可扩展组合式预制构件数字化生产线的研究

朱敏涛

上海建工材料工程有限公司 上海 200086

1 研究背景

随着我国建筑产业化的不断推进，预制构件生产企业大量涌现，预制构件生产线基本以传统固定模台、平模流水法（移动模台法）为主，辅以少量预应力长线台座法生产线。传统固定模台生产产品适应性强，但是作业环境差、机械化程度低；平模流水法比较适合形状简单的叠合楼板和内墙板等构件，当发生生产线故障时影响大；预应力长线台座适宜生产预应力叠合板和空心板等构件，机械化程度高，生产效率高。

本文通过在原有PHC管桩生产厂房的基础上，引进吸收先进技术，研制了一条新型双向可扩展预制构件数字化生产线。该生产线具有生产设施和装备可扩展布置以及有机组合、构件生产数字化和机械化程度高、产品适应性强、投资少等特点，提升了预制构件的生产效率。基于此数字化生产线还开发了从构件产品设计、构件库选择、模具设计加工到构件数字化生产的预制构件数字化生产系统，实现了部分预制混凝土构件的数字化生产。

2 可扩展组合预制构件数字化生产线的总体布局

可扩展式模台预制构件数字化生产线由原有PHC管桩车间改造而成（图1），厂房总面积4 536 m2，长189 m，跨度24 m。车间布设3.7 m×9.0 m固定模台30个，纵向2条生产线分3组布设，每组5个模台，每条生产线布设15个模台，2条线之间可通过横向摆渡轨道运输关键装备完成连接。

图1 可扩展式模台预制构件数字化生产线局部

每条生产线模台底部左右各布置有一内一外2条纵向轨道，模台混凝土浇筑完毕后，振动装备可沿模台底部内轨道移动至指定模台完成构件的振动密实；模台左右两侧外轨道可用于生产装备的来回移动，以完成预制构件的生产任务。2条纵向生产线外侧另布设有一组轨道用于桥式混凝土运料罐车的来回移动。数字化生产车间设有参观通道、办公区、物料堆放区、成品构件运输区、装备维修区等，车间一端并设有混凝土布料机、混凝土料罐清洗区，整个生产线布局灵活，适应性强，生产线可按产能需求逐条投入生产设备，且设备可灵活优化组合，从而实现生产线的双向可扩展。

预制构件数字化加工生产线的主要数字化装备包括：生产轨道及振动侧翻一体式热养护固定模台、纵横向自行移动式清扫划线脱模剂喷涂一体化集成装置、中央行走平台装置、物料输送平台、桥式混凝土料罐、纵横向自行移动式混凝土布料机、纵横向自行移动式振动侧翻装置、旋翼式抹平装置、蒸汽养护覆盖装置等。基于固定模台的可扩展组合式预制构件数字化生产方式，通过数字化单元装备在轨自行移动对固定模台上预制混凝土构件进行不同工序的数字化操作，实现预制构件的并行柔性生产，大大提高了生产效率和对预制构件的适应性。

3 数字化生产流程

3.1 数字化构件产品设计

数字化构件产品常根据预制构件尺寸、功能、结构形式和工程特点等因素，建立不同类型的标准化预制构件库（剪力墙外墙板、剪力墙内墙板、围护墙板、叠合楼板、楼梯梯段板、阳台板等），以及建立构件数字化信息与预制构件生产数据对接系统。

(4) 坑边动静荷载影响。基坑两侧距离市政道路距离较近，东侧仅2.5 m，全线北段大多数渣土及混凝土运输车辆从该路段通过。同时，两侧浅基础建筑距离基坑南段水平距离约12 m，静载对基坑变形存在一定影响。

数字化构件产品生产常从产品类型识别、钢筋识别、预埋件识别等，在生产前进行构件信息的识别，确定好构件的类型后开始导入信息化系统对钢筋进行识别，从而开始放样，进行钢筋的自动化加工。系统对预制构件预埋件位置进行识别，并将自动对钢筋及预埋件位置进行区分，避开钢筋及预埋件区域，从而开始混凝土的自动化布料。预制构件产品的精确度直接决定了其现场安装的准确度，预制构件生产企业常对预制构件进行进一步深化设计工作，其目的是为了保证每个构件到现场都能准确地安装，不发生错漏碰缺。

