基于可擴展組合式預制構件數字化生產線的生產基地建設

周 強

上海建工建材科技集團有限公司 上海 200086

近年來，隨著我國建筑工業化的加速推進，國家和地方陸續出臺大量文件，以推動裝配式建筑行業的發展。因此，預制構件市場需求不斷增加，預制構件企業也大量涌現，但在預制構件工廠規劃設計、生產線建設、廠區管理等方面，仍存在生產效率不高、自動化水平較低、資源浪費嚴重等現象[1]。

本文從基于老廠房改建的預制構件生產基地規劃布局、數字化生產線設計與建設、生產裝備的研發等方面進行介紹和分析，結合公司建立的裝配式建筑產業化基地進行相關技術的推廣應用，并從產能與能耗等方面對生產基地的建設效果進行了量化分析，以期為預制構件數字化生產線的建設提供參考。

1 基于老廠房改建的生產基地規劃布局

本節以公司下屬南通上建建筑構件產業基地為對象，針對基地由原鋼結構廠區改建成PC構件生產基地的規劃設計建設，詳細分析基于老廠房改建的PC構件生產基地規劃布局。

1.1 生產基地原廠區整體概況

該基地土地面積112畝（約74 666 m2），廠房由三跨組成，面積達24 561 m2。職工寢室面積約4 070 m2，堆場與道路面積約30 000 m2。廠區車間共有27 m跨度車間二跨，高18 m；中間36 m跨度車間一跨，高34 m；三跨連體車間長度均為270 m。廠區已有辦公室、餐飲宿舍樓等配套設施，廠區水、電、氣的供應可以滿足PC工廠的相關需求。

1.2 生產基地整體布局技術

根據預制構件廠區改建的功能性、經濟性、環保性等需求，在老廠區已有設施設備基礎上進行改造升級，在最大限度保留原有設施的情況下，通過改建，保證新廠區的生產和生活需要。

1.2.1 預制構件生產線選擇與配置

本文結合預制構件市場需求現狀，對廠區進行整體規劃布局，建設有3條固定模臺生產線和1條數字化生產線。

規劃建設3條固定模臺生產線，分別分布于外側兩跨車間內，生產線長度270 m，用于生產不適應自動流水線生產的異形構件及超大板類構件。固定模臺生產車間采用地臺模和固定式變頻振動臺模結合的方式進行生產，固定模臺生產線規劃制作24個3.7 m×9.0 m、72個3.7 m×8.0 m、10個3.7 m×12.0 m高效蒸養模臺。

規劃建設有1條可擴展組合式預制構件生產線，車間跨度27 m，長度270 m，廠房起吊高度9 m，生產線總長271 m，用于生產厚度在450 mm以內的標準化板類構件，共設44個4.0 m×9.0 m可振動流水線模臺，設計年產能30 000 m3。

1.2.2 輔助配套設施建設

根據預制構件生產實際需要，生產基地需增加混凝土實驗室、鍋爐房、鋼筋加工車間、構件堆場等輔助配套設施設備，滿足預制構件的高效生產需要（圖1）。

圖1 原廠區與新廠區總體規劃

2 可擴展組合式預制構件數字化生產線規劃布局

生產基地建設有1條公司自主研發的可擴展組合式預制構件數字化生產線（圖2）。本文結合基地建設實際效果，對可擴展組合式數字化生產線的規劃布局技術進行介紹與分析。

圖2 可擴展組合式數字化生產線布局與生產線實物

可擴展組合式預制構件數字化生產線的模臺和裝備，可根據車間規模靈活布置和增減，具有生產數字化程度高、產品適應性強、投資少等特點，可實現模臺雙向可擴展的高效布局和預制構件的高效生產。模臺原位生產與蒸養，使得生產線生產穩定性得到大幅提高[2]。

廠區原有鋼結構車間總面積4 536 m2，長189 m，跨度24 m。根據規劃，車間可布設3.7 m×9.0 m固定模臺30個，縱向2條生產線分3組布設，每組5個模臺，每條生產線布設15個模臺，2條線之間可通過橫向擺渡軌道運輸關鍵裝備完成連接。

