疊合板構(gòu)件智能化預(yù)制生產(chǎn)技術(shù)研究

吳阿勤 （中國(guó)中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031）

0 前言

隨著新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)不斷革新與深度融合，智能化預(yù)制生產(chǎn)逐步成為我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要方向。智能化預(yù)制生產(chǎn)是一種高效、高質(zhì)量的生產(chǎn)模式，是一個(gè)跨越諸多學(xué)科的新興研究領(lǐng)域，更是一個(gè)復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)。本文基于中鐵四局集團(tuán)海口綜合管廊預(yù)制廠，對(duì)其疊合板生產(chǎn)從智能制造工藝與裝備和智能科學(xué)管理等兩方面進(jìn)行研究，為我國(guó)預(yù)制裝配式管廊的發(fā)展做好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 智能制造工藝與裝備

制造裝備的智能化是體現(xiàn)預(yù)制生產(chǎn)技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一，智能化的制造裝備可以完成與制造工藝的“主動(dòng)”配合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備-人-工藝之間的高效協(xié)同。中鐵四局集團(tuán)海口綜合管廊預(yù)制廠的疊合板生產(chǎn)線是一條全自動(dòng)數(shù)控生產(chǎn)線，通過(guò)智能布料振搗系統(tǒng)、蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)疊合系統(tǒng)以及中央控制系統(tǒng)等智能化系統(tǒng)，完成裝配式管廊疊合板構(gòu)件的智能化預(yù)制生產(chǎn)。

1.1 智能布料、振搗系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)的操作可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布料、智能振搗，保證混凝土澆筑的密實(shí)性。在上位機(jī)過(guò)程，其界面包含手動(dòng)模塊和自動(dòng)模塊2種，能夠通過(guò)界面操作完成各項(xiàng)操作。利用手動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和啟停控制、補(bǔ)料控制等操作。參數(shù)設(shè)置需要根據(jù)疊合板構(gòu)件的厚度、幾何尺寸、混凝土的數(shù)量及塌落度等參數(shù)調(diào)整布料機(jī)相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，對(duì)布料機(jī)的行走速度、下料速度進(jìn)行控制，保證滿足生產(chǎn)線的節(jié)拍要求。參數(shù)設(shè)置完成后，啟動(dòng)自動(dòng)模塊，由系統(tǒng)完成布料工作。

模臺(tái)上所有的構(gòu)件完成布料后，震動(dòng)臺(tái)上升（或下降）并將模臺(tái)鎖死在振動(dòng)臺(tái)上使之在振搗過(guò)程中沒(méi)有相對(duì)移動(dòng)。根據(jù)構(gòu)件的尺寸、混凝土的塌落度等參數(shù)調(diào)整振搗器的頻率和運(yùn)作時(shí)間。振搗分為3個(gè)過(guò)程：橫向搖擺、縱向搖擺和高頻振搗。橫向搖擺和縱向搖擺時(shí)間均控制在30～50s之間，高頻振搗根據(jù)構(gòu)件尺寸選擇頻率和時(shí)間；外墻和中隔墻采用90HZ的頻率振搗60～80s，頂板采用80HZ的頻率振搗60～80s，為防止過(guò)振高頻振搗時(shí)間不得超過(guò)80s。

圖1 智能布料、振搗系統(tǒng)

1.2 蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

立體式蒸汽養(yǎng)護(hù)窯采用濕熱蒸養(yǎng)方式，利用蒸汽管道散發(fā)的熱量及直接通入窯內(nèi)的蒸汽獲得所需的溫度及濕度；溫度及濕度自動(dòng)監(jiān)控，溫度及濕度變化全自動(dòng)控制，蒸養(yǎng)溫度最高不超過(guò)55℃，確保升溫及降溫的速度符合要求，同時(shí)確保養(yǎng)護(hù)窯內(nèi)各點(diǎn)溫度均勻。窯內(nèi)升、降溫速度不宜超過(guò)20℃/h，預(yù)制構(gòu)件脫模時(shí)的表面溫度與環(huán)境溫度的差值不宜超過(guò)25℃。

疊合板預(yù)制構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)制度可分為4個(gè)階段：預(yù)養(yǎng)、升溫、恒溫和降溫。各階段的主要控制參數(shù)有：升溫時(shí)間（或升溫速度）、恒溫時(shí)間和恒溫速度、降溫時(shí)間（或降溫速度）。

①預(yù)養(yǎng)期：從疊合板構(gòu)件澆注振搗（雙層板需翻轉(zhuǎn)疊合）成型后至進(jìn)窯養(yǎng)護(hù)前，構(gòu)件需在常溫下放置時(shí)間控制在約2.5h，最高氣溫不超過(guò)35℃。

