可擴展組合式預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線的研究

朱敏濤

上海建工材料工程有限公司 上海 200086

1 研究背景

隨著我國建筑產(chǎn)業(yè)化的不斷推進，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)大量涌現(xiàn)，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線基本以傳統(tǒng)固定模臺、平模流水法（移動模臺法）為主，輔以少量預(yù)應(yīng)力長線臺座法生產(chǎn)線。傳統(tǒng)固定模臺生產(chǎn)產(chǎn)品適應(yīng)性強，但是作業(yè)環(huán)境差、機械化程度低；平模流水法比較適合形狀簡單的疊合樓板和內(nèi)墻板等構(gòu)件，當發(fā)生生產(chǎn)線故障時影響大；預(yù)應(yīng)力長線臺座適宜生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力疊合板和空心板等構(gòu)件，機械化程度高，生產(chǎn)效率高。

本文通過在原有PHC管樁生產(chǎn)廠房的基礎(chǔ)上，引進吸收先進技術(shù)，研制了一條新型雙向可擴展預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線具有生產(chǎn)設(shè)施和裝備可擴展布置以及有機組合、構(gòu)件生產(chǎn)數(shù)字化和機械化程度高、產(chǎn)品適應(yīng)性強、投資少等特點，提升了預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)效率。基于此數(shù)字化生產(chǎn)線還開發(fā)了從構(gòu)件產(chǎn)品設(shè)計、構(gòu)件庫選擇、模具設(shè)計加工到構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了部分預(yù)制混凝土構(gòu)件的數(shù)字化生產(chǎn)。

2 可擴展組合預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線的總體布局

可擴展式模臺預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線由原有PHC管樁車間改造而成（圖1），廠房總面積4 536 m2，長189 m，跨度24 m。車間布設(shè)3.7 m×9.0 m固定模臺30個，縱向2條生產(chǎn)線分3組布設(shè)，每組5個模臺，每條生產(chǎn)線布設(shè)15個模臺，2條線之間可通過橫向擺渡軌道運輸關(guān)鍵裝備完成連接。

圖1 可擴展式模臺預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線局部

每條生產(chǎn)線模臺底部左右各布置有一內(nèi)一外2條縱向軌道，模臺混凝土澆筑完畢后，振動裝備可沿模臺底部內(nèi)軌道移動至指定模臺完成構(gòu)件的振動密實；模臺左右兩側(cè)外軌道可用于生產(chǎn)裝備的來回移動，以完成預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)任務(wù)。2條縱向生產(chǎn)線外側(cè)另布設(shè)有一組軌道用于橋式混凝土運料罐車的來回移動。數(shù)字化生產(chǎn)車間設(shè)有參觀通道、辦公區(qū)、物料堆放區(qū)、成品構(gòu)件運輸區(qū)、裝備維修區(qū)等，車間一端并設(shè)有混凝土布料機、混凝土料罐清洗區(qū)，整個生產(chǎn)線布局靈活，適應(yīng)性強，生產(chǎn)線可按產(chǎn)能需求逐條投入生產(chǎn)設(shè)備，且設(shè)備可靈活優(yōu)化組合，從而實現(xiàn)生產(chǎn)線的雙向可擴展。

預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化加工生產(chǎn)線的主要數(shù)字化裝備包括：生產(chǎn)軌道及振動側(cè)翻一體式熱養(yǎng)護固定模臺、縱橫向自行移動式清掃劃線脫模劑噴涂一體化集成裝置、中央行走平臺裝置、物料輸送平臺、橋式混凝土料罐、縱橫向自行移動式混凝土布料機、縱橫向自行移動式振動側(cè)翻裝置、旋翼式抹平裝置、蒸汽養(yǎng)護覆蓋裝置等?；诠潭Ｅ_的可擴展組合式預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)方式，通過數(shù)字化單元裝備在軌自行移動對固定模臺上預(yù)制混凝土構(gòu)件進行不同工序的數(shù)字化操作，實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的并行柔性生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率和對預(yù)制構(gòu)件的適應(yīng)性。

3 數(shù)字化生產(chǎn)流程

3.1 數(shù)字化構(gòu)件產(chǎn)品設(shè)計

數(shù)字化構(gòu)件產(chǎn)品常根據(jù)預(yù)制構(gòu)件尺寸、功能、結(jié)構(gòu)形式和工程特點等因素，建立不同類型的標準化預(yù)制構(gòu)件庫（剪力墻外墻板、剪力墻內(nèi)墻板、圍護墻板、疊合樓板、樓梯梯段板、陽臺板等），以及建立構(gòu)件數(shù)字化信息與預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)數(shù)據(jù)對接系統(tǒng)。

