面向生產線級的PC構件排產模式研究

(1.湖北工業(yè)大學計算機學院，武漢 430068； 2.湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院，武漢 430068)

引言

為了大力度推進生態(tài)文明建設，以工業(yè)化手段實現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能、綠色、安全的住宅產業(yè)化目標，促進建筑業(yè)產業(yè)轉型和升級，國家正致力推進新型建筑工業(yè)化和住宅產業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展[1]。近年來，多家國內住宅產業(yè)化的建筑商提供了生產預制件的流水線設備支持，裝配式預制構件企業(yè)紛紛投資建設構件生產基地。排產是生產中的一種匹配方式，不同的排產模式對應不同的匹配方案，對計劃、投料、報工和績效收集起到串聯(lián)的作用，使生產產能最大化和各工序負載實現(xiàn)均衡。預制構件排產是一個多流水線、多工序的離散的復雜生產過程[2]。為滿足預制構件生產訂單的需求，排產系統(tǒng)通過工序屬性、約束條件、構件類別管理等一系列規(guī)則，計算出最優(yōu)生產計劃。通過下達生產指令，安排構件在各工序上的加工設備、加工時間和加工順序，以獲得生產作業(yè)計劃的總流程時間或生產成本最優(yōu)化。

目前我國PC構件的項目主要是住宅，包括保障性住宅和商品住宅，主要采用預制裝配整體式剪力墻結構，預制構件包括套筒連接的預制剪力墻、疊合樓板、預制陽臺、預制凸窗和預制樓梯等構件。由于生產流水線應用程度低和住宅構件標準化程度低，造成預制構件生產企業(yè)總體設計產能和實際產能存在較大的偏差，無法滿足市場需求。一方面，由于商品住宅的房型多變和方案階段沒有考慮標準化和模塊化設計因素等原因，大部分的預制構件生產按照業(yè)主提供的深化設計圖紙，進行按圖訂單加工； 另外，由于預制構件廠生產過程中根據(jù)項目進度按層提供構件，各種類型的預制構件在工廠同時生產，對構件排產提出更高要求。另一方面，流水線生產方式適合于標準化程度較高的疊合樓板等預制構件，由于構件類型的多樣性和復雜性，使得流水線各工位對構件產品生產的適應性較差，大大限制了構件生產進度和產能。因此，研究生產流水線與構件加工匹配度，合理組織構件排產模式，實現(xiàn)生產過程優(yōu)化，有利于提高構件生產效率和產能。

綜上所述，為了滿足裝配式建筑市場日益增長的需求，順應綠色建筑節(jié)能、降耗的要求，研究構件排產模式，優(yōu)化生產調度方案，提高構件生產產能，加快建筑行業(yè)轉型發(fā)展步伐，具有重大的應用價值和現(xiàn)實意義。

1 PC構件生產工藝概述

PC構件排產系統(tǒng)是構件生產系統(tǒng)信息化管理的重要組成部分，決定了構件生產的效率、成本，同時也受制于構件生產系統(tǒng)的工藝設計方法?，F(xiàn)階段預制構件生產系統(tǒng)按生產工藝可分為流水傳送法、機組流水線法和固定臺座法。流水傳送法將構件生產工藝劃分成不同工序，并將其組織在封閉的流水線上。構件固定在模臺上，模臺依各工序順序移動。其機械化和自動化程度較高，生產效率明顯。機組流水線法通過模具在生產線上循環(huán)流動，生產設備和作業(yè)工人相對固定，順序生產構件的各道工序。其特點在于不同產品的生產工序之間互不影響，流水相對靈活，對產品的適應性較強，但投入成本高。固定臺座法(又稱固定臺膜法)要求加工對象位置相對固定，操作人員按不同工種依次在對應工位上操作，產品適應性強，加工工藝靈活但效率較低[3-4]。針對上述三種不同的生產系統(tǒng)，本文從各自的特點、自動化程度和適合生產的構件類型三個方面進行比較，如表1所示。

表1 三種生產系統(tǒng)的設計工藝方式比較

上述可知，流水傳送法的機械化和自動化程度最高，機組流水線法次之，但兩者對于外形復雜的預制構件適應性不強且生產效率較低。為了滿足建筑市場對PC構件不斷增長的需求，適應預制構件結構多變和方案階段沒有考慮標準化和模塊化設計因素等情形，PC構件工廠的生產系統(tǒng)需要充分考慮生產成本、生產能力，減少投資浪費，其生產工藝和布局常常將流水傳送法或機組流水線法與固定臺座法相結合，因此生產組織和管理也較為復雜。