②升溫期：該階段是疊合板構(gòu)件的定型階段，是養(yǎng)護(hù)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。其主要控制參數(shù)是溫控時(shí)間和升溫速度。對(duì)于預(yù)養(yǎng)時(shí)間比較長(zhǎng)或初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較高的疊合板構(gòu)件，升溫速度加快；反之，則需要緩慢升溫。升溫速度嚴(yán)格控制在15℃/h以內(nèi)。溫控總時(shí)間約1.5h，窯內(nèi)最高溫度不超過(guò)55℃。

③恒溫期：該階段的主要控制參數(shù)是恒溫溫度和恒溫時(shí)間。恒溫溫度低，則恒溫時(shí)間要長(zhǎng)些；恒溫溫度高，則恒溫時(shí)間較短。總結(jié)疊合板養(yǎng)護(hù)工藝以及參考相關(guān)國(guó)標(biāo)和行標(biāo)，在恒溫期溫控時(shí)間不宜超過(guò)4h；恒溫最高溫度不宜超過(guò)55℃。

④降溫期：降溫速度是本階段的重要控制參數(shù)。疊合板的養(yǎng)護(hù)在降溫期的降溫速度不得大于10℃/h，溫控時(shí)間控制在2h左右。疊合板出窯的溫度與環(huán)境溫差不得超過(guò)15℃。

圖2 蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

1.3 翻轉(zhuǎn)疊合系統(tǒng)

疊合板翻轉(zhuǎn)疊合系統(tǒng)具有本地、遠(yuǎn)程、維護(hù)3種控制模式，在本地和遠(yuǎn)程控制模式下有限位傳感器進(jìn)行限位控制，在維護(hù)狀態(tài)下有極少量傳感器進(jìn)行限制。疊合板翻轉(zhuǎn)機(jī)將養(yǎng)護(hù)好的疊合板構(gòu)件及其模板從滾輪輸送線上接取，并經(jīng)過(guò)抽銷模板卡緊、壓緊疊合板、翻轉(zhuǎn)、行走、疊合、松模板、提升等過(guò)程將養(yǎng)護(hù)好的疊合板與剛澆筑的混凝土構(gòu)件疊合形成雙層板，并把空模板放回滾輪輸送線上。

雙層疊合板翻轉(zhuǎn)機(jī)從滾輪輸送線上取養(yǎng)護(hù)好的疊合板構(gòu)件及其模板，提升后將養(yǎng)護(hù)好的疊合板構(gòu)件及其模板翻轉(zhuǎn)180。并送到指定位置，將養(yǎng)護(hù)好的構(gòu)件與剛澆筑的混凝土構(gòu)件疊合，經(jīng)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)密實(shí)后形成雙層板，疊合板翻轉(zhuǎn)機(jī)再將空模板翻轉(zhuǎn)180°并放回滾輪輸送線，雙層板構(gòu)件經(jīng)滾輪輸送線送到碼垛車，再次送入養(yǎng)護(hù)窯進(jìn)行二次蒸養(yǎng)，如圖3所示。為了保證預(yù)制構(gòu)件疊合的精度，保證構(gòu)件厚度誤差控制在允許范圍之內(nèi)，采取以下措施：

①疊合前分別對(duì)上下模臺(tái)上的邊模進(jìn)行對(duì)角線檢查，保證誤差在±2mm之內(nèi)；

②疊合前對(duì)保護(hù)層定位鋼筋進(jìn)行尺寸檢查，誤差控制在±1mm；

③疊合中對(duì)上下模臺(tái)的位置進(jìn)行復(fù)核，保證誤差在可控范圍之內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)件的疊合；

④疊合中利用邊模上的槽孔對(duì)疊合的精度進(jìn)行復(fù)核，如尺寸偏差超過(guò)允許范圍，需重新調(diào)整再進(jìn)行翻轉(zhuǎn)疊合；

⑤疊合完成后，對(duì)疊合構(gòu)件進(jìn)行整體系統(tǒng)性檢查，保證疊合板能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的要求。

圖3 翻轉(zhuǎn)疊合系統(tǒng)

1.4 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)主要對(duì)整個(gè)流水線循環(huán)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和控制，鋼性底模的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行有效的安排，同時(shí)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)輸過(guò)程的優(yōu)化，能夠及時(shí)檢測(cè)和傳輸故障信息，并通過(guò)遠(yuǎn)程維護(hù)模塊進(jìn)行自動(dòng)分析和排除。疊合板流水線上所有信息均可匯至中央控制系統(tǒng)，并由中央控制系統(tǒng)發(fā)出指令控制生產(chǎn)線沿途的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

中央控制系統(tǒng)由若干個(gè)智能體組成，通過(guò)分解控制和組合指令實(shí)現(xiàn)各智能體有效地協(xié)調(diào)工作。基于各智能體辨識(shí)，依據(jù)各個(gè)智能設(shè)備控制系統(tǒng)的工藝要求和功能，采用集中和分布相結(jié)合的方式構(gòu)建流水線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。

