裝配式建筑智能制造和智能建造的創新需求

覃春躍

（南寧學院）

1 引言

隨著科學技術的不斷進步以及生產建造理念的持續更新，傳統的產品生產模式已經不能滿足社會發展需求，在大力發展裝配式建筑的時代背景下，根據項目特點和實際需求，加快智能化、自動化設備研發運用，提高全生命周期信息流通共享水平，改善裝配式建筑實施管理效果，力求盡快實現建筑行業現代化、工業化轉型升級。

2 裝配式建筑智能制造創新需求分析

2.1 構件制造工藝

裝配式建筑是將主要建筑構件在工廠生產、運輸到現場安裝實現的，因此，大批量的產品需要通過制造生產線完成，這些混凝土構件的生產工藝流程包括安裝模板、綁扎鋼筋、澆筑混凝土、振搗、養護、拆除模板、起吊入庫、組織運輸等，必須嚴格按照標準程序執行，保證預制構件制造質量符合規范要求。

2.2 智能制造問題

裝配式建筑預制構件制造是根據設計方案進行的，如果設計階段沒有充分考慮制造和裝配需求，那么經常會出現設計與制造、施工相沖突的問題，需要進行變更、返工，導致資源浪費、成本增加。在產品制造階段，雖然主要生產設備已經基本實現國產化，但是仍然存在許多問題：裝備可靠性差、精益生產能力不高、標準化程度比較低、主要生產設備之間的聯動性較差、設備功能與工藝流程配合效果不佳。許多制造車間采用的生產設備信息化和自動化水平低，需要依靠人工操控，容易出現參數混淆、工序錯亂等問題。在相關參與單位交流溝通方面，由于信息感知和集成能力較差，因信息反饋延遲導致的生產資源浪費比較常見。在運輸階段，信息共享困難，由于裝配式建筑預制構件種類和數量比較多，依靠傳統管理方法容易出現信息錯誤、查找困難、構件丟失等問題，影響了運輸管理效率，制約了后續施工作業效率。以上這些都是智能制造面對的核心問題，需要加強技術創新，提高信息化、智能化水平[1]。

2.3 創新需求分析

2.3.1 提高智能設計水平

為了提高裝配式建筑預制構件制造水平，必須從深化設計過程著手，盡可能從根源上避免問題的出現。根據項目特點和業主需求，采用面向功能和性能的建筑產品設計方法，構建BIM設計模型，經過碰撞檢測和受力分析后，導出面向制造和施工的數字模型及參數，利用物聯網、傳感器、RFID等技術，通過設計參數與生產信息的比對，保證預制構件制造過程的質量控制效果，在物聯網環境下實現制造過程與設計過程的信息交互，防止上下游銜接不暢。

2.3.2 智能生產調度系統

預制構件制造是裝配式建筑建設的重要環節，須與施工過程緊密銜接，通過構建智能生產調度系統，能夠實現精益生產目標。建立預制構件生產過程模型，利用傳感器、RFID等技術，全面記錄構件生產過程信息，包括每道工序信息、質量檢測信息等，同時將生產過程信息、車間庫存信息、施工現場信息等集成到生產調度系統中，有效促進生產、施工協同，在智能算法、精益生產理論的支持下，實現智能生產調度決策，減少生產和倉儲過程中的資源浪費。

2.3.3 智能制造設備運用

提高預制構件制造生產線自動化水平，加強智能制造機械設備的研發運用。工業機器人在產品智能制造中發揮著越來越重要的作用，使用擺模機器人及配套模具，能夠有效控制擺模精度，通過友好、開放、兼容的人機操作界面，可以自動化完成預制構件生產線模具的放置、固定、拆卸、回收工作，經應用實踐，擺模精度能夠控制在±2mm之內。

研究鋼筋籠和模具一體化智能組裝設備，智能識別、搬運、組裝模具和鋼筋籠，存儲和標記相關信息，有效解決組裝工藝環節復雜、搬運過程混亂、安裝精度不高等問題，而且有利于構件的信息化建檔。

研制鋼筋籠自動綁扎及智能焊接設備，根據設計規范自動進行鋼筋連接，提高鋼筋網片規格尺寸的精確度，自動按照設計尺寸預留預埋，精度可以控制在±10mm范圍內，而且通過通信接口和互聯網可以遠程進行技術診斷和故障排除。

研制預制構件生產混凝土智能布料設備，自動控制布料機啟停及運行參數，控制布料速度，實現混凝土澆筑的精準把握，而且下料均勻，振動高效，噪音較小，能夠自動清理剩余物料。

2.3.4 完善智能制造系統

智能制造系統是實現全自動流水作業的基礎保證，主要由智能制造、智能管理、智能分析等部分組成。智能制造子系統是由智能裝備組成的，并且由物聯網將各種智能生產裝備連接起來，完成預制構件生產過程，數據采集與監控系統負責收集信息數據，并與生產管理子系統通信。生產管理子系統能實現對生產現場產品狀態、制造進度、資源計劃等方面的智能管控，通過網絡與智能分析子系統傳輸信息。智能分析子系統主要由數據采集、處理、集成、分析、可視化設計等模塊組成，主要負責產品制造周期中的數據分析與優化設計，能夠實時控制產品設計、生產過程，達到智能優化制造的目的。

