可擴展組合式預制構件數字化生產線的研究

朱敏濤

上海建工材料工程有限公司 上海 200086

1 研究背景

隨著我國建筑產業化的不斷推進，預制構件生產企業大量涌現，預制構件生產線基本以傳統固定模臺、平模流水法（移動模臺法）為主，輔以少量預應力長線臺座法生產線。傳統固定模臺生產產品適應性強，但是作業環境差、機械化程度低；平模流水法比較適合形狀簡單的疊合樓板和內墻板等構件，當發生生產線故障時影響大；預應力長線臺座適宜生產預應力疊合板和空心板等構件，機械化程度高，生產效率高。

本文通過在原有PHC管樁生產廠房的基礎上，引進吸收先進技術，研制了一條新型雙向可擴展預制構件數字化生產線。該生產線具有生產設施和裝備可擴展布置以及有機組合、構件生產數字化和機械化程度高、產品適應性強、投資少等特點，提升了預制構件的生產效率。基于此數字化生產線還開發了從構件產品設計、構件庫選擇、模具設計加工到構件數字化生產的預制構件數字化生產系統，實現了部分預制混凝土構件的數字化生產。

2 可擴展組合預制構件數字化生產線的總體布局

可擴展式模臺預制構件數字化生產線由原有PHC管樁車間改造而成（圖1），廠房總面積4 536 m2，長189 m，跨度24 m。車間布設3.7 m×9.0 m固定模臺30個，縱向2條生產線分3組布設，每組5個模臺，每條生產線布設15個模臺，2條線之間可通過橫向擺渡軌道運輸關鍵裝備完成連接。

圖1 可擴展式模臺預制構件數字化生產線局部

每條生產線模臺底部左右各布置有一內一外2條縱向軌道，模臺混凝土澆筑完畢后，振動裝備可沿模臺底部內軌道移動至指定模臺完成構件的振動密實；模臺左右兩側外軌道可用于生產裝備的來回移動，以完成預制構件的生產任務。2條縱向生產線外側另布設有一組軌道用于橋式混凝土運料罐車的來回移動。數字化生產車間設有參觀通道、辦公區、物料堆放區、成品構件運輸區、裝備維修區等，車間一端并設有混凝土布料機、混凝土料罐清洗區，整個生產線布局靈活，適應性強，生產線可按產能需求逐條投入生產設備，且設備可靈活優化組合，從而實現生產線的雙向可擴展。

預制構件數字化加工生產線的主要數字化裝備包括：生產軌道及振動側翻一體式熱養護固定模臺、縱橫向自行移動式清掃劃線脫模劑噴涂一體化集成裝置、中央行走平臺裝置、物料輸送平臺、橋式混凝土料罐、縱橫向自行移動式混凝土布料機、縱橫向自行移動式振動側翻裝置、旋翼式抹平裝置、蒸汽養護覆蓋裝置等。基于固定模臺的可擴展組合式預制構件數字化生產方式，通過數字化單元裝備在軌自行移動對固定模臺上預制混凝土構件進行不同工序的數字化操作，實現預制構件的并行柔性生產，大大提高了生產效率和對預制構件的適應性。

3 數字化生產流程

3.1 數字化構件產品設計

數字化構件產品常根據預制構件尺寸、功能、結構形式和工程特點等因素，建立不同類型的標準化預制構件庫（剪力墻外墻板、剪力墻內墻板、圍護墻板、疊合樓板、樓梯梯段板、陽臺板等），以及建立構件數字化信息與預制構件生產數據對接系統。

(4) 坑邊動靜荷載影響。基坑兩側距離市政道路距離較近，東側僅2.5 m，全線北段大多數渣土及混凝土運輸車輛從該路段通過。同時，兩側淺基礎建筑距離基坑南段水平距離約12 m，靜載對基坑變形存在一定影響。

數字化構件產品生產常從產品類型識別、鋼筋識別、預埋件識別等，在生產前進行構件信息的識別，確定好構件的類型后開始導入信息化系統對鋼筋進行識別，從而開始放樣，進行鋼筋的自動化加工。系統對預制構件預埋件位置進行識別，并將自動對鋼筋及預埋件位置進行區分，避開鋼筋及預埋件區域，從而開始混凝土的自動化布料。預制構件產品的精確度直接決定了其現場安裝的準確度，預制構件生產企業常對預制構件進行進一步深化設計工作，其目的是為了保證每個構件到現場都能準確地安裝，不發生錯漏碰缺。

