疊合板構件智能化預制生產技術研究

吳阿勤 （中國中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230031）

0 前言

隨著新一代信息技術與制造技術不斷革新與深度融合，智能化預制生產逐步成為我國建筑產業化發展的重要方向。智能化預制生產是一種高效、高質量的生產模式，是一個跨越諸多學科的新興研究領域，更是一個復雜的生產系統。本文基于中鐵四局集團海口綜合管廊預制廠，對其疊合板生產從智能制造工藝與裝備和智能科學管理等兩方面進行研究，為我國預制裝配式管廊的發展做好堅實的基礎。

1 智能制造工藝與裝備

制造裝備的智能化是體現預制生產技術水平的重要標志之一，智能化的制造裝備可以完成與制造工藝的“主動”配合，實現設備-人-工藝之間的高效協同。中鐵四局集團海口綜合管廊預制廠的疊合板生產線是一條全自動數控生產線，通過智能布料振搗系統、蒸汽養護系統、翻轉疊合系統以及中央控制系統等智能化系統，完成裝配式管廊疊合板構件的智能化預制生產。

1.1 智能布料、振搗系統

該系統通過上位機的操作可實現自動布料、智能振搗，保證混凝土澆筑的密實性。在上位機過程，其界面包含手動模塊和自動模塊2種，能夠通過界面操作完成各項操作。利用手動模塊實現參數設置、系統狀態監控和啟停控制、補料控制等操作。參數設置需要根據疊合板構件的厚度、幾何尺寸、混凝土的數量及塌落度等參數調整布料機相應的運轉參數，對布料機的行走速度、下料速度進行控制，保證滿足生產線的節拍要求。參數設置完成后，啟動自動模塊，由系統完成布料工作。

模臺上所有的構件完成布料后，震動臺上升（或下降）并將模臺鎖死在振動臺上使之在振搗過程中沒有相對移動。根據構件的尺寸、混凝土的塌落度等參數調整振搗器的頻率和運作時間。振搗分為3個過程：橫向搖擺、縱向搖擺和高頻振搗。橫向搖擺和縱向搖擺時間均控制在30～50s之間，高頻振搗根據構件尺寸選擇頻率和時間；外墻和中隔墻采用90HZ的頻率振搗60～80s，頂板采用80HZ的頻率振搗60～80s，為防止過振高頻振搗時間不得超過80s。

圖1 智能布料、振搗系統

1.2 蒸汽養護系統

立體式蒸汽養護窯采用濕熱蒸養方式，利用蒸汽管道散發的熱量及直接通入窯內的蒸汽獲得所需的溫度及濕度；溫度及濕度自動監控，溫度及濕度變化全自動控制，蒸養溫度最高不超過55℃，確保升溫及降溫的速度符合要求，同時確保養護窯內各點溫度均勻。窯內升、降溫速度不宜超過20℃/h，預制構件脫模時的表面溫度與環境溫度的差值不宜超過25℃。

疊合板預制構件的養護制度可分為4個階段：預養、升溫、恒溫和降溫。各階段的主要控制參數有：升溫時間（或升溫速度）、恒溫時間和恒溫速度、降溫時間（或降溫速度）。

①預養期：從疊合板構件澆注振搗（雙層板需翻轉疊合）成型后至進窯養護前，構件需在常溫下放置時間控制在約2.5h，最高氣溫不超過35℃。

②升溫期：該階段是疊合板構件的定型階段，是養護過程的重要環節。其主要控制參數是溫控時間和升溫速度。對于預養時間比較長或初始結構強度比較高的疊合板構件，升溫速度加快；反之，則需要緩慢升溫。升溫速度嚴格控制在15℃/h以內。溫控總時間約1.5h，窯內最高溫度不超過55℃。

③恒溫期：該階段的主要控制參數是恒溫溫度和恒溫時間。恒溫溫度低，則恒溫時間要長些；恒溫溫度高，則恒溫時間較短。總結疊合板養護工藝以及參考相關國標和行標，在恒溫期溫控時間不宜超過4h；恒溫最高溫度不宜超過55℃。

④降溫期：降溫速度是本階段的重要控制參數。疊合板的養護在降溫期的降溫速度不得大于10℃/h，溫控時間控制在2h左右。疊合板出窯的溫度與環境溫差不得超過15℃。

圖2 蒸汽養護系統

1.3 翻轉疊合系統

疊合板翻轉疊合系統具有本地、遠程、維護3種控制模式，在本地和遠程控制模式下有限位傳感器進行限位控制，在維護狀態下有極少量傳感器進行限制。疊合板翻轉機將養護好的疊合板構件及其模板從滾輪輸送線上接取，并經過抽銷模板卡緊、壓緊疊合板、翻轉、行走、疊合、松模板、提升等過程將養護好的疊合板與剛澆筑的混凝土構件疊合形成雙層板，并把空模板放回滾輪輸送線上。

