對(duì)裝配式建筑構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中引入智能制造的思考

甘文靜

摘 要：裝配式建筑構(gòu)件的預(yù)制生產(chǎn)是裝配式建筑施工的重要組成部分，智能制造是融合了信息技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)后發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)生產(chǎn)方式。因此，對(duì)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)應(yīng)用智能制造可能性進(jìn)行思考，并提出相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：固定臺(tái)模工藝；機(jī)組流水工藝；智能制造

中圖分類(lèi)號(hào)：TU741? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2023）04-0049-03

0 引言

裝配式建筑工程中，混凝土構(gòu)件的預(yù)制是裝配式建筑能夠安裝的基礎(chǔ)，其質(zhì)量、產(chǎn)量及生產(chǎn)工藝模式直接影響建筑工業(yè)化的進(jìn)程。因此，提升預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的工業(yè)化和智能化程度是推動(dòng)我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要途徑。

1 裝配式建筑混凝土構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn)技術(shù)及其管理要點(diǎn)

1.1 混凝土預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)過(guò)程

1.1.1 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)

有別于傳統(tǒng)建筑的設(shè)計(jì)單位進(jìn)行結(jié)構(gòu)及建筑設(shè)計(jì)，施工單位進(jìn)行構(gòu)件施工的模式，裝配式建筑中的整個(gè)施工流程的協(xié)同式一體化的，即構(gòu)件的制造和生產(chǎn)部門(mén)從設(shè)計(jì)階段即參與進(jìn)來(lái)。裝配式建筑協(xié)同設(shè)計(jì)參與如圖1所示。

預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)作為生產(chǎn)的第一步，生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)階段介入，在構(gòu)件深化設(shè)計(jì)階段結(jié)合廠家的生產(chǎn)能力和制造方式對(duì)構(gòu)件的形式提出建議，減少構(gòu)件的制造成本，提高制造效率。

1.1.2 預(yù)制構(gòu)件的分類(lèi)和生產(chǎn)現(xiàn)狀

建筑的主要構(gòu)件可分為承重和非承重兩大類(lèi)。承重類(lèi)主要包括：框架結(jié)構(gòu)中的柱、梁、板；剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻板和樓板；樓梯、陽(yáng)臺(tái)等。非承重類(lèi)則是各種圍護(hù)構(gòu)件和裝修體系，如內(nèi)外墻板、空調(diào)板、陽(yáng)臺(tái)板、幕墻、集成衛(wèi)生間和廚房等。

1.1.2.1 二維構(gòu)件

將框架結(jié)構(gòu)或框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的梁、柱等按每個(gè)開(kāi)間、進(jìn)深、層高劃分成直線形的單個(gè)構(gòu)件，剪力墻結(jié)構(gòu)中的各種承重墻體、構(gòu)造柱，加上樓板、屋面板、內(nèi)外墻板等，此類(lèi)構(gòu)件在形式上是直線或者矩形的，形成了二維構(gòu)件。

二維構(gòu)件的外形簡(jiǎn)單，從生產(chǎn)的角度來(lái)看其生產(chǎn)制造過(guò)程方便并便于管理，模板的重復(fù)使用率高，可實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化生產(chǎn)，是能夠較容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的拆分方式。

1.1.2.2 三維構(gòu)件

如果將整個(gè)框架結(jié)構(gòu)中的劃分成若干個(gè)小的框架，這種小框架包括梁、柱和樓板，則形成三維構(gòu)件。三維構(gòu)件形式上更復(fù)雜，預(yù)制生產(chǎn)中模板重復(fù)使用率較低，自動(dòng)化和工業(yè)化程度較為困難，人工參與度高。

1.1.2.3 異形構(gòu)件

建筑中還有一部分如樓梯、陽(yáng)臺(tái)、空調(diào)板等，這些可歸入異形構(gòu)件類(lèi)別中。此類(lèi)構(gòu)件的生產(chǎn)過(guò)程雖然與異形構(gòu)件中形式難度上較為一致，但重復(fù)率高，行業(yè)上也可以實(shí)現(xiàn)比較高程度的自動(dòng)化和工業(yè)化生產(chǎn)[1]。

