對裝配式建筑構件工業化生產過程中引入智能制造的思考

甘文靜

摘 要：裝配式建筑構件的預制生產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和生產技術后發展起來的先進生產方式。因此，對預制構件生產應用智能制造可能性進行思考，并提出相應的應用技術。

關鍵詞：固定臺模工藝；機組流水工藝；智能制造

中圖分類號：TU741? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）04-0049-03

0 引言

裝配式建筑工程中，混凝土構件的預制是裝配式建筑能夠安裝的基礎，其質量、產量及生產工藝模式直接影響建筑工業化的進程。因此，提升預制構件生產的工業化和智能化程度是推動我國工業產業升級的重要途徑。

1 裝配式建筑混凝土構件預制生產技術及其管理要點

1.1 混凝土預制構件的生產過程

1.1.1 預制構件生產制造環節

有別于傳統建筑的設計單位進行結構及建筑設計，施工單位進行構件施工的模式，裝配式建筑中的整個施工流程的協同式一體化的，即構件的制造和生產部門從設計階段即參與進來。裝配式建筑協同設計參與如圖1所示。

預制構件的設計作為生產的第一步，生產廠家在設計階段介入，在構件深化設計階段結合廠家的生產能力和制造方式對構件的形式提出建議，減少構件的制造成本，提高制造效率。

1.1.2 預制構件的分類和生產現狀

建筑的主要構件可分為承重和非承重兩大類。承重類主要包括：框架結構中的柱、梁、板；剪力墻結構中的剪力墻板和樓板；樓梯、陽臺等。非承重類則是各種圍護構件和裝修體系，如內外墻板、空調板、陽臺板、幕墻、集成衛生間和廚房等。

1.1.2.1 二維構件

將框架結構或框架剪力墻結構中的梁、柱等按每個開間、進深、層高劃分成直線形的單個構件，剪力墻結構中的各種承重墻體、構造柱，加上樓板、屋面板、內外墻板等，此類構件在形式上是直線或者矩形的，形成了二維構件。

二維構件的外形簡單，從生產的角度來看其生產制造過程方便并便于管理，模板的重復使用率高，可實現高度的自動化生產，是能夠較容易實現工業化生產的拆分方式。

1.1.2.2 三維構件

如果將整個框架結構中的劃分成若干個小的框架，這種小框架包括梁、柱和樓板，則形成三維構件。三維構件形式上更復雜，預制生產中模板重復使用率較低，自動化和工業化程度較為困難，人工參與度高。

1.1.2.3 異形構件

建筑中還有一部分如樓梯、陽臺、空調板等，這些可歸入異形構件類別中。此類構件的生產過程雖然與異形構件中形式難度上較為一致，但重復率高，行業上也可以實現比較高程度的自動化和工業化生產[1]。

1.1.3 構件生產制造的一般工藝流程

第一，進行加工準備，包括鋼筋及鋼筋網片加工、模板制作、預埋件加工等。

第二，驗收及組裝模板，刷脫模劑，根據需要刷緩凝劑等。

第三，驗收鋼筋及鋼筋網片、預埋件后進行安裝。

第四，混凝土的澆筑、振搗、養護。

第五，達到強度后拆模，并進行質量檢驗、清理及修補等。

第六，運至成品庫堆放保護，待安裝。

1.2 生產組織方式

建筑中構件的形狀各不相同，工藝流程不同，對生產線的要求也不盡相同。進行預制構件生產的企業一般根據投資規模、生產場地、生產構件的類型及預期的生產規模等選擇生產的組織方式。當前行業中主要的制造工藝包括固定臺座工藝和機組流水工藝兩種。

1.2.1固定臺座工藝

固定臺座工藝也稱為固定模臺工藝，是一種將加工對象，即預制構件的整個制作過程固定在模臺上，由不同工種的操作人員依次進行生產的工藝。模臺在制造中起到底模的作用。固定臺座法是當前行業中預制構件的制作應用最為廣泛的生產工藝。使用固定臺座法對場地和生產車間的要求較低，整個生產過程機械化和自動化程度較低。固定模臺工藝適應性強、加工靈活，適用于非標準化異形構件的生產。

1.2.2機組流水法

機組流水是將構件放置于模具上，使模臺在流水線上繞固定線路循環運行，不同的工種處于固定位置進行生產制造工藝。機組流水工藝將預制構件的生產過程劃分為包含鋼筋、模板等不同的各個工作區。根據控制系統的自動化程度可以分為下面三種。

第一種是手控生產線，模臺的機械傳動過程依靠手動控制的生產線。

第二種是半自動生產線，是指包括混凝土成型設備，但不包括全自動鋼筋加工設備的生產線。它實現了圖樣輸入、模板清理、劃線、組模、脫模劑噴涂、混凝土澆筑、振搗等生產過程的自動化，鋼筋加工和入模則需要人工作業。

第三種是全自動生產線，在工業生產中依靠各種機械設備，并充分利用能源和信息手段完成工業化生產過程的生產線。

自動化生產線一般分為八大系統：鋼筋骨架成型系統、混凝土拌合供給系統、布料振搗系統、養護系統、脫模系統、附件安裝與成品輸送系統、模具返回系統、檢測堆碼系統。在模臺生產線上設置了自動清理機、自動噴油機（脫模劑）、劃線機和模具安裝、鋼筋骨架或桁架筋安裝、質量檢測等工位，全過程進行自動化控制、循環流水作業[2]。

