數(shù)字化在預(yù)制構(gòu)件模具領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

鄧軒 張景明 李鵬飛 中民筑友智能裝備科技有限公司

一、問(wèn)題的提出

混凝土預(yù)制構(gòu)件（以下簡(jiǎn)稱PC 構(gòu)件）屬于裝配式建筑三大體系之一的混凝土裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系。近幾年裝配式建筑體系發(fā)展快，PC 構(gòu)件的生產(chǎn)過(guò)程是通過(guò)PC 模具成型完成的，PC 模具是實(shí)現(xiàn)PC 構(gòu)件工廠化和標(biāo)準(zhǔn)化的重要生產(chǎn)裝備。但由于PC 構(gòu)件設(shè)計(jì)非標(biāo)，導(dǎo)致模具標(biāo)準(zhǔn)化程度低、通用性差。

為適應(yīng)客戶差異化需求，導(dǎo)致每套PC構(gòu)件模具均為非標(biāo)定制。從而使得PC 構(gòu)件模具設(shè)計(jì)任務(wù)量大、設(shè)計(jì)時(shí)間緊、差錯(cuò)率高、生產(chǎn)制作周期短、交期緊等。如何實(shí)現(xiàn)PC 構(gòu)件模具快速化設(shè)計(jì)及其出圖的問(wèn)題，是目前亟待解決的問(wèn)題。

通過(guò)數(shù)字化PC 模具庫(kù)的開(kāi)發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)PC 構(gòu)件和PC 模具快速化設(shè)計(jì)。

二、數(shù)字化PC 模具庫(kù)的開(kāi)發(fā)

根據(jù)PC 構(gòu)件特征和對(duì)應(yīng)PC 模具結(jié)構(gòu)，建立參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的PC 構(gòu)件模型庫(kù)，并采用“自上而下”“自下而上”相結(jié)合的參數(shù)化PC 模具庫(kù)，通過(guò)統(tǒng)一設(shè)計(jì)平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)和配置，修改構(gòu)件尺寸驅(qū)動(dòng)構(gòu)件模具的自動(dòng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)快速生成模具的三維設(shè)計(jì)及工程圖出圖。

（一）軟件平臺(tái)

基于機(jī)械行業(yè)廣泛采用的三維軟件SOLIDWORKS，統(tǒng)一設(shè)計(jì)平臺(tái)的配置和二次開(kāi)發(fā)。

（二）統(tǒng)一PC 模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

數(shù)字化開(kāi)發(fā)應(yīng)用的前提是要有一套標(biāo)準(zhǔn)的PC 模具設(shè)計(jì)規(guī)范。分析同類型構(gòu)件共性特征，整合模具設(shè)計(jì)形式，實(shí)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)形式少類型、模塊化。并對(duì)不同模具設(shè)計(jì)方案、加工工藝、尺寸要求等進(jìn)行統(tǒng)一。

（三）開(kāi)發(fā)數(shù)字化模具庫(kù)

數(shù)字化模具庫(kù)包括PC 構(gòu)件庫(kù)、模具模型庫(kù)、模具材質(zhì)庫(kù)、焊接結(jié)構(gòu)件庫(kù)以及工程圖模板庫(kù)，形成通用化、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。

1. PC 構(gòu)件庫(kù)的開(kāi)發(fā)

根據(jù)裝配式建筑構(gòu)件類型，分析各類構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件出筋預(yù)埋特征，為整合、統(tǒng)一構(gòu)件的三維創(chuàng)建模式提供依據(jù)，開(kāi)發(fā)構(gòu)件庫(kù)。基本涵蓋裝配式建筑常用類型構(gòu)件。開(kāi)發(fā)完成的構(gòu)件庫(kù)添加到SOLIDWORKS 作為外部獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)。以便模具設(shè)計(jì)時(shí)隨時(shí)調(diào)用，如圖1 所示。

2.模具模型庫(kù)的開(kāi)發(fā)

基于構(gòu)件類型，分析各類構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件出筋預(yù)埋特征，開(kāi)發(fā)通用性模具庫(kù)，主要包括構(gòu)件模具庫(kù)模板、工裝預(yù)埋件庫(kù)、基礎(chǔ)邊模庫(kù)、門(mén)窗類模具庫(kù)。