1.1.3 構(gòu)件生產(chǎn)制造的一般工藝流程

第一，進(jìn)行加工準(zhǔn)備，包括鋼筋及鋼筋網(wǎng)片加工、模板制作、預(yù)埋件加工等。

第二，驗(yàn)收及組裝模板，刷脫模劑，根據(jù)需要刷緩凝劑等。

第三，驗(yàn)收鋼筋及鋼筋網(wǎng)片、預(yù)埋件后進(jìn)行安裝。

第四，混凝土的澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)。

第五，達(dá)到強(qiáng)度后拆模，并進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)、清理及修補(bǔ)等。

第六，運(yùn)至成品庫(kù)堆放保護(hù)，待安裝。

1.2 生產(chǎn)組織方式

建筑中構(gòu)件的形狀各不相同，工藝流程不同，對(duì)生產(chǎn)線的要求也不盡相同。進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的企業(yè)一般根據(jù)投資規(guī)模、生產(chǎn)場(chǎng)地、生產(chǎn)構(gòu)件的類(lèi)型及預(yù)期的生產(chǎn)規(guī)模等選擇生產(chǎn)的組織方式。當(dāng)前行業(yè)中主要的制造工藝包括固定臺(tái)座工藝和機(jī)組流水工藝兩種。

1.2.1固定臺(tái)座工藝

固定臺(tái)座工藝也稱(chēng)為固定模臺(tái)工藝，是一種將加工對(duì)象，即預(yù)制構(gòu)件的整個(gè)制作過(guò)程固定在模臺(tái)上，由不同工種的操作人員依次進(jìn)行生產(chǎn)的工藝。模臺(tái)在制造中起到底模的作用。固定臺(tái)座法是當(dāng)前行業(yè)中預(yù)制構(gòu)件的制作應(yīng)用最為廣泛的生產(chǎn)工藝。使用固定臺(tái)座法對(duì)場(chǎng)地和生產(chǎn)車(chē)間的要求較低，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化和自動(dòng)化程度較低。固定模臺(tái)工藝適應(yīng)性強(qiáng)、加工靈活，適用于非標(biāo)準(zhǔn)化異形構(gòu)件的生產(chǎn)。

1.2.2機(jī)組流水法

機(jī)組流水是將構(gòu)件放置于模具上，使模臺(tái)在流水線上繞固定線路循環(huán)運(yùn)行，不同的工種處于固定位置進(jìn)行生產(chǎn)制造工藝。機(jī)組流水工藝將預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)過(guò)程劃分為包含鋼筋、模板等不同的各個(gè)工作區(qū)。根據(jù)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度可以分為下面三種。

第一種是手控生產(chǎn)線，模臺(tái)的機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程依靠手動(dòng)控制的生產(chǎn)線。

第二種是半自動(dòng)生產(chǎn)線，是指包括混凝土成型設(shè)備，但不包括全自動(dòng)鋼筋加工設(shè)備的生產(chǎn)線。它實(shí)現(xiàn)了圖樣輸入、模板清理、劃線、組模、脫模劑噴涂、混凝土澆筑、振搗等生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，鋼筋加工和入模則需要人工作業(yè)。

第三種是全自動(dòng)生產(chǎn)線，在工業(yè)生產(chǎn)中依靠各種機(jī)械設(shè)備，并充分利用能源和信息手段完成工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程的生產(chǎn)線。

自動(dòng)化生產(chǎn)線一般分為八大系統(tǒng)：鋼筋骨架成型系統(tǒng)、混凝土拌合供給系統(tǒng)、布料振搗系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、脫模系統(tǒng)、附件安裝與成品輸送系統(tǒng)、模具返回系統(tǒng)、檢測(cè)堆碼系統(tǒng)。在模臺(tái)生產(chǎn)線上設(shè)置了自動(dòng)清理機(jī)、自動(dòng)噴油機(jī)（脫模劑）、劃線機(jī)和模具安裝、鋼筋骨架或桁架筋安裝、質(zhì)量檢測(cè)等工位，全過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化控制、循環(huán)流水作業(yè)[2]。

