建筑智能制造在裝配式建筑中的應用分析

□劉 覓

一、建筑智能制造概述

(一)建筑智能制造涵義。建筑智能制造是在人工智能基礎上融入多項信息技術與“互聯網+”等理念而演變形成，本質上屬于人機一體化智能系統，在裝配式工程建設期間，智能制造系統將采取高度柔性和集成的控制方式，模擬人類思維方式來執行數據分析、判斷推理、決策制定等操作，替代人工完成多數基礎性任務和一部分較為復雜的工作任務，從而起到提高工程建設質量、輔助設計、縮短工期、降低工程造價成本等多重作用。此外，也可將建筑智能制造視作為一種全新的工程建造方式，由系統自動完成建筑設計、預制構件加工、控制管理等建造活動，旨在幫助建筑企業更好地適應高度變化的工程環境，突出理論知識在工程建設活動中的價值地位。

(二)建筑智能制造在裝配式建筑中的應用意義。近年來，隨著市場需求的變化，以及政府部門陸續出臺相關扶持政策，裝配式建筑得到蓬勃發展，在建筑業中的占比呈現逐年穩步提升的發展態勢，工程建造質量、管理水平與綜合效益均得到明顯提升。但與此同時，在裝配式建筑發展期間逐漸暴露出多項問題，包括PC構件生產系統自動化程度不足、可用BIM設計軟件產品數量較少、缺乏有效施工現場實時監管措施、設計與施工等工程建造階段銜接性差、尚未在真正意義上實現協同化設計目標等具體問題。

建筑智能制造系統的應用推廣，可以徹底解決或有效緩解上述提及的問題，推動裝配式建筑現行建造體系的現代化發展，確保裝配式建筑的優勢得以充分發揮。例如，依托建筑智能制造系統來建立PC智能工廠，在智能化生產系統中同時采取多規格自動供料、自動焊接、柔性布料等自動化技術手段，工作人員僅需提前在系統程序中輸入控制方案，對生產活動進行實時觀測與控制，系統即可在無人工干預條件下，自動完成供料、焊接等操作任務，并對預制構件的加工精度和質量提供保障，徹底解決傳統建造方式中面臨的PC構件生產效率低下、易造成材料浪費、構件尺寸加工精度差等實際問題。

(三)建筑智能制造的綜合特征。根據現代裝配式工程建造情況和智能制造系統應用情況來看，建筑智能制造系統有著自律性、人機一體化、自學習維護、自組織超柔性的綜合特征，這也是智能制造方式和傳統制造方式的區別所在。其中，自律性特征是，系統與所安裝設備均具備數據信息分析判斷、規劃自身行為的使用功能，可以根據外部環境情況與實際面臨的問題進行決策分析，以及開展智能機器間的協調運作。人機一體化特征是，將人與人工智能系統加以完美結合，由二者共同形成一種全新形態的“混合智能”，在面對較為復雜的問題時，由優秀人才來樹立正確思路和承擔判斷、決策等任務，人工智能系統則起到輔助作用，使二者保持相互協作、相互理解狀態。自學習維護特征是，建筑智能制造系統在運行期間，基于程序運行準則，將會自動收集整理相關的專業理論知識和同類項目案例報告，從中篩選出高價值信息導入知識庫中，隨著知識庫的豐富，系統的智能化水平將會持續提高，更好地應對突發狀況和復雜問題，如提高故障診斷質量。而自組織超柔性特征是，智能制造系統在處理不同類型與復雜程度的問題時，為充分調動系統資源，將會基于判斷結果來自行組成一種超柔性的最佳結構形式，更好地完成任務。

二、建筑智能制造在裝配式建筑中的應用策略

(一)發展數字設計。針對裝配式建筑在設計階段面臨的可選軟件產品數量單一、軟件功能不完善、智能化程度不足、各專業協同設計效果不佳等實際問題，建筑企業需要依托建筑智能制造系統來大力發展數字設計體系，推出使用功能完善、具備較高智能化程度的深化設計軟件，輔助設計師完成裝配式建筑結構平面布局規劃、場地布置、PC構件設計、多專業設計方案整合、3D可視化圖紙生成等復雜的設計任務。同時，需要在深化設計軟件中開發三維信息模型創建、構件配筋率和整體計算分析、裝配式指標統計、構件加工數據導出等使用功能。如此，將大幅提高裝配式建筑工程的設計質量及效率，如在模型創建環節起到簡化重復翻模步驟與縮短設計周期的作用，在方案設計環節起到方案拆分整合、自動計算、方案合規性自動審查的作用，在深化設計環節起到碰撞檢查、深化調整、工況驗算等作用，在成果輸出環節起到快速出圖、生成可視化三維圖紙、獲取和提供BOM清單及JSON數據的作用。

在數字設計場景中，對建筑智能制造系統的應用，主要體現為BIM技術的應用推廣，此項技術廣泛應用于裝配式建筑的策劃立項、方案設計、現場施工等階段，做到了對數據設計與生產流程的打通。例如，在某裝配式建筑工程中，通過BIM軟件將設計系統與智能工廠的PC生產設備保持對接狀態，設計師可以直接在BIM軟件中將PC構件設計方案及加工數據發送至PC構件生產設備，由設計數據驅動智能工廠開展構件加工生產活動。

(二)建立PC智能工廠。在早期建設的裝配式建筑工程中，由于預制構件生產系統采取人工操作方式，雖然通過配置新型自動化設備實現了對生產效率和加工精度的提升，但在PC構件設計與工廠生產加工階段，偶爾出現方案圖紙認知偏差、溝通不及時、錯誤操作等問題，加之工廠人數較多，導致PC構件的生產加工成本較為高昂，構件良品率有待進一步提升，進而影響到工程建設質量、造價成本、工期進度等多個方面。