本文選取PC構件廠的基本情況為工廠占地300 畝，廠房面積3.4萬m2，堆場面積2.5萬m2，布局兩條 PC 混凝土預制構件自動流水線，一條固定模臺生產線，一條鋼筋加工生產線，一個全封閉室內混凝土攪拌站和兩個室外成品堆場。設計年產能15萬m3混凝土構件，預制構件產品主要為外墻板、內墻板、疊合板及樓梯、陽臺板、空調板、疊合梁等。該PC構件廠生產布局圖如圖1所示。

圖1 PC構件廠生產布局圖

外墻生產線能夠生產多種類型構件，同時外墻生產線也能夠生產內墻板，構件數(shù)量占構件總數(shù)的90%以上，其生產效率對于提升整個構件廠產能具有重要影響。但是外墻生產線的長度過長、流程和工序最多，且生產邏輯和影響因素較為復雜，研究構件排程與生產線匹配程度，具有重要價值和意義。因此，本文選取外墻生產線作為排產方式的研究對象。

一般來講，PC構件外墻生產線的工位包括清掃、噴涂、鋼筋模板裝配、預埋件安裝、澆筑振搗、上層板放置、擠塑板安裝、拉結件安裝、網片安裝、二次澆筑、振動趕平、預養(yǎng)護、抹面、養(yǎng)護、拆模、翻板吊運。適合生產的主要預制構件有內墻板、疊合板、隔墻梁、外墻板(單)、外墻三明治板。外墻生產線按各工序順次排列布置，如圖2所示。

該構件工廠的外墻生產流水線為環(huán)狀流水線，模臺在生產線上按照生產流程在各工位之間順次移動。生產線含有若干個工位，每個工位又劃分出多個子工位，每個子工位的空間可容納一個模臺。允許增加過渡工位，用以調節(jié)生產流水節(jié)拍。

圖2 外墻生產線各工序示意圖

2 構件排產模式

PC構件的排產模式按流水節(jié)拍方式可分為自由節(jié)拍和固定節(jié)拍兩類。本文以上述PC構件廠的外墻生產流水線為研究對象，分析兩種排產模式的運行機制。前提條件是人工、物料、機械設備能夠滿足各工位的作業(yè)要求，即物料供應充足、工人數(shù)量充足、模臺勻速移動和設備工作狀態(tài)良好等。

2.1 自由節(jié)拍排產模式

自由節(jié)拍對于每一個模臺而言，一旦前面的工位是空閑的，模臺就移入該工位，否則它需要進行等待，直到前面的模臺離開。除卻初始模臺，工序靠后的模臺受到緊鄰前一個模臺時間和空間的約束限制。自由節(jié)拍模式的特點在于盡可能利用空間和時間； 模臺空間和時間約束關系具有傳遞性； 模臺在不同工位的作業(yè)時間不同，因工位時間差異，堵塞情況時有發(fā)生。

在自由節(jié)拍排產的運行過程中，由于后面的模臺受前面的模臺限制，即使后面的模臺已經完成的加工，但是還需要等待前面的模臺離開，才方可進入下一個工位或子工位。在實際生產過程中，通常會出現(xiàn)三種情形： ①前面的工位時間大于后面的工位時間，后面的工位會出現(xiàn)被堵塞的現(xiàn)象，造成時間上的浪費； ②前面的工位時間小于后面的工位時間，前面的工位會出現(xiàn)空閑的現(xiàn)象，造成工位、設備的利用率降低； ③前后工位的時間相等，那么不會出現(xiàn)工位空閑和擁堵的情況，工位和設備的利用率也隨之提高。自由節(jié)拍理想排產的情況是工位之間的時間無差距，工位無干等時間與工位無空閑。

2.2 固定節(jié)拍排產模式

流水節(jié)拍是生產過程中構件在工作臺位上的持續(xù)時間，是人工、物料、機械設備等資源要素對構件作業(yè)的綜合反映。生產時，模臺按照規(guī)定的節(jié)拍沿設定軌道順工序向前移動，從一個工位移動到另一個工位，并在該固定的臺位上完成相應的作業(yè)。固定節(jié)拍模式是把一條生產流水線，按照構件生產的全部工序劃分成若干工位，模臺上的構件在不同工位上的停留時間固定為固定節(jié)拍的時長，完成作業(yè)的構件按規(guī)定的時間節(jié)拍進入后續(xù)工位。生產線的節(jié)拍個數(shù)之和為構件的全部生產時間。固定節(jié)拍模式特點是每個工位的停留時間是固定節(jié)拍的倍數(shù)，模臺在軌道上移動的節(jié)奏一致，模臺和模臺之間不存在時間和空間約束； 無卡頓堵塞情況發(fā)生； 整體時間相對固定和穩(wěn)定。