可擴展組合式預制構件生產線模臺底部左右各布置有一內一外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軌道移動至指定模臺完成構件的振動密實工序；生產裝備沿模臺外側軌道移動，完成構件生產各道工序。數字化生產車間設有參觀通道、辦公區、物料堆放區、成品構件運輸區、裝備維修區等，車間一端設有混凝土布料機、混凝土料罐清洗區。生產線可按產能需求逐條投入生產設備，模臺布局靈活、適應性強，設備可靈活優化組合。

3 多功能可移動裝備的研發與配置

本節在公司自主研發的可擴展組合式預制構件數字化生產線建設應用的基礎上，詳細介紹數字化生產線相關設備的國產化研發與功能應用等。可擴展組合式預制構件數字化生產線的主要特點是，多功能可移動的關鍵裝備可在生產線間根據需要移動到相應位置，以滿足生產線模臺原位生產的需要。

主要設備包括邊模及鋼筋運輸安裝一體化設備、振搗側翻一體設備、混凝土布料設備、清洗噴涂畫線一體化設備、覆蓋油布設備、可振動側翻熱模臺等。

相關設備在數字化生產線中配置后，得到很好的應用，提高了生產線自動化生產水平與生產效率。各設備功能與應用如下：

1）移動式模臺前處理一體化設備。設備可將模臺和模具的清潔、脫模劑噴涂及畫線定位等功能集合于一臺裝備中，完成多項工序的高效生產。

2）移動式振搗側翻一體化設備。預制構件完成混凝土澆筑與脫模起吊時，該設備可自行移動至目標模臺，鎖緊并頂起模臺后，帶動模臺、模具和混凝土等整體振動或側翻，完成混凝土振動密實或構件脫模等工序，大幅提高構件振搗與脫模效率。

3）可振動側翻熱模臺。該設備采用集構件制作和養護于一體的高效熱模臺原位養護技術，采取構件高效熱模臺與蒸汽養護罩或養護油布的混凝土加速養護裝置組合，實現構件的干熱養護、濕熱養護、干濕熱養護一體等養護工藝，具有升溫速度快、蓄熱能力好、能源消耗少、生產效率與空間利用率高等優點。

4）數字化混凝土布料系統。采用魚雷罐與移動式混凝土布料機等自動化運、布料設備，實現混凝土攪拌、運輸、布料的全自動過程，大幅提高了預制構件混凝土澆筑效率。

5）可移動油布覆蓋設備。油布覆蓋裝備是基于一種模臺固定、設備移動的雙向可擴展PC構件智能化生產線。模臺固定要求進行原位養護，該裝備可一次性覆蓋多個模臺，方便高效，減少人工操作，解決了在固定模臺上生產的預制構件養護油布自動覆蓋卷起問題。

6）邊模及鋼筋運輸安裝一體化設備。設備可沿行駛軌道移動，在生產線上方運行，通過回轉式吊車將邊模、鋼筋、作業器械以及消耗材料等放置在更換用托盤上，自行移動至生產模臺，解決了生產車間雜亂和行車吊運部件存在風險等問題。

7）裝備擺渡設備。該設備可實現多條生產線上的設備在不同運行軌道間的橫向擺渡，滿足不同生產線生產工序的設備需求。

4 預制構件數字化生產管理技術

4.1 數字化生產工藝

可擴展組合式預制構件數字化生產線主要采用構件原位并行生產、設備移動作業方式完成PC構件各工序施工，主要設備包括振動側翻一體化設備、運/布料機、移動覆膜機、中央擺渡車等移動式生產線設備，設備沿模臺兩側軌道移動，根據構件生產工藝移動至對應模臺位置進行工序施工。具體施工流程如圖3所示。

圖3 可擴展長線臺座法生產線主要設備與工序流程

采用自動化運料設備將混凝土從攪拌站運送至布料機位置；采用移動式布料機，移動至對應模臺位置進行混凝土澆筑；采用移動式可振動側翻設備，完成模臺構件振動作業；向可振動側翻熱模臺空腔內通入蒸汽加熱模臺，并利用移動式覆膜機在構件澆筑完成后進行覆膜作業；利用鋼筋及邊模運輸一體化設備進行鋼筋邊模運輸，減少人工搬運或者行車搬運作業，提高作業效率和安全性。

4.2 數字化生產管理

4.2.1 數字化管理平臺

建立預制構件廠內生產管理系統，實現預制構件生產實時管理，包括構件混凝土澆筑、模具拼裝、構件運輸等狀態的實時更新，提高預制構件生產與管理效率，打通構件設計、生產、物流、施工等多個階段信息流，提高預制構件產業效率。