中央控制系統(tǒng)在有限時(shí)間和資源的約束下，可解決疊合板生產(chǎn)任務(wù)調(diào)配、智能設(shè)備動(dòng)作協(xié)調(diào)以及化解流水線循環(huán)作業(yè)沖突等協(xié)調(diào)問(wèn)題。基于多智能體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，可分析各個(gè)智能設(shè)備運(yùn)作之間的相互影響程度和相互約束條件，在滿足每個(gè)智能設(shè)備對(duì)其他相關(guān)智能設(shè)備的解耦或補(bǔ)償?shù)钠谕蟮臈l件下，并建立相應(yīng)的流水運(yùn)作方法，保證疊合板流水線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 智能科學(xué)管理

2.1 智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)

依據(jù)疊合板預(yù)制生產(chǎn)特點(diǎn)，引入智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)（iPCMES系統(tǒng)），對(duì)現(xiàn)有疊合板生產(chǎn)線進(jìn)行升價(jià)改造，實(shí)現(xiàn)預(yù)制生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)資源最優(yōu)化配置、生產(chǎn)任務(wù)和物流實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度、生產(chǎn)過(guò)程精細(xì)化管理和智慧科學(xué)管理決策，提高疊合板的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量定制生產(chǎn)需求，拓展價(jià)值增值空間。其特點(diǎn)如下：

①在疊合板生產(chǎn)線上，可對(duì)作業(yè)中的模臺(tái)進(jìn)行全程監(jiān)控，保證預(yù)制生產(chǎn)順利進(jìn)行；

②該系統(tǒng)可對(duì)布料機(jī)進(jìn)行智能控制，通過(guò)輸入布料參數(shù)實(shí)現(xiàn)智能布料，可有效控制出料的方量、布料的范圍，提高生產(chǎn)效率；

③該系統(tǒng)對(duì)蒸汽養(yǎng)護(hù)窯進(jìn)行溫度及濕度自動(dòng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)溫度及濕度變化全自動(dòng)控制，保證蒸養(yǎng)溫度最高不超過(guò)55℃，確保升溫及降溫的速度符合要求，同時(shí)確保養(yǎng)護(hù)窯內(nèi)各點(diǎn)溫度均勻。

圖4 智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)

2.2 信息化預(yù)制生產(chǎn)管理系統(tǒng)

基于BIM圖元信息采用二維碼物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)疊合板進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新和全生命周期管理。二維碼作為預(yù)制構(gòu)件的信息載體，也是各環(huán)節(jié)有效協(xié)同的紐帶，通過(guò)二維碼承載信息實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的身份識(shí)別、狀態(tài)確認(rèn)、技術(shù)交底等操作，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件從計(jì)劃下達(dá)、生產(chǎn)下線、檢驗(yàn)出廠、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收、吊裝就位、后期維護(hù)的全過(guò)程管理。有了二維碼這個(gè)載體，還需要有效協(xié)同才能實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件高效有序地排產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝。協(xié)同計(jì)劃通過(guò)倒排吊裝日期、到場(chǎng)日期、出廠日期、生產(chǎn)日期、排產(chǎn)日期，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝等不同工序的高效協(xié)同。

根據(jù)各工序計(jì)劃日期提前推送任務(wù)消息給相關(guān)工序負(fù)責(zé)人，每個(gè)工序完成時(shí)給后續(xù)工序推送任務(wù)消息。該計(jì)劃與傳統(tǒng)的進(jìn)度計(jì)劃有幾點(diǎn)不同：①現(xiàn)場(chǎng)工序任務(wù)分解到具體構(gòu)件；②基于構(gòu)件倒排吊裝日期、到場(chǎng)日期、出廠日期、生產(chǎn)日期、排產(chǎn)日期；③基于構(gòu)件對(duì)應(yīng)的物料清單，根據(jù)排產(chǎn)日期下達(dá)采購(gòu)計(jì)劃；④可以形成工作任務(wù)推送到相關(guān)人員的日程安排，支持PC和手機(jī)移動(dòng)端提醒查看。

這套方法原理簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、容易推廣，已經(jīng)在海口綜合管廊項(xiàng)目施工過(guò)程得到有效檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)、采購(gòu)、生產(chǎn)、施工各相關(guān)單位按照協(xié)同計(jì)劃組織各項(xiàng)作業(yè)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于中鐵四局集團(tuán)海口綜合管廊預(yù)制廠，闡述了疊合板生產(chǎn)線的智能布料和振搗系統(tǒng)、蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)疊合系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)等智能制造裝備及其預(yù)制生產(chǎn)工藝，同時(shí)對(duì)引進(jìn)的智能生產(chǎn)系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明，以此揭示了管廊疊合板智能預(yù)制生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，助力我國(guó)預(yù)制裝配式管廊的發(fā)展。