流水節(jié)拍是勞動力、物料、機械設備等約束條件綜合作用的結果，其中流水線的設計工藝直接決定了流水節(jié)拍的大小。針對流水線而言，影響流水節(jié)拍的主要因素是工位數(shù)量和養(yǎng)護窯容量。

1)工位數(shù)量

工位數(shù)量是指依據(jù)構件工序組合或拆開后的工作臺位總數(shù)。工位數(shù)量與固定節(jié)拍密切相關。固定節(jié)拍過短，需增多工作臺位，增加設備數(shù)量，拉長生產線； 固定節(jié)拍過長，延長了生產時間降低了生產效率。固定節(jié)拍數(shù)量可以根據(jù)工作臺的時間長度進行邏輯上的任意劃分，而實際工位的數(shù)量受到廠區(qū)空間限制相對固定。設計時，整個臺位數(shù)應備有過渡臺位，每條生產線一般增設2～3個。

2)養(yǎng)護窯容量

養(yǎng)護窯是流水線上構件作業(yè)耗時最長的工序，PC構件的蒸汽養(yǎng)護時間通常固定在10小時左右。養(yǎng)護窯設計容量(窯內可容納的臺座數(shù)量)直接決定流水線的節(jié)拍時間，與生產線產能關聯(lián)。設PC構件的養(yǎng)護時間為T，養(yǎng)護窯容量為C，流水節(jié)拍為Tp。養(yǎng)護窯利用率達到飽和時的流水節(jié)拍時長為T′，于是有

(1)

理想情況下，當流水線處于滿負荷生產狀態(tài)，養(yǎng)護窯利用率達到飽和，每次養(yǎng)護工序剛空出的臺座就立即被需要養(yǎng)護的構件占用，養(yǎng)護工序與抹面工序同步完成，兩個工序之間銜接流暢，不發(fā)生堵塞。理想情況下的流水節(jié)拍時長為最佳固定節(jié)拍Tp=T′。當養(yǎng)護窯處于繁忙狀態(tài)時，養(yǎng)護窯利用率達到飽和，后面的抹面工位等待前面的養(yǎng)護作業(yè)，養(yǎng)護和抹面工序之間發(fā)生堵塞。此時，流水節(jié)拍取時較短，TpT′時，養(yǎng)護窯處于空閑狀態(tài)時，養(yǎng)護窯利用率不足，部分臺位有空閑現(xiàn)象。

圖3 外墻流水線生產流程模型圖

3 排產仿真與結果分析

本文借助仿真工具軟件對外墻生產線流程進行建模，實現(xiàn)構件生產排產邏輯的仿真。通過分析排產仿真數(shù)據(jù)和實驗結果，對兩種排產模式進行量化的分析和定性的研究。

3.1 生產流水線建模

AnyLogic仿真軟件作為一種創(chuàng)建真實動態(tài)模型的可視化工具，具有較強的設計離散、系統(tǒng)動力學、多智能體和混合系統(tǒng)的建模和仿真能力。大量實際應用表明，借助AnyLogic工具，便于分析和挖掘帶有動態(tài)發(fā)展結構及組件間關聯(lián)關系，適合創(chuàng)建對象的動態(tài)模型[5-6]。PC構件廠排產是一個典型的多工序生產、多運輸平臺的離散和連續(xù)相結合的復雜生產過程，其生產流程具有工序多、人工干擾大、原料不穩(wěn)定、各工位作業(yè)時間波動大等復雜系統(tǒng)的特性，生產組織和運行難度較大。本文使用Anylogic 7.0.2 professional創(chuàng)建PC構件外墻生產流水線模型，對兩種排產模式進行內部邏輯編程、運行仿真和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等工作。按照其工藝流程、生產邏輯搭建模型，模型圖如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)準備

