虛擬制造及虛擬建造在數字化車間規劃設計階段的應用

陳俊，張錦松，丁芮，鄭智新

（中機第一設計研究院有限公司，合肥230601）

1 項目背景

某項目為年產22×104t精密鑄造生產線項目制動鼓車間，項目計劃總投資15億元，廠區總建筑面積為30 310.9 m2，占地面積21 190.1 m2。本項目于2019年4月動工建設，2020年一期工程建成投產。本項目采用先進靜壓造型線工藝，包括自動加配料，鐵水自動轉運，自動化立庫，自動化加工、涂裝及包裝生產線，整個車間工藝自動化程度高，并利用地勢條件，加工車間部分采用雙層設計，上層設計為加工涂裝包裝工藝，下層設計為成品庫，利用提升機完成成品的物流運輸，保證鑄件連續轉運及生產人員數量最少化。車間信息化，數字化水平高，成為鑄造行業數字化車間的典型案例。車間建成投產以來，獲得業主及行業內的廣泛好評。

2 項目重難點

本項目生產的產品類型多樣，每種產品對應不同的原料及成分；要求可快速切換生產；項目地形復雜，南北高度相差近10 m；大型設備多，吊裝安裝難度大；鑄造車間屬于熱加工車間，車間環境欠佳，通風除塵為設計重難點。

3 虛擬制造利用

基于本鑄造車間短流程、多批次的典型生產特征，在生產線規劃設計階段，進行生產及物流仿真技術的虛擬制造，主要包括以下內容：

1）生產線布局及仿真。針對新工廠建設，基于企業發展的戰略與前瞻性，進行三維工廠模擬驗證，減少未來車間調整帶來的時間和成本浪費。工藝仿真真實反映生產過程中鐵水熔化、倒運、澆注、冷卻、落砂等工藝，并依此對加工工藝進行優化處理等。

2）物流仿真。通過物流仿真、優化工藝、物流設施布局、人員配置等規劃方案，提升數字化車間規劃的科學性，避免過度投資。對生產規劃環節，通過利用虛擬仿真技術，對于工廠的生產線布局、設備配置、生產制造工藝路徑、物流等進行預規劃，并在仿真模型（見圖1）預演的基礎之上進行分析。評估、驗證迅速發現系統運行中存在的問題和有待改進之處，并及時進行調整與優化，減少后續生產執行環節對于實體系統的更改與返工次數，從而有效減低成本，縮短工期，提高效率。

圖1 生產仿真模型

項目試運行及投產階段，通過實際生產調試時采集的設備數據輸入至仿真模型。由仿真模型自動運行并輸出仿真結果及優化建議，根據優化建議，適當調整生產線設備參數，使車間產線與物流與仿真模型一致。

4 虛擬建造應用

本項目利用BIM技術，對廠房設計、建造、設備安裝各階段進行虛擬建造，提升工廠規劃建設水平。虛擬建造主要解決了以下幾個方面難題：

1）針對廠區高差大的問題，通過方案比選，選擇了局部2層的廠房方案，既增加了土地利用率，也減少了工程土方量。

2）針對鑄造車間的高溫特點，對搭建的BIM模型進行風環境模擬分析（見圖2），最終確定合理的開窗比及屋頂通氣樓設置。項目建成運行后，現場反饋良好。

圖2 基于B I M模型的分析、模擬

3）鑄造車間的生產設備大多高度高、體積大，通過對設備吊裝的模擬，有效解決設備吊裝路徑問題。

4）車間內的電爐設備機電接口多，輔助設備復雜，通過機電管線的綜合排布，盡量減少了輔助設備用房的占地面積，輔助設備布置合理，提高空間利用率。

5）本車間在設計時由設計院進行土建、機電和設備基礎的BIM模型建立，內部生產線的設備模型由不同的設備廠家提供。由于不同的設備廠家采用了不同的工業設計軟件，進而輸出的數據格式不能互通，通過本公司的二次軟件開發，有效地解決了數據互通問題。

5 協同平臺的應用

本工程軟件投入預算較少，為了盡可能滿足各參建方的協同需要，采購了BDIP工程協同設計平臺。該平臺基于釘釘平臺打造，具有模型輕量化操作、視點分享、平臺實時溝通的功能，并且可在手機終端、PC端均可應用。其次，可利用釘釘協同、辦公會議等功能，大大提升了與各方溝通的效率。

6 應用總結及展望

通過本項目虛擬制造與虛擬建造的結合，解決了以下幾個工程問題：

1）虛擬制造與虛擬建造的組合，解決了規劃階段“懂生產的不懂工程建設、懂工程建設的不懂生產”的問題，提高了項目溝通效率，加快了項目進度；

2）生產規劃環節，通過利用虛擬仿真技術對工廠的生產線布局、設備配置、生產制造工藝路徑、物流等進行預規劃，并在仿真模型“預演”的基礎之上，進行分析、評估、驗證，迅速發現系統運行中存在的問題并及時進行調整與優化，減少后續生產執行環節對于實體系統的更改與返工次數，從而有效降低成本、縮短工期、提高效率；

3）通過本項目，基本打通了制造業設計軟件產生的數據格式和工程設計行業軟件數據格式的互通問題，使得協同成為可能；

4）通過BIM模型的仿真，模擬仿真熱車間的風環境，并對車間開窗及通風進行優化設計，大大提升了熱車間的環境舒適度。

虛擬制造解決生產問題、虛擬建造解決工程建設問題，兩者結合提升工廠規劃設計水平。下一步，將研究如何使工程建設過程中產生的數字資產與生產過程的數字資產相結合，真正實現工程建設、生產過程的全生命周期數字孿生，進而建造全要素、全生命周期的數字化工廠。