3.2 模具数字化设计和加工

目前，装配式建筑的模具是根据单个工程设计和制造，模具标准化程度低，重复利用率极低。建立基于标准化构件库的模数化组合式模具系统和相应的数字化标准模具库，可大大提高模具重复使用率和降低工程模具成本。预制构件模具在设计阶段常根据构件类型进行模具单元的拆分，采用数字化设备对拆分好的单元进行加工生产，保证模具的精确度。在设计加工完成后，将模具运抵生产企业，从而对其进行编号区分，采用数字化设备，根据构件对应编号吊运安装模具，保证构件生产的有序性及合理性。

3.3 预制构件数字化生产

1）构件图纸数字化转换。数字化生产线采用先进的数据导入系统，由生产企业翻样人员根据设计单位提供的构件拆分图纸对构件的预埋件及平面图进行转换，形成生产系统可自动识别的图纸并导入生产系统。

2）优化布模。通过对数据识别成功后，为实现模台的最大化利用，提高每批次生产构件的数量，需通过调整模台边界尺寸来优化模台构件布局。

3）纵横向自行移动式清扫画线脱模剂喷涂一体化集成装置对系统数据进行接管，移动至指定生产模台区域，并对模台进行清扫、画线、喷洒脱模剂。

4）纵横向自行移动式边模和钢筋布置小车吊运模具、钢筋及预埋件至指定生产模台，对模具进行试拼装。

5）检验人员对试拼好的模具进行尺寸验算检查，钢筋工按图纸要求进行钢筋绑扎和预埋件的安装，绑扎安装完成后进行隐蔽工程验收。

6）待隐蔽工程验收合格后，给出浇筑指令，使装载混凝土的鱼雷罐与搅拌楼实现无线对接，然后通过混凝土输送轨道将鱼雷罐运至指定模台与布料机完成自动对接并卸料。

7）鱼雷罐完成卸料后，混凝土布料机接收预制构件数字化信息，对模台预制构件进行自动布料，布料机下端有若干卸料口，可根据构件形状、尺寸和开洞情况开启不同卸料口，完成自动布料。

8）布料完成，对布料不均匀区域进行摊平，待单个模台布料完成，启动纵横向自行移动式振动侧翻装置对模台进行振捣，混凝土振捣密实后停止振动。

9）依次对生产线模台进行混凝土浇筑，浇筑完成后，用旋翼式抹平装置对模台预制构件上表面进行抹平。

10）抹面完成启动养护装置对模台进行覆盖，根据构件形状、特征进行热养护。

11）构件混凝土经养护达到设计起吊强度，应用纵横向自行移动式振动侧翻装置对模台上预制构件进行脱模侧翻起吊，进行下一循环生产。

12）构件整修及标识。预制构件脱模后，应在专门检修工位及时进行陈品检验，对缺陷部位进行修补，并按规定要求进行构件标识。

13）构件成品检验。应对预制构件的外观质量、尺寸偏差、混凝土强度、结合面、装饰等各方面进行质量检验。

14）构件成品堆放。建立与成品堆场相关联的数字化堆放系统，成品检验合格后构件才可以进入成品堆场进行堆放，构件应根据数字化堆放系统优化布置，按构件类型、项目分类堆放。

15）构件运输出厂。构件运输应根据构件特点和运输工具确定合适的方案，尽量采用平放运输方式。靠放架、插放架应具有足够的强度、刚度和稳定性，构件经检查验收合格后方可运输出厂[6]。

4 工程应用及优势

数字化生产线车间自投产以来，已完成多个工程混凝土预制构件的生产任务。相比传统固定台座生产线模式，专有技术主要有基于平面矩阵式布局的智能化生产系统的柔性生产技术、可侧翻固定模台集热模台养护技术、可纵横向自行移动的集成化无线控制关键装备技术。

数字化生产车间的主要优势有[7-8]：

1）投资少，生产线相比同规模的自动化生产线，初期投资可减少50%以上，具有良好的经济性。

2）可扩展性强，生产线可通过增加模台、轨道和装备等实现产能扩充，多条生产线共用主要关键设备，产能扩充的经济性明显。

3）智能化水平高，劳动生产率提升，多种智能装备产品适应性强、操作性好，劳动生产率提高30%。

4）适应性强，可生产叠合板、墙板、梁、柱等各类构件。

5）能耗低，实际生产过程中能耗减少30%。

5 结语

双向可扩展组合式数字化生产线可通过仅增加模台和轨道等较少投资实现产能扩充，多条生产线可无缝衔接，共用主要关键装备，且关键装备可灵活组合，产能扩充的经济性明显。可生产内外墙板、梁、柱等各类预制构件，体现了其适应性强、生产效率高的优势。具有显著的竞争优势和推广价值，对推动我国建筑工业化具有重要意义。