在這一工程背景下，需要依托建筑智能建造系統來建立現代化的PC智能工廠，使用SPCI等工業軟件，在智能工程管理體系中建立裝備管理系統、生產管理系統等具有高度智能化程度的系統程序，系統采取開環控制或是閉環控制系統，直接控制生產設備完成PC構件的生產加工任務，如自動執行機械化噴涂、機器人焊接等操作。具體來講，則是對PC工廠的傳統勞動力密集型生產工藝進行數字化改造，在車間現場配置大量的建筑機器人、信息傳感裝置等智能設備，系統在生產期間持續采集現場監測信號，根據PC構件生產加工情況和設計單位發送的構件加工數據，基于系統運行準則自動下達相應控制指令，或是執行操作人員實時下達指令和預先設定的控制方案，實現對PC構件生產加工過程的有效把控。與此同時，智能制造系統還具備構件生產預測、故障自診斷、在線運輸交付等使用功能，以自動化方式完成物料運輸、故障診斷檢修、PC構件運輸交付等任務。

例如，中建三局依托建筑智能制造系統，在武漢市綠色建筑產業園中建立了一座智能PC構件廠，在鋼筋加工車間內同時建立了自動供料系統、柔性布料系統和全坐標焊接系統，用于自動生產柔性鋼筋焊網線。其中，自動供料系統負責控制矯直切斷、鋼筋放線以及規格轉換機構，可同時完成不同類型、規格尺寸鋼筋材料的供料任務，以及開展直線度穩定試驗，有效解決了盤螺鋼筋直線度不穩的技術問題。柔性布料系統負責同時控制橫縱筋布料機構，系統檢測筋條長度，將其進行分解處理后傳入側料倉，通過配置階梯式多級推送裝置，在各上料工位上推送對應尺寸筋條。而全坐標焊接系統負責采取PWM脈寬調制技術，由現場配置的信息傳感裝置對鋼筋網片的規格長度、焊接點位置等參數進行測量分析，在分析結果基礎上自動調整壓接力、電流值、電壓值等工藝參數，連續開展不同規格惠存的開口網片焊接作業。根據實際生產情況來看，該PC構件廠在數字化、智能化改造后，鋼筋成材率提高2%、鋼筋直線度始終維持在0.5～1.7mm/m區間范圍內、鋼筋網片橫縱筋間距誤差縮小至±3mm范圍內、鋼筋布料速度與焊機效率分別提升至30次/min和500個焊點/min，切實滿足GB/T1499.3標準要求，每年節省數十萬噸鋼材。

(三)打造智慧工地。裝配式建筑工程有著現場環境復雜，涉及諸多專業、人員設備往來頻繁的特征，如果實施傳統的粗放型現場管理模式，并無法切實滿足工程建設要求與管理需求，會出現現場管控力度薄弱、形成質量安全隱患、污染周邊生態環境、施工資源利用率低下等一系列問題。例如，因施工操作行為缺乏有效監管，出現不規范操作行為，產生飄塵與落塵，在風力作用下吹向工程現場下風口，最終造成大氣環境污染。因此，為實現安全生產、文明施工目標，高效處理工程建設期間持續產生的現場數據與繁雜現場管理任務，需要應用智能制造系統來打造智慧工地，通過開發設計軟件系統和配置硬件設施，在現場施工期間持續采集人、機、料等要素現場監測信號，在數據分析運算結果基礎上制定合理的決策方案，實現對全部施工要素的有效把控，及時發現和消除變形因素及質量安全隱患，確保施工組織計劃、施工技術方案得以有效執行。

在智慧工地中，建筑智能制造系統的應用場景包括進度控制、在線管理、現場遠程管理。一是進度控制。系統既可以根據人機等施工資源配置情況、工藝技術要求等因素來模擬施工過程，準確設定各項工序的持續作業時間，將其作為項目進度偏離程度的評定標準，也可以在施工期間持續采集現場信息，實時處理施工班組上傳的現場報告，以此來掌握項目實際進度，在實際進度和預期進度產生較大偏離時，向管理人員提供決策建議，如重新安排工序流程和提供人機數量增加方案。二是在線管理。系統實時統計人員出入場信息、現場各類機械設備的型號及數量、施工材料進場量與庫存量、機具設備運行工況與作業效率等信息，管理人員預先在系統中設定各類信息參數的額定值，自動對比分析實時統計值與額定值，在檢測到統計值超限問題時自動發送報警信號、執行應急處置預案，如發送機具設備故障預警信號和現場揚塵污染預警信號。三是現場遠程管理。在現場配置傳感器、攝像頭、探頭等裝置，持續采集現場監測信號與拍攝視頻圖像資料，管理人員可以直接觀察現場施工情況，糾正不規范操作行為，及時發現安全質量隱患問題。同時，還可以應用特征提取技術，從視頻圖像中提取特定的特征信息，如自動檢測現場人員是否按規定穿戴安全帽、安全帶、防護服等安全防護設備。

三、結語

綜上所述，為加快裝配式建筑與配套產業鏈的轉型升級步伐，使裝配式建筑及早邁入全新發展階段，建筑企業必須認識到建筑智能制造在工程建設期間的應用價值，理解智能制造的涵義概念與綜合特征，落實上述應用措施，在數字設計、PC智能工廠、智慧工地等場景中做到對建筑智能制造系統的落地應用。