試驗(yàn)地位于西遼河平原內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)牧業(yè)科技示范園區(qū)。試驗(yàn)地區(qū)為典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫6.4℃，極端最低溫-30.9℃，≥10℃積溫3 184℃，無(wú)霜期150 d，年均降水量399.1 mm，生長(zhǎng)季(4～9月)降水量占全年的89%。土壤為風(fēng)沙土，土壤有機(jī)質(zhì)含量4.86 g/kg，速效鉀94.65 mg/kg，速效磷10.46 mg/kg，堿解氮11.15 mg/kg，pH為8.2。具有噴灌條件，干旱時(shí)灌水，各處理每次灌水時(shí)間相等。

模具庫(kù)模板包含裝配式建筑現(xiàn)有的常用構(gòu)建類型的模具。采用“自上而下”“自下而上”相結(jié)合的方式，通過(guò)修改構(gòu)件尺寸驅(qū)動(dòng)模具尺寸的變化；標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)預(yù)埋工裝的外形結(jié)構(gòu)，通過(guò)方程式驅(qū)動(dòng)滿足不同設(shè)計(jì)要求；基礎(chǔ)邊摸庫(kù)是將常用類型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)最少類型，最大通用化。開(kāi)發(fā)完成的模具庫(kù)添加到SOLIDWORKS 作為外部獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖2 所示。

3.開(kāi)發(fā)模具材質(zhì)庫(kù)和焊接結(jié)構(gòu)件庫(kù)

機(jī)械設(shè)計(jì)涉及材料眾多，設(shè)計(jì)者思路及要求各不相同，導(dǎo)致模具制作過(guò)程中結(jié)構(gòu)形式多樣、材料采購(gòu)周期長(zhǎng)、浪費(fèi)性大、可替換性差等問(wèn)題，也是造成模具設(shè)計(jì)制作成本高的因素之一。開(kāi)發(fā)模具材料庫(kù)，實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)的通用性、模塊化。

圖1 PC 構(gòu)件庫(kù)及其創(chuàng)建流程圖

圖2 模具庫(kù)及其創(chuàng)建流程圖

4.開(kāi)發(fā)工程圖模板庫(kù)

開(kāi)發(fā)零件材質(zhì)庫(kù)、結(jié)構(gòu)件庫(kù)、注解庫(kù)、技術(shù)要求庫(kù)等數(shù)字化庫(kù)；自動(dòng)關(guān)聯(lián)工程圖符號(hào)、工程圖模板、簽名等功能；自動(dòng)更新生產(chǎn)相應(yīng)工程圖的標(biāo)注、圖號(hào)、BOM 等；實(shí)現(xiàn)了工程制圖的高度標(biāo)準(zhǔn)化，大幅度提高出圖效率，降低出錯(cuò)率。

四、數(shù)字化PC 模具庫(kù)的應(yīng)用

數(shù)字化的核心思想就是用數(shù)字化手段來(lái)處理具體目標(biāo)，最大限度地利用資源，是以機(jī)械行業(yè)CAD/CAM 軟件為基礎(chǔ)作為建筑行業(yè)模具設(shè)計(jì)工具，支持設(shè)計(jì)師的高效工作。數(shù)字化模型的多變性及開(kāi)放性，將不同的組合模式完成千變?nèi)f化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（一）PC 構(gòu)件庫(kù)的應(yīng)用

根據(jù)建筑設(shè)計(jì)院PC 構(gòu)件圖紙，分析構(gòu)件總體結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建常用構(gòu)件庫(kù)，選擇合適數(shù)字化模具模板。

（二）數(shù)字化模具庫(kù)的應(yīng)用

整體調(diào)用PC 構(gòu)件成套模具，PC 構(gòu)件創(chuàng)建完成后，其模具對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)參數(shù)也自動(dòng)完成了調(diào)整，接下來(lái)對(duì)模具各部套及零件進(jìn)行細(xì)化完善修改。