(4) 坑邊動靜荷載影響?；觾蓚?cè)距離市政道路距離較近，東側(cè)僅2.5 m，全線北段大多數(shù)渣土及混凝土運輸車輛從該路段通過。同時，兩側(cè)淺基礎(chǔ)建筑距離基坑南段水平距離約12 m，靜載對基坑變形存在一定影響。

數(shù)字化構(gòu)件產(chǎn)品生產(chǎn)常從產(chǎn)品類型識別、鋼筋識別、預(yù)埋件識別等，在生產(chǎn)前進行構(gòu)件信息的識別，確定好構(gòu)件的類型后開始導入信息化系統(tǒng)對鋼筋進行識別，從而開始放樣，進行鋼筋的自動化加工。系統(tǒng)對預(yù)制構(gòu)件預(yù)埋件位置進行識別，并將自動對鋼筋及預(yù)埋件位置進行區(qū)分，避開鋼筋及預(yù)埋件區(qū)域，從而開始混凝土的自動化布料。預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)品的精確度直接決定了其現(xiàn)場安裝的準確度，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)常對預(yù)制構(gòu)件進行進一步深化設(shè)計工作，其目的是為了保證每個構(gòu)件到現(xiàn)場都能準確地安裝，不發(fā)生錯漏碰缺。

3.2 模具數(shù)字化設(shè)計和加工

目前，裝配式建筑的模具是根據(jù)單個工程設(shè)計和制造，模具標準化程度低，重復利用率極低。建立基于標準化構(gòu)件庫的模數(shù)化組合式模具系統(tǒng)和相應(yīng)的數(shù)字化標準模具庫，可大大提高模具重復使用率和降低工程模具成本。預(yù)制構(gòu)件模具在設(shè)計階段常根據(jù)構(gòu)件類型進行模具單元的拆分，采用數(shù)字化設(shè)備對拆分好的單元進行加工生產(chǎn)，保證模具的精確度。在設(shè)計加工完成后，將模具運抵生產(chǎn)企業(yè)，從而對其進行編號區(qū)分，采用數(shù)字化設(shè)備，根據(jù)構(gòu)件對應(yīng)編號吊運安裝模具，保證構(gòu)件生產(chǎn)的有序性及合理性。

3.3 預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)

1）構(gòu)件圖紙數(shù)字化轉(zhuǎn)換。數(shù)字化生產(chǎn)線采用先進的數(shù)據(jù)導入系統(tǒng)，由生產(chǎn)企業(yè)翻樣人員根據(jù)設(shè)計單位提供的構(gòu)件拆分圖紙對構(gòu)件的預(yù)埋件及平面圖進行轉(zhuǎn)換，形成生產(chǎn)系統(tǒng)可自動識別的圖紙并導入生產(chǎn)系統(tǒng)。

2）優(yōu)化布模。通過對數(shù)據(jù)識別成功后，為實現(xiàn)模臺的最大化利用，提高每批次生產(chǎn)構(gòu)件的數(shù)量，需通過調(diào)整模臺邊界尺寸來優(yōu)化模臺構(gòu)件布局。

3）縱橫向自行移動式清掃畫線脫模劑噴涂一體化集成裝置對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行接管，移動至指定生產(chǎn)模臺區(qū)域，并對模臺進行清掃、畫線、噴灑脫模劑。

4）縱橫向自行移動式邊模和鋼筋布置小車吊運模具、鋼筋及預(yù)埋件至指定生產(chǎn)模臺，對模具進行試拼裝。

5）檢驗人員對試拼好的模具進行尺寸驗算檢查，鋼筋工按圖紙要求進行鋼筋綁扎和預(yù)埋件的安裝，綁扎安裝完成后進行隱蔽工程驗收。

6）待隱蔽工程驗收合格后，給出澆筑指令，使裝載混凝土的魚雷罐與攪拌樓實現(xiàn)無線對接，然后通過混凝土輸送軌道將魚雷罐運至指定模臺與布料機完成自動對接并卸料。