3.2 模具數字化設計和加工

目前，裝配式建筑的模具是根據單個工程設計和制造，模具標準化程度低，重復利用率極低。建立基于標準化構件庫的模數化組合式模具系統和相應的數字化標準模具庫，可大大提高模具重復使用率和降低工程模具成本。預制構件模具在設計階段常根據構件類型進行模具單元的拆分，采用數字化設備對拆分好的單元進行加工生產，保證模具的精確度。在設計加工完成后，將模具運抵生產企業，從而對其進行編號區分，采用數字化設備，根據構件對應編號吊運安裝模具，保證構件生產的有序性及合理性。

3.3 預制構件數字化生產

1）構件圖紙數字化轉換。數字化生產線采用先進的數據導入系統，由生產企業翻樣人員根據設計單位提供的構件拆分圖紙對構件的預埋件及平面圖進行轉換，形成生產系統可自動識別的圖紙并導入生產系統。

2）優化布模。通過對數據識別成功后，為實現模臺的最大化利用，提高每批次生產構件的數量，需通過調整模臺邊界尺寸來優化模臺構件布局。

3）縱橫向自行移動式清掃畫線脫模劑噴涂一體化集成裝置對系統數據進行接管，移動至指定生產模臺區域，并對模臺進行清掃、畫線、噴灑脫模劑。

4）縱橫向自行移動式邊模和鋼筋布置小車吊運模具、鋼筋及預埋件至指定生產模臺，對模具進行試拼裝。

5）檢驗人員對試拼好的模具進行尺寸驗算檢查，鋼筋工按圖紙要求進行鋼筋綁扎和預埋件的安裝，綁扎安裝完成后進行隱蔽工程驗收。

6）待隱蔽工程驗收合格后，給出澆筑指令，使裝載混凝土的魚雷罐與攪拌樓實現無線對接，然后通過混凝土輸送軌道將魚雷罐運至指定模臺與布料機完成自動對接并卸料。

7）魚雷罐完成卸料后，混凝土布料機接收預制構件數字化信息，對模臺預制構件進行自動布料，布料機下端有若干卸料口，可根據構件形狀、尺寸和開洞情況開啟不同卸料口，完成自動布料。

8）布料完成，對布料不均勻區域進行攤平，待單個模臺布料完成，啟動縱橫向自行移動式振動側翻裝置對模臺進行振搗，混凝土振搗密實后停止振動。

9）依次對生產線模臺進行混凝土澆筑，澆筑完成后，用旋翼式抹平裝置對模臺預制構件上表面進行抹平。

10）抹面完成啟動養護裝置對模臺進行覆蓋，根據構件形狀、特征進行熱養護。

11）構件混凝土經養護達到設計起吊強度，應用縱橫向自行移動式振動側翻裝置對模臺上預制構件進行脫模側翻起吊，進行下一循環生產。

12）構件整修及標識。預制構件脫模后，應在專門檢修工位及時進行陳品檢驗，對缺陷部位進行修補，并按規定要求進行構件標識。

13）構件成品檢驗。應對預制構件的外觀質量、尺寸偏差、混凝土強度、結合面、裝飾等各方面進行質量檢驗。

14）構件成品堆放。建立與成品堆場相關聯的數字化堆放系統，成品檢驗合格后構件才可以進入成品堆場進行堆放，構件應根據數字化堆放系統優化布置，按構件類型、項目分類堆放。

15）構件運輸出廠。構件運輸應根據構件特點和運輸工具確定合適的方案，盡量采用平放運輸方式。靠放架、插放架應具有足夠的強度、剛度和穩定性，構件經檢查驗收合格后方可運輸出廠[6]。

4 工程應用及優勢

數字化生產線車間自投產以來，已完成多個工程混凝土預制構件的生產任務。相比傳統固定臺座生產線模式，專有技術主要有基于平面矩陣式布局的智能化生產系統的柔性生產技術、可側翻固定模臺集熱模臺養護技術、可縱橫向自行移動的集成化無線控制關鍵裝備技術。

數字化生產車間的主要優勢有[7-8]：

1）投資少，生產線相比同規模的自動化生產線，初期投資可減少50%以上，具有良好的經濟性。

2）可擴展性強，生產線可通過增加模臺、軌道和裝備等實現產能擴充，多條生產線共用主要關鍵設備，產能擴充的經濟性明顯。

3）智能化水平高，勞動生產率提升，多種智能裝備產品適應性強、操作性好，勞動生產率提高30%。

4）適應性強，可生產疊合板、墻板、梁、柱等各類構件。

5）能耗低，實際生產過程中能耗減少30%。

5 結語

雙向可擴展組合式數字化生產線可通過僅增加模臺和軌道等較少投資實現產能擴充，多條生產線可無縫銜接，共用主要關鍵裝備，且關鍵裝備可靈活組合，產能擴充的經濟性明顯。可生產內外墻板、梁、柱等各類預制構件，體現了其適應性強、生產效率高的優勢。具有顯著的競爭優勢和推廣價值，對推動我國建筑工業化具有重要意義。