雙層疊合板翻轉機從滾輪輸送線上取養護好的疊合板構件及其模板，提升后將養護好的疊合板構件及其模板翻轉180。并送到指定位置，將養護好的構件與剛澆筑的混凝土構件疊合，經振動臺振動密實后形成雙層板，疊合板翻轉機再將空模板翻轉180°并放回滾輪輸送線，雙層板構件經滾輪輸送線送到碼垛車，再次送入養護窯進行二次蒸養，如圖3所示。為了保證預制構件疊合的精度，保證構件厚度誤差控制在允許范圍之內，采取以下措施：

①疊合前分別對上下模臺上的邊模進行對角線檢查，保證誤差在±2mm之內；

②疊合前對保護層定位鋼筋進行尺寸檢查，誤差控制在±1mm；

③疊合中對上下模臺的位置進行復核，保證誤差在可控范圍之內，能夠實現構件的疊合；

④疊合中利用邊模上的槽孔對疊合的精度進行復核，如尺寸偏差超過允許范圍，需重新調整再進行翻轉疊合；

⑤疊合完成后，對疊合構件進行整體系統性檢查，保證疊合板能夠達到標準構件的要求。

圖3 翻轉疊合系統

1.4 中央控制系統

中央控制系統主要對整個流水線循環過程進行監控和控制，鋼性底模的運動過程可通過該系統進行有效的安排，同時該系統可實現對所有運行數據和運輸過程的優化，能夠及時檢測和傳輸故障信息，并通過遠程維護模塊進行自動分析和排除。疊合板流水線上所有信息均可匯至中央控制系統，并由中央控制系統發出指令控制生產線沿途的各個生產環節。

中央控制系統由若干個智能體組成，通過分解控制和組合指令實現各智能體有效地協調工作。基于各智能體辨識，依據各個智能設備控制系統的工藝要求和功能，采用集中和分布相結合的方式構建流水線控制系統結構模型。

中央控制系統在有限時間和資源的約束下，可解決疊合板生產任務調配、智能設備動作協調以及化解流水線循環作業沖突等協調問題。基于多智能體控制系統結構模型，可分析各個智能設備運作之間的相互影響程度和相互約束條件，在滿足每個智能設備對其他相關智能設備的解耦或補償的期望要求的條件下，并建立相應的流水運作方法，保證疊合板流水線的正常運轉。

2 智能科學管理

2.1 智能生產管理系統

依據疊合板預制生產特點，引入智能生產管理系統（iPCMES系統），對現有疊合板生產線進行升價改造，實現預制生產過程的自動化、智能化、網絡化，實現生產資源最優化配置、生產任務和物流實時優化調度、生產過程精細化管理和智慧科學管理決策，提高疊合板的生產效率，實現大規模批量定制生產需求，拓展價值增值空間。其特點如下：

①在疊合板生產線上，可對作業中的模臺進行全程監控，保證預制生產順利進行；

②該系統可對布料機進行智能控制，通過輸入布料參數實現智能布料，可有效控制出料的方量、布料的范圍，提高生產效率；

③該系統對蒸汽養護窯進行溫度及濕度自動監控，實現溫度及濕度變化全自動控制，保證蒸養溫度最高不超過55℃，確保升溫及降溫的速度符合要求，同時確保養護窯內各點溫度均勻。

圖4 智能生產管理系統

2.2 信息化預制生產管理系統

基于BIM圖元信息采用二維碼物聯網技術對疊合板進行動態更新和全生命周期管理。二維碼作為預制構件的信息載體，也是各環節有效協同的紐帶，通過二維碼承載信息實現對預制構件的身份識別、狀態確認、技術交底等操作，最終實現預制構件從計劃下達、生產下線、檢驗出廠、現場驗收、吊裝就位、后期維護的全過程管理。有了二維碼這個載體，還需要有效協同才能實現預制構件高效有序地排產、運輸、吊裝。協同計劃通過倒排吊裝日期、到場日期、出廠日期、生產日期、排產日期，實現生產、運輸、吊裝等不同工序的高效協同。

根據各工序計劃日期提前推送任務消息給相關工序負責人，每個工序完成時給后續工序推送任務消息。該計劃與傳統的進度計劃有幾點不同：①現場工序任務分解到具體構件；②基于構件倒排吊裝日期、到場日期、出廠日期、生產日期、排產日期；③基于構件對應的物料清單，根據排產日期下達采購計劃；④可以形成工作任務推送到相關人員的日程安排，支持PC和手機移動端提醒查看。

這套方法原理簡單、技術成熟、容易推廣，已經在海口綜合管廊項目施工過程得到有效檢驗，設計、采購、生產、施工各相關單位按照協同計劃組織各項作業。

3 結語

本文基于中鐵四局集團海口綜合管廊預制廠，闡述了疊合板生產線的智能布料和振搗系統、蒸汽養護系統、翻轉疊合系統、中央控制系統等智能制造裝備及其預制生產工藝，同時對引進的智能生產系統和物聯網技術的應用進行了說明，以此揭示了管廊疊合板智能預制生產關鍵技術，助力我國預制裝配式管廊的發展。