7）魚雷罐完成卸料后，混凝土布料機接收預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化信息，對模臺預(yù)制構(gòu)件進行自動布料，布料機下端有若干卸料口，可根據(jù)構(gòu)件形狀、尺寸和開洞情況開啟不同卸料口，完成自動布料。

8）布料完成，對布料不均勻區(qū)域進行攤平，待單個模臺布料完成，啟動縱橫向自行移動式振動側(cè)翻裝置對模臺進行振搗，混凝土振搗密實后停止振動。

9）依次對生產(chǎn)線模臺進行混凝土澆筑，澆筑完成后，用旋翼式抹平裝置對模臺預(yù)制構(gòu)件上表面進行抹平。

10）抹面完成啟動養(yǎng)護裝置對模臺進行覆蓋，根據(jù)構(gòu)件形狀、特征進行熱養(yǎng)護。

11）構(gòu)件混凝土經(jīng)養(yǎng)護達到設(shè)計起吊強度，應(yīng)用縱橫向自行移動式振動側(cè)翻裝置對模臺上預(yù)制構(gòu)件進行脫模側(cè)翻起吊，進行下一循環(huán)生產(chǎn)。

12）構(gòu)件整修及標識。預(yù)制構(gòu)件脫模后，應(yīng)在專門檢修工位及時進行陳品檢驗，對缺陷部位進行修補，并按規(guī)定要求進行構(gòu)件標識。

13）構(gòu)件成品檢驗。應(yīng)對預(yù)制構(gòu)件的外觀質(zhì)量、尺寸偏差、混凝土強度、結(jié)合面、裝飾等各方面進行質(zhì)量檢驗。

14）構(gòu)件成品堆放。建立與成品堆場相關(guān)聯(lián)的數(shù)字化堆放系統(tǒng)，成品檢驗合格后構(gòu)件才可以進入成品堆場進行堆放，構(gòu)件應(yīng)根據(jù)數(shù)字化堆放系統(tǒng)優(yōu)化布置，按構(gòu)件類型、項目分類堆放。

15）構(gòu)件運輸出廠。構(gòu)件運輸應(yīng)根據(jù)構(gòu)件特點和運輸工具確定合適的方案，盡量采用平放運輸方式。靠放架、插放架應(yīng)具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，構(gòu)件經(jīng)檢查驗收合格后方可運輸出廠[6]。

4 工程應(yīng)用及優(yōu)勢

數(shù)字化生產(chǎn)線車間自投產(chǎn)以來，已完成多個工程混凝土預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)任務(wù)。相比傳統(tǒng)固定臺座生產(chǎn)線模式，專有技術(shù)主要有基于平面矩陣式布局的智能化生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)技術(shù)、可側(cè)翻固定模臺集熱模臺養(yǎng)護技術(shù)、可縱橫向自行移動的集成化無線控制關(guān)鍵裝備技術(shù)。

數(shù)字化生產(chǎn)車間的主要優(yōu)勢有[7-8]：

1）投資少，生產(chǎn)線相比同規(guī)模的自動化生產(chǎn)線，初期投資可減少50%以上，具有良好的經(jīng)濟性。

2）可擴展性強，生產(chǎn)線可通過增加模臺、軌道和裝備等實現(xiàn)產(chǎn)能擴充，多條生產(chǎn)線共用主要關(guān)鍵設(shè)備，產(chǎn)能擴充的經(jīng)濟性明顯。

3）智能化水平高，勞動生產(chǎn)率提升，多種智能裝備產(chǎn)品適應(yīng)性強、操作性好，勞動生產(chǎn)率提高30%。

4）適應(yīng)性強，可生產(chǎn)疊合板、墻板、梁、柱等各類構(gòu)件。

5）能耗低，實際生產(chǎn)過程中能耗減少30%。

5 結(jié)語

雙向可擴展組合式數(shù)字化生產(chǎn)線可通過僅增加模臺和軌道等較少投資實現(xiàn)產(chǎn)能擴充，多條生產(chǎn)線可無縫銜接，共用主要關(guān)鍵裝備，且關(guān)鍵裝備可靈活組合，產(chǎn)能擴充的經(jīng)濟性明顯。可生產(chǎn)內(nèi)外墻板、梁、柱等各類預(yù)制構(gòu)件，體現(xiàn)了其適應(yīng)性強、生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢。具有顯著的競爭優(yōu)勢和推廣價值，對推動我國建筑工業(yè)化具有重要意義。