2 混凝土構件預制生產過程中信息化技術的應用

2.1 BIM技術

BIM （Building Information Modeling） 是建筑信息模型的簡稱，也是當前建筑行業中應用廣泛的建模技術。BIM技術在預制構件生產中的應用集中在構件的深化設計和模具設計方面，可以進行構件深化設計階段的構件編號、節點細化、信息模型制作、鋼筋翻樣、加工圖信息表達等內容。BIM中的三維技術模型，可以為預制構件的模具設計提供所需要的三維幾何數據以及相關輔助數據， 還可以將模具設計自動化。結合全自動化生產線，還可實現拼模的自動化[3]。

2.2 芯片追蹤技術

當前應用的芯片追蹤技術是射頻識別技術，主要應用在構件生產的質量控制方面，將包含構件信息的芯片預埋于構件內部并進行生產單位、時間和管理等相關信息的追蹤。

2.3 資源管理系統

資源管理系統，即ERP（Enterprise Resource Planning），是一項成熟的可以進行全企業應用的系統化管理軟件。結合BIM和芯片識別技術，ERP系統可以根據生產工廠提供的模臺情況安排生產車間的構件加工計劃。

2.4 制造執行系統

制造執行系統，即MES （Manufacturing Execution System），是面對制造車間執行過程開發的信息化管理系統，可以和前三個系統結合起來實現生產過程的實時監控和管理，方便管理及生產人員，提高整個生產效率。

3 智能制造

智能制造，即IM（Intelligent Manufacturing）， 是進入信息化時代后逐漸發展的一種先進生產技術。其核心概念是將信息技術，甚至是最新的智能機器人技術與制造技術進行融合而產生的新技術。

當前整個市場對于智能化的認知處于較為模糊的階段，有人認為當前使用的全自動化生產線已經可以視為智能制造，還有的將信息技術應用于制造技術開始作為智能制造的起點，對此劃分智能階段。但從信息技術的角度，智能一詞應包含了智慧和能力，具有一定的自主性，即是否能夠在機械執行指令的基礎上進一步升級，并具有自我修正和決策的能力。

智能建造是基于物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節，具有信息深度自感知、智慧優化自決策精準控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式的總稱。智能制造系統的構架如圖2所示。

目前預制構件全自動化流水，雖已使用互聯網、系統化技術于制造過程，但還不具自主性，因此將現階段的預制構件全自動流水線名為信息制造。具有智能化和自主性的特點才可稱為智能制造。

4 將智能制造引入裝配式建筑的思考

混凝土預制構件的智能制造體可從以下2個方面著手。

4.1 預制構件本身的智能化

預制構件的智能化應該是利用傳感及物聯網技術，在構件中預埋或預設傳感設備。構件智能化主要可用于質量檢查和控制，即構件可自檢裂縫數量、寬度及表面平整度等參數，將參數發送控制中心，控制中心可判斷是否合格。此項技術應用費用高昂，短期內實現可能度不太高，取決于未來物聯網技術的發展程度和成本。

4.2 生產過程的智能化

生產過程的智能化，即利用物聯網及大數據技術，將生產過程中所包含的中控系統（軟件部分）和生產線上的機械及各種設備（硬件系統）進行有機融合。生產線應裝配傳感、測量及數據收集設備，并可將數據實時發送至中控系統。中控系統具有自主判斷功能，真正做到由生產線來決定什么時候供料、什么時候生產、生產什么、使用什么模具的功能。為了實現上述智能，應進行大量的技術和設備研發。具體有以下4個措施。

第一，在大數據基礎上研發具有機械學習、深度學習功能的集成生產管理系統。

第二，基于物聯網技術，研發針對預制構件生產的數字化設備。對于固定模臺工藝，設備的研發應圍繞著固定模臺這個核心上，意味著生產過程中的各個生產系統的設備，如鋼筋加工系統、模具加工系統、混凝土加工系統等本身應具有移動的能力。此舉將大大增加設備成本，從這個角度，固定模臺工藝的智能建造設備研發成本較高。對于流水工藝，當前的設備已經具有很高的自動化，下一步的落點應該集中在如何加入傳感設備，實現真正的物聯網。從更廣泛的角度，設備的研發應具有普遍適用性，即設備的組件應該可以互換或替換后依舊互相適應。

第三，生產環境的智能化研發。生產環境即車間、工廠。在智能化環境下，生產車間應該稱為物聯網的一部分，能夠實時監控生產過程和設備的狀態，以防生產線的過度使用等問題。

第四，完善智能制造的相關規范和標準。

5 結語

當前預制構件生產過程，處在信息和網絡技術的潮流下自動化、規?；?、工業化的階段。而我國預制構件的全自動化程度依舊處于較為初級的階段，更多的構件預制處在手控、半自動化，應用最廣泛的是自動化程度相對較低的固定模臺法。隨著信息和物理技術融合的逐漸發展，智能建造已經成為了當前一些科研機構及高校的研究題目。智能制造的引入有助于提高生產和管理效率，完成預制構件制造的產業升級。

參考文獻

[1] 葉明.裝配式建筑概論[M].北京：中國建筑工業出版社，2018.

[2] 班丹梅.裝配式建筑預制混凝土構件生產優化方法研究[J].工程科技Ⅱ，2021（1）：102-103.

[3] 吳姝嫻.信息化技術在混凝土預制構件生產過程中的運用[J].建筑科學與工程，2015（8）：61-66.