為了分析兩種排產模式對外墻流水線生產產能的影響，本文選取含窗構件、含門構件、含門窗構件和普通單墻等四種不同類型的PC預制外墻構件，每種類型構件數(shù)量均為300件。四種不同類型的PC預制外墻構件按工序不同可劃分成15個工位； 通過拆分用時較大的復雜工位，擴展為25個子工位。由于不同類型構件的外觀尺寸、體積、結構復雜程度等不一致，工序相同的構件作業(yè)時間不同。比如，外葉墻澆筑作業(yè)時間與構件類型有關，同時與構件形狀、面積、體積有關； 抹平時間與構件類型、面積有關； 拆模時間與螺絲數(shù)量成一定比例關系； 網片安裝時間既取決于網片安裝的面積，又受到出筋數(shù)量的影響等等。綜合考慮多種因素，實驗所用的4種不同類型外墻構件作業(yè)時間如表2所示。

自由節(jié)拍模式要求每個工位或子工位的時間節(jié)拍相同。從表格中可以看出，使用最大的工位時間作為固定節(jié)拍時，所有工位浪費的總時間最少。因此，將含窗構件、含門構件、含門窗構件和普通單墻等四種不同構件的固定節(jié)拍分別取為25min、26min、35min和22min。由于養(yǎng)護窯數(shù)量是40個，根據(jù)公式(1)計算，得到最佳流水節(jié)拍為15min。由于四種構件的流水節(jié)拍時間都大于15min，養(yǎng)護窯始終不會滿負荷運轉，此時PC工廠當前的生產狀況為不飽和生產。

3.3 實驗結果分析

四種構件的混凝土方量分別為含窗構0.82m3/塊、普通單墻構件1.33m3/塊、含門構件0.68m3/塊、含門窗構件1.65m3/塊。對四種不同類型構件，每種構件數(shù)量300片，分別以自由節(jié)拍和固定節(jié)拍模式進行單流水線單構件模擬排產。利用Anylogic計算兩種排產模式的生產耗時和產能，如表3所示。

表2 不同構件在各工位上的作業(yè)時間

表3 兩種排產模式的生產耗時和產能

由表3可知，在當前情況下，自由節(jié)拍模式下四種類型中的每一個類型外墻構件的生產總消耗時間均小于固定節(jié)拍模式的總消耗時間，此時自由節(jié)拍排產模式的產能高于固定節(jié)拍模式的產能。另外，由于普通單墻構件結構復雜程度與其他構件相比較低，它的生產效率最高。因此，構件工序復雜程度越低，其產能越大。

理論上，固定節(jié)拍越小且越接近15min，固定節(jié)拍排產得到的產能就會增加。通過增加過渡工位，將作業(yè)時間較大的工位劃分成多個子工位，從而降低固定節(jié)拍時間。下面實驗通過增加三個過渡工位，利用Anylogic分析過渡工位對自由節(jié)拍模式和固定節(jié)拍模式的產能影響，計算結果如表4所示。

表4 過渡工位對自由節(jié)拍模式和固定節(jié)拍模式的產能影響

表4可知，增加三個過渡工位后，自由節(jié)拍模式和固定節(jié)拍模式生產時間都相應縮短了，所有類型的構件產能均有提升。自由節(jié)拍模式產能提高的比例為6%～16%，固定節(jié)拍模式產能提高的比例為40%～50%。尤其是普通單墻構件的節(jié)拍時間為19min，養(yǎng)護窯的利用率大大提高，趨近于飽和生產，然而由節(jié)拍模式產能提高的比例并不明顯。因此，增加過渡工位能夠提升構件產能。

從上述兩個實驗結果分析可知，當各工位之間用時相差較大時，自由節(jié)拍排產模式的產能高于固定節(jié)拍模式的產能； 通過增加過渡工位將用時多的工位劃分成多個子工位，讓各工位之間用時盡可能接近，固定節(jié)拍模式生產效率提升高于自由節(jié)拍排產模式。因此，自由節(jié)拍模式一般較適用于不飽和生產，固定節(jié)拍模式一般適用于飽和生產。

4 結語

目前許多PC構件廠由于生產調度信息化水平不足，造成生產能力未達預期設計生產能力的問題，因此研究排產方式對于提高預制構件產能有重要價值和意義。本文針對PC構件廠外墻生產流水線的實際情況，分析了自由節(jié)拍模式和固定節(jié)拍模式特點。通過Anylogic模擬仿真實驗，計算兩種排產模式下的PC構件生產耗時和相應的產能，探討影響產能的因素以及不同排產模式的適用條件。本文只討論單構件單線體的情形，不同構件組合排產將是今后研究的重點。

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