基于智能工廠理念的廠房建筑設計探索

劉文靜 陳小麟

摘? 要：本文基于智能工廠的設計理念，探析了當前智能廠房建筑設計存在的主要問題，并結合具體案例，提出了工業廠房的建筑設計架構：BIM數字信息模型，以期為未來智能工廠廠房建設提供借鑒。

關鍵詞：智能工廠;工業廠房;建筑設計

中圖分類號：TP278? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）12-0000-00

0 引言

當前針對大數據、人工智能、5G技術和物聯網等新一輪科技革命的浪潮，德國政府提出了工業4.0計劃，中國政府也發布了中國制造2025戰略。智能工廠是基于工業4.0概念而提出的，其目的是旨在提升制造業的智能化水平，同時也指明了制造工業的未來發展方向，即數據化、智能化。工業和信息化部、國家標準化管理委員會于2018年印發的《國家智能制造體系標準》中，明確了智能工廠的建設標準，其包括智能工廠設計、智能工廠建造與交付、智能生產、管理與物流、集成優化等組成部分[1]。從個體企業規劃到國家宏觀政策的頂層設計，都在強調智能制造是時代的內在需求。鑒于此，制造工業的基礎設施的智能化建設和發展，有必要進行深入探討。

1 制造工業廠房設計的問題及其發展方向

相關統計表明，當前大部分傳統制造業在工業基礎設施設備上已經實現了由傳統的人工作業向機械化生產的轉變，比如大部分企業引入了叉車、吊車等機械化、自動化和部分信息化設備。但是只有在一些大型和新興高科技企業中，智能倉儲系統、智能分揀系統和處理系統才得到深度應用。目前，很大一部分制造企業在現有工廠建筑過程中，采用傳統落后的廠房建筑設計標準。隨著大數據、人工智能、5G技術和物聯網等技術的日益滲透和普及，智能工廠是未來制造業發展的必然趨勢。但建設智能工廠要出于企業自身生產的需要，也需結合產品生產工序特點。值得注意的是，智能工廠目前并沒有一個明確的統一標準，為了更加明確探討智能工廠的問題，我們綜合現有理論和實踐成果，提出了一種智能工廠的基本架構圖，如圖1所示。

2 智能工廠建設的技術路線

智能工廠的基礎是數字化工廠，即實現所有工廠信息的自動采集。智能工廠的信息化系統建設，是從數字化建模開始的，等到廠房建造完成、生產設備和產線的安裝完成后，實現設備的聯網和信息化平臺部署與調試，在實際運營中再不斷的優化，從而達到最優效果。其中數字化建模是智能工廠建設的基礎，從原料到產品是企業生產的核心，智能工廠的數字化建模就是將生產的全過程虛擬化。比如，在實際的電池工廠項目中可以應用仿真技術、虛擬現實技術將生產全過程都納入虛擬生產活動場景中，并利用實驗驗證技術等，對電池生產的所有工序工段進行進一步分析與優化。

數字化建模主要包含三部分：三維工廠建模、智能設備模型、工藝仿真[2]。在三維工廠建模中，我們所使用的數字化BIM技術，全稱為建筑信息模型，其在建筑領域是一種新興工具。BIM技術的價值在于信息的解構、結合與高效利用[3]，BIM技術可實現可視化、增強文檔、沖突、干擾和碰撞檢測、建筑物性能和結構分析、代碼審查、施工順序、預制和自動組裝、成本估算和設施管理等功能。在實際應用中，BIM技術能創建智能化廠房的數字信息，用于采集有關設備設施的資訊，從而形成可靠的決策基礎。比如在電池工廠實際項目中，BIM技術可以將建筑圖紙可視化，并在設計過程中檢查并提示出水電暖各專業間管道及設備的沖突和干擾，再進一步，可以分析建筑采光、保溫性能，給出建筑節能與綠色建筑設計參數，在施工階段，也能在現場管理上提供指導。