2 混凝土構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn)過(guò)程中信息化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)

BIM （Building Information Modeling） 是建筑信息模型的簡(jiǎn)稱(chēng)，也是當(dāng)前建筑行業(yè)中應(yīng)用廣泛的建模技術(shù)。BIM技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用集中在構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)方面，可以進(jìn)行構(gòu)件深化設(shè)計(jì)階段的構(gòu)件編號(hào)、節(jié)點(diǎn)細(xì)化、信息模型制作、鋼筋翻樣、加工圖信息表達(dá)等內(nèi)容。BIM中的三維技術(shù)模型，可以為預(yù)制構(gòu)件的模具設(shè)計(jì)提供所需要的三維幾何數(shù)據(jù)以及相關(guān)輔助數(shù)據(jù)， 還可以將模具設(shè)計(jì)自動(dòng)化。結(jié)合全自動(dòng)化生產(chǎn)線，還可實(shí)現(xiàn)拼模的自動(dòng)化[3]。

2.2 芯片追蹤技術(shù)

當(dāng)前應(yīng)用的芯片追蹤技術(shù)是射頻識(shí)別技術(shù)，主要應(yīng)用在構(gòu)件生產(chǎn)的質(zhì)量控制方面，將包含構(gòu)件信息的芯片預(yù)埋于構(gòu)件內(nèi)部并進(jìn)行生產(chǎn)單位、時(shí)間和管理等相關(guān)信息的追蹤。

2.3 資源管理系統(tǒng)

資源管理系統(tǒng)，即ERP（Enterprise Resource Planning），是一項(xiàng)成熟的可以進(jìn)行全企業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)化管理軟件。結(jié)合BIM和芯片識(shí)別技術(shù)，ERP系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)工廠提供的模臺(tái)情況安排生產(chǎn)車(chē)間的構(gòu)件加工計(jì)劃。

2.4 制造執(zhí)行系統(tǒng)

制造執(zhí)行系統(tǒng)，即MES （Manufacturing Execution System），是面對(duì)制造車(chē)間執(zhí)行過(guò)程開(kāi)發(fā)的信息化管理系統(tǒng)，可以和前三個(gè)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，方便管理及生產(chǎn)人員，提高整個(gè)生產(chǎn)效率。

3 智能制造

智能制造，即IM（Intelligent Manufacturing）， 是進(jìn)入信息化時(shí)代后逐漸發(fā)展的一種先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)。其核心概念是將信息技術(shù)，甚至是最新的智能機(jī)器人技術(shù)與制造技術(shù)進(jìn)行融合而產(chǎn)生的新技術(shù)。

當(dāng)前整個(gè)市場(chǎng)對(duì)于智能化的認(rèn)知處于較為模糊的階段，有人認(rèn)為當(dāng)前使用的全自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)可以視為智能制造，還有的將信息技術(shù)應(yīng)用于制造技術(shù)開(kāi)始作為智能制造的起點(diǎn)，對(duì)此劃分智能階段。但從信息技術(shù)的角度，智能一詞應(yīng)包含了智慧和能力，具有一定的自主性，即是否能夠在機(jī)械執(zhí)行指令的基礎(chǔ)上進(jìn)一步升級(jí)，并具有自我修正和決策的能力。

智能建造是基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過(guò)程、系統(tǒng)與模式的總稱(chēng)。智能制造系統(tǒng)的構(gòu)架如圖2所示。

目前預(yù)制構(gòu)件全自動(dòng)化流水，雖已使用互聯(lián)網(wǎng)、系統(tǒng)化技術(shù)于制造過(guò)程，但還不具自主性，因此將現(xiàn)階段的預(yù)制構(gòu)件全自動(dòng)流水線名為信息制造。具有智能化和自主性的特點(diǎn)才可稱(chēng)為智能制造。