利用智能制造系統，充分發揮云端服務優勢，從產品類型和生產需求出發，分析優化工藝流程，科學配置生產資源，實現智能生產線的自動建立與運行。智能制造系統的核心要素有智能決策處理系統、智能生產設備、物聯網絡、分布式控制等，這些裝備和技術是實現資源開發利用、實時信息處理、質量跟蹤控制的基礎支撐，作為智能單元個體，智能設備和功能系統能夠實現局部環節的智能處理，在其他系統的輔助下，可以創建人機互聯的智能化生產環境，促進智能單元個體向整體智能系統轉換升級。

2.3.5 提高智能運輸水平

研究預制構件專用運輸設備，以往的預制構件運輸需要吊裝設備輔助，而且在運輸過程中容易出現超限問題，如果路況不佳，可能會因顛簸造成損壞。運用帶托盤的預制構件專用運輸車輛，無須吊裝便可以自裝卸，在復雜工況和不同荷載要求下，能夠滿足減震需求，智能托盤進行離地高度調整，減少超限和顛簸破壞問題，同時配備防爆保護裝置，能夠有效避免托盤墜地。在此基礎上，提高運輸過程信息化水平，通過配備GPS定位系統、無線通信系統、RFID、傳感器，在電子運單傳送到運輸調度管理系統后，可以智能匹配相關信息，自動制定最佳運輸方案，減少資源和能源浪費，在運輸時，可以實時查閱預制構件運輸情況，精準計算預計到達時間，方便施工現場合理安排場地、人員、機械設備，根據時間節點做好卸貨準備。

3 裝配式建筑智能建造創新需求分析

3.1 裝配施工流程

預制構件在工廠制造完成后組織運輸到現場安裝施工，通過預留的插筋、孔等進行組合和連接，組裝成滿足設計要求的整體，主要工藝流程包括定位放線、構件吊裝、套筒連接、套筒灌漿、支撐固定、疊合層澆筑等，裝配式建筑建造過程對作業精度提出了更高要求，作業內容發生了改變，需要從具體工藝環節出發進行智能建造問題分析和創新研究。

3.2 智能建造問題

狹義上的智能建造主要指在建筑施工階段，利用大數據、云計算、BIM、物聯網、移動通信等技術，創建智慧化建設環境，統籌分配建筑資源，使建設過程更加智能高效。現階段，我國的裝配式建筑智能建造水平比較低，存在許多問題需要解決，比如，吊裝機械設備自動化程度低、精度差，實施過程存在一定的質量和安全隱患；節點連接方式依然以灌漿套筒連接為主，灌漿施工主要依靠人工完成；臨時支撐精度不高、調整困難等，容易出現資源浪費現象[2]。

3.3 創新需求分析

3.3.1 智能吊裝創新需求

預制構件的吊裝施工具有較大難度，需要依靠大型機械設備，而且吊裝精度把控困難。利用GPS、傳感器、RFID等技術，將現場施工要素轉化為智能施工對象，能夠被感知特性，實時采集信息并傳輸到施工現場資源要素管理系統，通過智能運算合理調度施工資源，將構件制造信息、吊裝施工方案、質量檢測信息等傳送到工程質量檢測系統，將施工現場安全監管信息傳送到工程安全預警系統，使整個現場吊裝過程處于可視化監管狀態。研制智能化吊裝設備，開發智能操控系統，提高吊裝設備的智能性和操控的便利性，運用具有PLC編程控制器的智能吊裝機械，能夠自動進行運行狀態參數監控和故障診斷，保證預制構件吊裝的速度和精度。

3.3.2 智能安裝創新需求

預制構件吊裝到作業面后，需要進行位置調整和支撐固定，研制高精度自適應斜撐系統，自動測量墻體角度數據，并根據結果自動調整斜撐系統，這樣可以有效提高安裝精度、減少調整時間。同時，研制智能化灌漿設備，集上料、制漿、注漿等工藝流程于一體，實現自動設計、自動計量、自動配漿、自動注漿、自動清洗，提高注漿施工效果，減少對人工作業的依賴。研制自動鋪地設備，根據瓷磚規格、鋪裝范圍等數據，自動進行計算設計、規劃調整，完成砂漿涂抹、瓷磚搬運、切割加工等作業，減少建筑材料浪費。研發建筑3D打印設備，解決軟硬件兼容問題，設計合適的材料輸送系統和打印噴頭形式，研發具有優良性能的新型打印材料，解決裝配式建筑智能建造的核心問題。

3.3.3 智能管理創新需求

在資源管理方面，除了對預制構件狀態的跟蹤管理，還應該對機械、人員及其他物料等資源要素加強管理，向現場管理人員和施工人員發放GPS定位器，實時采集人員信息，在其他管理系統的輔助下，能夠可視化顯示人員位置、狀態，自動分析人力資源配置情況，作出針對性優化調整，對施工機械設備統一編碼，綁定定位芯片，實時監控位置和運行狀態，防止出現機械資源浪費或供給不足的問題。

在進度管理上，依靠物聯網進行狀態感知，將采集到的進度信息傳送到BIM模型中，對比實際進度與計劃進度之間的差異，利用大數據重新計算實時數據，優化調整進度計劃，實現智能化進度管理。另外，在質量、安全、成本管理方面，同樣要以數據信息為基礎，利用智能化系統進行實時監控與對比分析，做到有效預警、追蹤整改，提高智能管理效果[3]。

4 結語

綜上所述，根據裝配式建筑特點，智能制造主要針對的是預制構件的生產加工環節，智能建造主要針對的是現場安裝施工環節，涉及的行業和技術類型有所不同。在智能制造方面，通過智能設備、智能系統的運用，有利于提高產品生產質量和效率，在智能建造方面，通過關鍵工藝的智能化改造以及先進管理系統研發，有利于提高現場施工效果，維護各項目標的順利實現。