數字化在預制構件模具領域的開發和應用

鄧軒 張景明 李鵬飛 中民筑友智能裝備科技有限公司

一、問題的提出

混凝土預制構件（以下簡稱PC 構件）屬于裝配式建筑三大體系之一的混凝土裝配式建筑結構體系。近幾年裝配式建筑體系發展快，PC 構件的生產過程是通過PC 模具成型完成的，PC 模具是實現PC 構件工廠化和標準化的重要生產裝備。但由于PC 構件設計非標，導致模具標準化程度低、通用性差。

為適應客戶差異化需求，導致每套PC構件模具均為非標定制。從而使得PC 構件模具設計任務量大、設計時間緊、差錯率高、生產制作周期短、交期緊等。如何實現PC 構件模具快速化設計及其出圖的問題，是目前亟待解決的問題。

通過數字化PC 模具庫的開發，可以實現PC 構件和PC 模具快速化設計。

二、數字化PC 模具庫的開發

根據PC 構件特征和對應PC 模具結構，建立參數化驅動的PC 構件模型庫，并采用“自上而下”“自下而上”相結合的參數化PC 模具庫，通過統一設計平臺的二次開發和配置，修改構件尺寸驅動構件模具的自動設計，實現快速生成模具的三維設計及工程圖出圖。

（一）軟件平臺

基于機械行業廣泛采用的三維軟件SOLIDWORKS，統一設計平臺的配置和二次開發。

（二）統一PC 模具設計標準規范

數字化開發應用的前提是要有一套標準的PC 模具設計規范。分析同類型構件共性特征，整合模具設計形式，實現模具結構形式少類型、模塊化。并對不同模具設計方案、加工工藝、尺寸要求等進行統一。

（三）開發數字化模具庫

數字化模具庫包括PC 構件庫、模具模型庫、模具材質庫、焊接結構件庫以及工程圖模板庫，形成通用化、標準件庫。

1. PC 構件庫的開發

根據裝配式建筑構件類型，分析各類構件結構形式和構件出筋預埋特征，為整合、統一構件的三維創建模式提供依據，開發構件庫。基本涵蓋裝配式建筑常用類型構件。開發完成的構件庫添加到SOLIDWORKS 作為外部獨立數據庫。以便模具設計時隨時調用，如圖1 所示。

2.模具模型庫的開發

基于構件類型，分析各類構件結構形式和構件出筋預埋特征，開發通用性模具庫，主要包括構件模具庫模板、工裝預埋件庫、基礎邊模庫、門窗類模具庫。

試驗地位于西遼河平原內蒙古民族大學農牧業科技示范園區。試驗地區為典型的溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫6.4℃，極端最低溫-30.9℃，≥10℃積溫3 184℃，無霜期150 d，年均降水量399.1 mm，生長季(4～9月)降水量占全年的89%。土壤為風沙土，土壤有機質含量4.86 g/kg，速效鉀94.65 mg/kg，速效磷10.46 mg/kg，堿解氮11.15 mg/kg，pH為8.2。具有噴灌條件，干旱時灌水，各處理每次灌水時間相等。

模具庫模板包含裝配式建筑現有的常用構建類型的模具。采用“自上而下”“自下而上”相結合的方式，通過修改構件尺寸驅動模具尺寸的變化；標準化設計預埋工裝的外形結構，通過方程式驅動滿足不同設計要求；基礎邊摸庫是將常用類型構件的結構進行統計分析，實現最少類型，最大通用化。開發完成的模具庫添加到SOLIDWORKS 作為外部獨立數據庫，如圖2 所示。

3.開發模具材質庫和焊接結構件庫

機械設計涉及材料眾多，設計者思路及要求各不相同，導致模具制作過程中結構形式多樣、材料采購周期長、浪費性大、可替換性差等問題，也是造成模具設計制作成本高的因素之一。開發模具材料庫，實現模具設計的通用性、模塊化。

圖1 PC 構件庫及其創建流程圖

圖2 模具庫及其創建流程圖

4.開發工程圖模板庫

開發零件材質庫、結構件庫、注解庫、技術要求庫等數字化庫；自動關聯工程圖符號、工程圖模板、簽名等功能；自動更新生產相應工程圖的標注、圖號、BOM 等；實現了工程制圖的高度標準化，大幅度提高出圖效率，降低出錯率。

四、數字化PC 模具庫的應用

數字化的核心思想就是用數字化手段來處理具體目標，最大限度地利用資源，是以機械行業CAD/CAM 軟件為基礎作為建筑行業模具設計工具，支持設計師的高效工作。數字化模型的多變性及開放性，將不同的組合模式完成千變萬化的設計目標。

（一）PC 構件庫的應用

根據建筑設計院PC 構件圖紙，分析構件總體結構，創建常用構件庫，選擇合適數字化模具模板。

（二）數字化模具庫的應用

整體調用PC 構件成套模具，PC 構件創建完成后，其模具對應的關聯參數也自動完成了調整，接下來對模具各部套及零件進行細化完善修改。

1.“自下而上”創建方式應用

“自下而上”方式是指通過修改基礎邊模來適應構件的外形結構的模具設計方式。“自下而上”方式設計的模具構件類型主要是墻板類、陽臺和梁柱。

圖3 模具設計應用案例

應用過程是整體調用PC 構件成套模具后，修改PC 構件方程式總表完成構件建模；然后根據報錯提示單獨修改基礎邊摸即可完成主體設計；最后安裝工裝預埋件，批量完成標準件規格替換即完成模具三維設計。圖3（a）展示了T 型墻板模具設計應用案例。

2.“自上而下”創建方式應用

“自上而下”方式是指通過修改構件方程式總表內的參數驅動模具參數的自動調整，完整模具的基本創建。采用“自上而下”創建方式設計的模具構件典型類型是樓梯。

應用過程是整體調用PC 構件成套模具，“自上而下”的方式創建完成后，根據報錯局部修改即可完成主體設計；然后調用工裝預埋件，批量替換標準件；模具三維創建全部完成。圖3（b）展示了樓梯模具設計應用案例。

3.工程圖模板庫應用

數字化模具庫內整體調用的成套模具包括模具三維及其工程圖。模具三維創建完成后，所有零部件的工程圖也同時在后臺處理完成；僅需調用后局部檢查核對報錯信息，對其修改即可完成工程圖出圖；最后，根據需要導出所需格式的文件即完成了模具設計全部工作。

五、應用效果

通過數字化PC 模具庫的開發，實現了PC 構件和PC 模具快速化設計，并實現了設計風格、出圖形式、命名規則、同類型模具結構及其方案的統一，大幅提高了設計出圖效率、質量。

設計效率由原來平均5 天/套/人縮短至2.5 天/套/人，按每個工廠年模具設計套數200 套計算，每個工廠年節省500 天設計工時，年節省設計人工費用30 萬；10 個工廠計算，年節省設計人工費300 萬元；由于高度的標準化和程序的自動關聯性，可有效提升設計質量，降低設計錯誤；另外，通過設計平臺積累PC 模具設計知識，提高設計經驗的傳承性，保證項目團隊人員靈活調配及快速擴展。

數字化模具庫的開發不僅可以讓模具設計多元化，更可以實現功能統計，可以通過數字化技術細化、量化構件和模具結構，將所有細節展現出來，為研究發展綠色建筑提供數據支持。