4 將智能制造引入裝配式建筑的思考

混凝土預(yù)制構(gòu)件的智能制造體可從以下2個(gè)方面著手。

4.1 預(yù)制構(gòu)件本身的智能化

預(yù)制構(gòu)件的智能化應(yīng)該是利用傳感及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在構(gòu)件中預(yù)埋或預(yù)設(shè)傳感設(shè)備。構(gòu)件智能化主要可用于質(zhì)量檢查和控制，即構(gòu)件可自檢裂縫數(shù)量、寬度及表面平整度等參數(shù)，將參數(shù)發(fā)送控制中心，控制中心可判斷是否合格。此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用費(fèi)用高昂，短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)可能度不太高，取決于未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展程度和成本。

4.2 生產(chǎn)過(guò)程的智能化

生產(chǎn)過(guò)程的智能化，即利用物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)，將生產(chǎn)過(guò)程中所包含的中控系統(tǒng)（軟件部分）和生產(chǎn)線上的機(jī)械及各種設(shè)備（硬件系統(tǒng)）進(jìn)行有機(jī)融合。生產(chǎn)線應(yīng)裝配傳感、測(cè)量及數(shù)據(jù)收集設(shè)備，并可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至中控系統(tǒng)。中控系統(tǒng)具有自主判斷功能，真正做到由生產(chǎn)線來(lái)決定什么時(shí)候供料、什么時(shí)候生產(chǎn)、生產(chǎn)什么、使用什么模具的功能。為了實(shí)現(xiàn)上述智能，應(yīng)進(jìn)行大量的技術(shù)和設(shè)備研發(fā)。具體有以下4個(gè)措施。

第一，在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上研發(fā)具有機(jī)械學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)功能的集成生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

第二，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)針對(duì)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的數(shù)字化設(shè)備。對(duì)于固定模臺(tái)工藝，設(shè)備的研發(fā)應(yīng)圍繞著固定模臺(tái)這個(gè)核心上，意味著生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備，如鋼筋加工系統(tǒng)、模具加工系統(tǒng)、混凝土加工系統(tǒng)等本身應(yīng)具有移動(dòng)的能力。此舉將大大增加設(shè)備成本，從這個(gè)角度，固定模臺(tái)工藝的智能建造設(shè)備研發(fā)成本較高。對(duì)于流水工藝，當(dāng)前的設(shè)備已經(jīng)具有很高的自動(dòng)化，下一步的落點(diǎn)應(yīng)該集中在如何加入傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)真正的物聯(lián)網(wǎng)。從更廣泛的角度，設(shè)備的研發(fā)應(yīng)具有普遍適用性，即設(shè)備的組件應(yīng)該可以互換或替換后依舊互相適應(yīng)。

第三，生產(chǎn)環(huán)境的智能化研發(fā)。生產(chǎn)環(huán)境即車(chē)間、工廠。在智能化環(huán)境下，生產(chǎn)車(chē)間應(yīng)該稱(chēng)為物聯(lián)網(wǎng)的一部分，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備的狀態(tài)，以防生產(chǎn)線的過(guò)度使用等問(wèn)題。

第四，完善智能制造的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程，處在信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的潮流下自動(dòng)化、規(guī)模化、工業(yè)化的階段。而我國(guó)預(yù)制構(gòu)件的全自動(dòng)化程度依舊處于較為初級(jí)的階段，更多的構(gòu)件預(yù)制處在手控、半自動(dòng)化，應(yīng)用最廣泛的是自動(dòng)化程度相對(duì)較低的固定模臺(tái)法。隨著信息和物理技術(shù)融合的逐漸發(fā)展，智能建造已經(jīng)成為了當(dāng)前一些科研機(jī)構(gòu)及高校的研究題目。智能制造的引入有助于提高生產(chǎn)和管理效率，完成預(yù)制構(gòu)件制造的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

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