3 新能源智能網聯科技園鋰電池及其配套工程項目案例分析

（1）項目概況：本項目建設地處長沙市高新區，項目規劃有效用地面積283622.70㎡。鋰電池生產區建設內容主要包括：新建中小模組和PACK廠房、模組成品庫、維修間及售后服務、食堂、地下車庫、電池包成品庫、垃圾分類站、電芯立體庫、公用站房、電芯生產聯合廠房、固廢間、廢電芯處理＼電解液倉庫、變電站等。電芯生產聯合廠房位于園區南側，共4層，建筑高度23.7m，為鋼筋混凝土框架結構。生產危險性類別為丙類2項，廠房建筑耐火等級為一級;設計使用年限為50年，抗震設防烈度六度，屋面防水等級為一級。廠房長264m，寬147m，建筑面積為122961.1㎡。

（2）智能化工藝流程分析和建筑設計對策。本次設計新建的電芯生產聯合廠房遵循統一規劃的原則。車間主要承擔對生產綱領中80億動力鋰電池正負極配料、涂布、輥壓、烘烤、疊片、注液、化成、分容、靜置、分檔的整套生產工序。根據電池車間的工藝要求，對廠房內的生產區域進行合理規劃布局，綜合考慮其整體功能，力求物流和工藝流程順暢合理，便于生產組織，使車間面積得到合理利用。基于此，首層由南向北布置原材料立體倉庫→勻漿→涂布→輥壓、分切→裝配工段（采用全自動疊片和焊接）→二層布置接觸式烘箱、注液、化成→三層布置抽真空分容、靜置、OCV 測試及分檔→電芯立體庫房。

電芯生產聯合廠房采用自動化的生產工藝，最大限度地減少中間物流周轉，縮短工件的制造周期，提高產品質量和生產效率。工藝設備的選擇考慮與生產綱領相匹配，關鍵設備采用國際先進裝備。廠房工藝布置按整體物流和生產工序聯系的緊密性進行布置，對相近工序相對集中布置，盡可能減少物料的周轉搬運。并依據廠房生產工藝路線，采用AGV小車轉運配送。

智能化建筑設計對策：通過BIM技術設計，電池廠房可在三維數字化工廠的基礎上，將廠房運營期間的數據進行集成，將工廠全生命周期管理數據在三維場景上進行不同維度的展示，實現工廠生產工藝、設備運營管理、智慧園區建設的全方位數字化和可視化建設。在工業廠房建設過程中，常有許多專業管線碰撞情況，且設備安裝復雜，我們可以通過采用BIM技術改善廠房建設過程，還可以探索其決策的替代方法。BIM技術也可以幫助提升建筑室內環境，改善企業員工工作狀態。比如在廠房設計初期對廠房輔助辦公區域進行建筑采光分析，能達到優化工作環境的目的。而對高溫設備區域工位通風環境檢測，也能適當的提升工人的舒適感。電池廠房許多工段都有潔凈需求，BIM技術也可幫助實現不同等級的潔凈度。這些通常都需要我們在設計方案之初做出判斷。另外我們可以使用BIM技術對建筑能耗進行評估，以識別關鍵變量并優化設計參數。通過BIM建模，電池廠房也能實現生產場景的數字化建設。車間大型生產設備比如涂布機、廠房的整體建筑結構、各專業管線、設備及儀表等，都可以充分展示在該數字模型中。通過數據集成，首先三維場景結合廠房內監測數據可以形成一個良好的展示，既可以實現企業管理的監察，也可以適當展示給客戶，并在后續生產計劃制定和修改中，做到實時更新和即時反饋，對于企業生產效率的提升有很大幫助。

4 結語

總之，以智能化帶動產業的改造升級，在很大程度上能提升企業的市場競爭力。智能工廠為企業提供了更為專業化、信息化、網絡化和智能化的生產平臺，實現了資源共享，有效節約了資源，降低成本，提升效率，促進了企業快速可持續發展和跨越式發展。

參考文獻

[1] 工業和信息化部.國家智能制造標準體系建設指南（2018年版）（續一）[J].機械工業標準化與質量，2019（1）：7-14.

[2] 李云生，簡金權，龍罡，等.大中型電機智能工廠建設研究[J].中國設備工程，2020（20）：18-20.

[3] 曾旭東，周鑫，張磊.BIM技術在建筑設計階段的正向設計應用探索[J].西部人居環境學刊，2019（6）：119-126.

收稿日期：2020-11-03

作者簡介：劉文靜（1987—），女，湖南長沙人，碩士研究生，工程師，研究方向：建筑設計及其理論研究。