基于數字孿生的裝配式建筑中預制構件設計加工一體化的思考

陳希

摘 要：? 目前裝配式建筑存在著部分問題，表現為預制構件設計生產缺乏協同機制導致的成本較高與工廠生產安排效率較低。針對裝配式建筑預制構件高成本問題，提出基于數字孿生的預制構件設計-加工一體化生產模式，旨在通過數字孿生技術實現精準的構件設計和智能高效的生產安排，同時建立起全過程信息化管理。

關鍵詞：? 數字孿生;裝配式建筑;深化設計;生產管控

【中圖分類號】TH166? ? ?【文獻標識碼】A? ? ?【文章編號】1674-3733（2020）06-0110-01

隨著我國的經濟發展，建筑業也逐步向工業化和信息化發展。如今，具有質量高、工期短、消耗少等優點的裝配式建筑得到人們越來越多的重視。在大力推廣裝配式建筑發展的過程中，其高成本成為了制約其發展的重要因素。目前構件制造全過程缺乏信息協同，構件規格不統一，生產難度大，材料、運輸等方面管理困難，制造成本增高。而要解決這些問題，則需建立高效協調的全過程信息化管理。

現提出基于數字孿生技術的混凝土構件設計-加工一體化生產模式，通過建立產品全過程的信息模型，并模擬工廠生產過程，有效解決設計與生產間存在的溝通壁壘，從而為構件由設計、生產、施工到后期運維提供信息服務，。

1 數字孿生的概念與發展

2003年，Grieves教授在美國密歇根大學產品全過程課程上提出數字孿生這一概念，將其定義為包括實體產品、虛擬產品及兩者之間連接的三維模型。隨著這項技術的研究深入，數字化與信息化的高速發展，數字孿生也有了更廣泛的定義。目前，數字孿生技術是指利用信息技術對實體對象的各種性能、行為和運行的規則等進行數字化表達和建模的方法。

相較于BIM技術，數字孿生更為智能。除可視化數字模型外，其依托實體產品建立虛擬模型，具有實體產品的規則和要素，可對實體進行檢測、診斷，在云端實時模擬反應實體狀態。同時。其強調通過虛擬與實體的信息交互，反饋實物各方面狀態和預測其后期運行情況，更具多維性、實時性和智能性。

基于上述對數字孿生技術的簡述，本文進一步探討數字孿生技術在裝配式建筑預制混凝土構件深化設計和工廠生產成本管理兩個方面的應用。

2 基于數字孿生的預制構件全過程信息管理

2.1 深化設計階段

在深化設計階段中，傳統模式存在構件碰撞問題。目前可通過BIM為多方設計提供一體化平臺，進行預制構件設計和碰撞檢測。但在構件規格的標準化、統一化和數模化等方面仍待完善。

數字孿生虛擬模型可基于BIM系統建立，載入構件裝配結構、幾何信息和施工工藝等信息以滿足設計、生產和裝配流程構件信息管理一體化。模型中參數的錄入尤為重要，數字模型仿真性基于全面可靠的構件信息，越是精確有效的信息錄入，越能夠提高模型的仿真度，更為接下來構件的校核、工廠生產流程安排和裝配施工現場管理提供基礎信息。

此外，虛擬系統基于工廠制造和建設項目的大量歷史數據創建程序，對已經設計的構件進行相近規格的替代套用，統一優化構件規格，盡可能減小特殊規格構件的比例，滿足工廠進行大量模板的生產需求，提高構件生產效率的同時降低模板成本。完成構件規格替代后，系統對于優化后構件的適配性進行自動檢測，對具有偏差過大或承載力不足等問題的構件進行反復修正，循環優化。在此環節可設計人員也可手動調整構件規格，將本次人工修改后的信息輸入程序，使孿生系統的自動程序不斷學習改正以后期完善。

2.2 構件加工階段

工廠端，對于構件制造方面存在的生產成本較高效率較低等問題，建立數字孿生系統，包含實體對象和虛擬模型以及兩者之間的交互信息三個層面。根據工廠實際環境、設備狀態和構件生產流程要素建立起生產車間虛擬數字孿生模型，對構件生產計劃進行設計、監控與優化。

（1）實體對象為工廠實際生產車間和產品鏈。主要通過傳感器、無線傳感網絡（等智能感知與定位技術對生產環境人、機、物、環境等全要素多源異構信息進行實時感知和監控。

（2）虛擬模型為虛擬數字孿生車間，其重點在于構建車間運行的行為與規則。根據嗎物理對象層的接收信息，基于工廠生產歷史生產數據、各個構件生產步驟和各工藝生產方式等信息，建立能夠模擬車間規則、運行和驅動的孿生模型，如樓板的流水線工藝施工流程;工廠實際場地面積與分區;機械、材料堆放位置。

（3）信息交互層則連接實體對象與虛擬模型。將實體對象檢測信息輸入孿生模型，再反饋孿生模型推演結果以指導生產。建立起全面的孿生系統后，對構件生產安排分為初步設計與實時優化兩階段。

第一階段，初步設計。系統接收生產任務，根據上游構件設計階段完成的構件信息結合工廠實時狀況，包括設備類型和產能等因素對構件生產安排進行初步設計。而后，管理人員依據工廠機器、物料等要素的實際數量向虛擬模型反饋實際數據，模型接收相關數據并對相應的生產計劃進行再一次修正，完善生產流程安排。

第二階段，實時優化。構件生產過程中，通過傳感器等設備監測各機器運行狀態和環境等外部狀態，將監測信息同步輸入孿生數字模型，達到車間運行狀況的動態模擬。同時監測各生產環節實時產量和效率，再通過管理人員手動調整物料使用情況、產出等生產進度，使虛擬孿生數字生車間實時模擬出車間產量和生產能力。結合機器運行狀況和各項物料的使用、運輸和堆放情況，并根據實際車間的實時生產數據對后續可能出現的問題進行預測，以及對各項生產安排進行調整與優化。預測與優化實現的要點是對于車間生產狀況的高度仿真以及結合大量歷史數據進行分析。

結束語：探索數字孿生技術在預制構件設計-生產一體化的應用，有望解決預制構件高成本問題，推動裝配式建筑加速發展。本文提出針對預制構件設計-加工一體化的數字孿生系統的概念，系統建立需要基于大量數據的收集與處理，同時，將實時數據信息與虛擬模型結合也需要更加深入研究來解決。

參考文獻

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