1.“自下而上”創(chuàng)建方式應(yīng)用

“自下而上”方式是指通過(guò)修改基礎(chǔ)邊模來(lái)適應(yīng)構(gòu)件的外形結(jié)構(gòu)的模具設(shè)計(jì)方式。“自下而上”方式設(shè)計(jì)的模具構(gòu)件類型主要是墻板類、陽(yáng)臺(tái)和梁柱。

圖3 模具設(shè)計(jì)應(yīng)用案例

應(yīng)用過(guò)程是整體調(diào)用PC 構(gòu)件成套模具后，修改PC 構(gòu)件方程式總表完成構(gòu)件建模；然后根據(jù)報(bào)錯(cuò)提示單獨(dú)修改基礎(chǔ)邊摸即可完成主體設(shè)計(jì)；最后安裝工裝預(yù)埋件，批量完成標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格替換即完成模具三維設(shè)計(jì)。圖3（a）展示了T 型墻板模具設(shè)計(jì)應(yīng)用案例。

2.“自上而下”創(chuàng)建方式應(yīng)用

“自上而下”方式是指通過(guò)修改構(gòu)件方程式總表內(nèi)的參數(shù)驅(qū)動(dòng)模具參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，完整模具的基本創(chuàng)建。采用“自上而下”創(chuàng)建方式設(shè)計(jì)的模具構(gòu)件典型類型是樓梯。

應(yīng)用過(guò)程是整體調(diào)用PC 構(gòu)件成套模具，“自上而下”的方式創(chuàng)建完成后，根據(jù)報(bào)錯(cuò)局部修改即可完成主體設(shè)計(jì)；然后調(diào)用工裝預(yù)埋件，批量替換標(biāo)準(zhǔn)件；模具三維創(chuàng)建全部完成。圖3（b）展示了樓梯模具設(shè)計(jì)應(yīng)用案例。

3.工程圖模板庫(kù)應(yīng)用

數(shù)字化模具庫(kù)內(nèi)整體調(diào)用的成套模具包括模具三維及其工程圖。模具三維創(chuàng)建完成后，所有零部件的工程圖也同時(shí)在后臺(tái)處理完成；僅需調(diào)用后局部檢查核對(duì)報(bào)錯(cuò)信息，對(duì)其修改即可完成工程圖出圖；最后，根據(jù)需要導(dǎo)出所需格式的文件即完成了模具設(shè)計(jì)全部工作。

五、應(yīng)用效果

通過(guò)數(shù)字化PC 模具庫(kù)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了PC 構(gòu)件和PC 模具快速化設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)風(fēng)格、出圖形式、命名規(guī)則、同類型模具結(jié)構(gòu)及其方案的統(tǒng)一，大幅提高了設(shè)計(jì)出圖效率、質(zhì)量。

設(shè)計(jì)效率由原來(lái)平均5 天/套/人縮短至2.5 天/套/人，按每個(gè)工廠年模具設(shè)計(jì)套數(shù)200 套計(jì)算，每個(gè)工廠年節(jié)省500 天設(shè)計(jì)工時(shí)，年節(jié)省設(shè)計(jì)人工費(fèi)用30 萬(wàn)；10 個(gè)工廠計(jì)算，年節(jié)省設(shè)計(jì)人工費(fèi)300 萬(wàn)元；由于高度的標(biāo)準(zhǔn)化和程序的自動(dòng)關(guān)聯(lián)性，可有效提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；另外，通過(guò)設(shè)計(jì)平臺(tái)積累PC 模具設(shè)計(jì)知識(shí)，提高設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的傳承性，保證項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)人員靈活調(diào)配及快速擴(kuò)展。

數(shù)字化模具庫(kù)的開(kāi)發(fā)不僅可以讓模具設(shè)計(jì)多元化，更可以實(shí)現(xiàn)功能統(tǒng)計(jì)，可以通過(guò)數(shù)字化技術(shù)細(xì)化、量化構(gòu)件和模具結(jié)構(gòu)，將所有細(xì)節(jié)展現(xiàn)出來(lái)，為研究發(fā)展綠色建筑提供數(shù)據(jù)支持。