn)行糾正,從而確保整個建筑系統(tǒng)的可靠性和安全性。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 陜西項目中智能化制造的實施情況表

4 信息化管理

在陜西省建筑工程項目中,信息化管理是實現(xiàn)裝配式建筑智能化制造與裝配工藝優(yōu)化的重要手段,通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析,實時監(jiān)測和管理生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù),從而確保制造環(huán)境的穩(wěn)定性和構(gòu)件的質(zhì)量。

4.1 物聯(lián)網(wǎng)傳感器的應(yīng)用

在該項目中,大量的物聯(lián)網(wǎng)傳感器部署在生產(chǎn)線上,以監(jiān)測各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)變化。例如,溫濕度傳感器:在生產(chǎn)車間中布置溫濕度傳感器,實時監(jiān)測環(huán)境溫度和濕度,這些數(shù)據(jù)對于混凝土的硬化和構(gòu)件質(zhì)量有重要影響,傳感器能夠及時反饋異常情況,以保持制造環(huán)境的穩(wěn)定性;壓力傳感器:在構(gòu)件成形和連接過程中使用壓力傳感器,監(jiān)測振動和壓實情況?？梢酝ㄟ^對振動頻率和壓力變化的分析,判斷構(gòu)件成形和連接的質(zhì)量;位移傳感器:位移傳感器主要安裝在機(jī)器人和裝配設(shè)備上,用于測量構(gòu)件的定位精度。傳感器可以捕捉到任何定位誤差,并通過數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行校正。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 陜西省建筑工程項目中物聯(lián)網(wǎng)傳感器的應(yīng)用情況表

表3 模塊化構(gòu)件在智能化裝配過程中的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)表

4.2 實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析

物聯(lián)網(wǎng)傳感器獲取的數(shù)據(jù),可以實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行分析和處理。具體過程如下:

數(shù)據(jù)采集:物聯(lián)網(wǎng)傳感器實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等,將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)存儲:中央數(shù)據(jù)庫存儲所有采集到的數(shù)據(jù),并根據(jù)時間戳進(jìn)行分類和整理。

數(shù)據(jù)分析:數(shù)據(jù)分析軟件對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,識別出異常情況和趨勢變化。例如,通過分析溫度和濕度數(shù)據(jù),可以判斷混凝土的硬化情況。

實時反饋:一旦檢測到異常情況,系統(tǒng)會發(fā)出實時警報,通知相關(guān)人員進(jìn)行處理。同時,數(shù)據(jù)分析的結(jié)果也可以為制造過程的調(diào)整和優(yōu)化提供依據(jù)。

5 模塊化設(shè)計

在陜西省建筑工程項目中,模塊化設(shè)計是一項關(guān)鍵策略,旨在實現(xiàn)裝配式建筑的智能化制造與裝配工藝的優(yōu)化。通過將建筑劃分為多個獨立的模塊,可以在工廠環(huán)境中高效地制造這些模塊,然后在現(xiàn)場迅速組裝,從而提高施工效率、保障質(zhì)量、減少浪費,實現(xiàn)可持續(xù)建設(shè)的目標(biāo)。

首先,設(shè)計團(tuán)隊對建筑進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃和分析,將建筑劃分為不同的模塊,如墻體、樓板、樓梯、陽臺等。每個模塊的尺寸、結(jié)構(gòu)和功能都經(jīng)過精心設(shè)計,以確保模塊在工廠制造和現(xiàn)場組裝時的一致性和互換性。在模塊劃分確定后,制定預(yù)制計劃,確定每個模塊的制造流程、工藝和材料需求。預(yù)制計劃需要考慮生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備和工人培訓(xùn)等因素,以確保模塊的高質(zhì)量制造。其次,各個模塊在工廠中進(jìn)行預(yù)制制造,以確保模塊的精確制造和一致性。在制造完成后,模塊經(jīng)過質(zhì)量檢查,方可通過合適的運輸方式運送至施工現(xiàn)場。在運輸過程中需要采取防震、防水等措施,確保模塊安全到達(dá)現(xiàn)場。最后,在進(jìn)入施工現(xiàn)場后,按照預(yù)制計劃和設(shè)計要求,對各個模塊進(jìn)行組裝。由于模塊在工廠中已經(jīng)經(jīng)過精確制造,現(xiàn)場組裝可以更加迅速高效地進(jìn)行。

6 智能化裝配

在陜西省建筑工程項目中,通過引入智能引導(dǎo)系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實技術(shù),可以實現(xiàn)工人在裝配過程中的精確引導(dǎo)和輔助,從而提高裝配的效率、質(zhì)量和安全性。

(1)引入智能引導(dǎo)系統(tǒng)。在裝配現(xiàn)場,通過引入智能引導(dǎo)系統(tǒng),工人可以使用移動設(shè)備或頭戴式顯示設(shè)備,獲取裝配任務(wù)的具體要求和步驟。系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)計圖紙和實際情況,為工人提供裝配的指引,確保每個構(gòu)件按照正確的位置和順序進(jìn)行裝配。

(2)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用。工人可以通過虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù),以沉浸式的方式預(yù)覽裝配的過程和結(jié)果,這有助于工人更好地理解裝配要求,減少錯誤和調(diào)整的可能性。此外,虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以用于培訓(xùn)施工人員,提升其技能水平。

(3)實時監(jiān)控與反饋。在裝配過程中,智能化系統(tǒng)可以實時監(jiān)控每個構(gòu)件的裝配情況。傳感器可以檢測構(gòu)件的位置、角度、連接情況等參數(shù),將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胂到y(tǒng)進(jìn)行分析。如果發(fā)現(xiàn)裝配錯誤或不匹配,系統(tǒng)會發(fā)出警報并提供相應(yīng)的糾正建議。具體情況見表3。

數(shù)據(jù)記錄與分析:智能化裝配系統(tǒng)可以記錄裝配過程中的各種數(shù)據(jù),包括時間、步驟、工人信息等,這些數(shù)據(jù)可以用于后續(xù)的分析和優(yōu)化,幫助識別裝配過程中的潛在問題,并提出改進(jìn)方案。

7 結(jié)語

綜上所述,裝配式建筑的智能化制造與裝配工藝優(yōu)化不僅是科技與建筑融合的產(chǎn)物,更是建筑行業(yè)不斷創(chuàng)新發(fā)展的必然結(jié)果,這種趨勢不僅在提高建筑效率、質(zhì)量方面具有重要意義,而且更為未來城市的可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。因此,在不斷挑戰(zhàn)和探索的過程中,智能化制造與裝配工藝的優(yōu)化必將引領(lǐng)裝配式建筑持續(xù)邁向更智能、更高效的時代。