4.2.2 數字化虛擬優化布模

圖紙翻樣完成后可集中導入生產系統，通過導入系統數據信息檢查翻樣是否出現差錯，導入完成后開始布模。考慮模臺最大利用率原則，充分利用模臺構件之間的距離合理布置構件位置，系統可選擇人工或自動化布模。生產系統按照導入圖紙進行自動排模后，由技術人員檢查模臺是否最大化利用，可互相調整模臺構件位置、方向等。

4.2.3 數字化堆場管理系統

生產基地堆場面積較大，構件形式多樣化，為便于構件運輸出廠時查詢，采用數字化管理系統對堆場進行管理。系統對堆場進行庫位劃分，根據構件類別對堆場進行管理，不同類別的預制構件堆放位置不一樣，以便于統一管理，可查詢每個堆場里有多少個庫位，以及每個庫位上是否有構件。構件從車間運往堆場時，采用數字化標簽方式對構件信息進行錄入，以方便對構件編號、庫位編號、項目編號、狀態、入庫單號以及出庫單號等進行查詢（圖4）。

圖4 虛擬布模工藝與數字化堆場管理系統

5 預制構件生產基地建設效果分析

5.1 產能與勞動生產率計算與分析

針對預制構件產能，可從理論上進行數據的初步估算。先計算出生產線模臺總面積，再根據構件市場實際情況估算出生產線上各類構件數量比例，并估算各類構件生產時在模臺上的面積利用率，從而計算出生產線各類構件產能。對比不同生產線的生產效率是分析生產線建設效果的重要指標。生產線勞動生產率是在計算出生產線總的產能后，通過分析生產線人員配置情況，計算出每人每天的混凝土產量，以此指標評估生產線建設效果。

南通上建建筑構件產業基地，固定模臺生產線可生產各類常規和異形構件，如陽臺、樓梯、飄窗、梁柱、空調板、夾芯墻板、疊合板等，3條生產線共設模臺106個。固定模臺生產車間生產各類構件年產能約76 000 m3。對于可擴展組合式預制構件生產線，當生產線按7∶2∶1比例生產預制疊合板、墻板、梁柱等構件時，單班預制構件年產能達29 000 m3，兩班預制構件年產能可達58 000 m3，勞動生產率可達2.36 m3/（人·d）；當生產線全部生產預制疊合板構件時，單班預制構件年產能約達16 000 m3，兩班預制構件年產能可達32 000 m3，勞動生產率可達1.26 m3/（人·d）。

5.2 能耗分析

建筑構件產業化基地外購能源由電力、天然氣組成。公司1#生產線2019年3月蒸養工藝能耗為18 591.60 kg標準煤，其他工藝能耗為1 821.43 kg標準煤，產量為1 765.412 m3；2#生產線2019年3月蒸養工藝能耗為16 193.47 kg標準煤，其他工藝能耗為1 225.81 kg標準煤，產量為1 537.692 m3。建筑構件產業化基地生產車間單位產品綜合能耗如表1所示。

表1 生產車間單位產品綜合能耗

根據表1和標準規定值要求，南通上建構件公司預制構件生產蒸養工藝及其他工藝環節的單位產品能耗均低于標準規定的指標值，其中：生產車間蒸養工藝能耗約為現有裝配式建筑混凝土預制構件生產企業單位產品綜合能耗指標值的16.4%，其他工藝能耗約為現有裝配式建筑混凝土預制構件生產企業單位產品綜合能耗指標值的26.8%；南通上建構件公司預制構件生產蒸養工藝能耗約為裝配式建筑混凝土預制構件生產企業單位產品綜合能耗指標先進指標值的32.0%，其他工藝能耗約為先進指標值的62.8%。

6 結語

本文通過對裝配式建筑預制構件生產基地規劃布局技術、數字化生產線布局技術、生產工藝技術等進行研究和分析后，量化分析生產基地實際產能和能耗等建設效果，證明可擴展組合式預制構件數字化生產線的產能和勞動生產率相較于傳統固定模臺和其他數字化生產線大幅提高，生產基地綜合能耗減少50%以上，相關技術的研究與應用取得了良好的社會和經濟效益。