基于数字孪生的装配式建筑中预制构件设计加工一体化的思考

陈希

摘 要：  目前装配式建筑存在着部分问题，表现为预制构件设计生产缺乏协同机制导致的成本较高与工厂生产安排效率较低。针对装配式建筑预制构件高成本问题，提出基于数字孪生的预制构件设计-加工一体化生产模式，旨在通过数字孪生技术实现精准的构件设计和智能高效的生产安排，同时建立起全过程信息化管理。

关键词：  数字孪生;装配式建筑;深化设计;生产管控

【中图分类号】TH166     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）06-0110-01

随着我国的经济发展，建筑业也逐步向工业化和信息化发展。如今，具有质量高、工期短、消耗少等优点的装配式建筑得到人们越来越多的重视。在大力推广装配式建筑发展的过程中，其高成本成为了制约其发展的重要因素。目前构件制造全过程缺乏信息协同，构件规格不统一，生产难度大，材料、运输等方面管理困难，制造成本增高。而要解决这些问题，则需建立高效协调的全过程信息化管理。

现提出基于数字孪生技术的混凝土构件设计-加工一体化生产模式，通过建立产品全过程的信息模型，并模拟工厂生产过程，有效解决设计与生产间存在的沟通壁垒，从而为构件由设计、生产、施工到后期运维提供信息服务，。

1 数字孪生的概念与发展

2003年，Grieves教授在美国密歇根大学产品全过程课程上提出数字孪生这一概念，将其定义为包括实体产品、虚拟产品及两者之间连接的三维模型。随着这项技术的研究深入，数字化与信息化的高速发展，数字孪生也有了更广泛的定义。目前，数字孪生技术是指利用信息技术对实体对象的各种性能、行为和运行的规则等进行数字化表达和建模的方法。

相较于BIM技术，数字孪生更为智能。除可视化数字模型外，其依托实体产品建立虚拟模型，具有实体产品的规则和要素，可对实体进行检测、诊断，在云端实时模拟反应实体状态。同时。其强调通过虚拟与实体的信息交互，反馈实物各方面状态和预测其后期运行情况，更具多维性、实时性和智能性。

基于上述对数字孪生技术的简述，本文进一步探讨数字孪生技术在装配式建筑预制混凝土构件深化设计和工厂生产成本管理两个方面的应用。

2 基于数字孪生的预制构件全过程信息管理

2.1 深化设计阶段

在深化设计阶段中，传统模式存在构件碰撞问题。目前可通过BIM为多方设计提供一体化平台，进行预制构件设计和碰撞检测。但在构件规格的标准化、统一化和数模化等方面仍待完善。

数字孪生虚拟模型可基于BIM系统建立，载入构件装配结构、几何信息和施工工艺等信息以满足设计、生产和装配流程构件信息管理一体化。模型中参数的录入尤为重要，数字模型仿真性基于全面可靠的构件信息，越是精确有效的信息录入，越能够提高模型的仿真度，更为接下来构件的校核、工厂生产流程安排和装配施工现场管理提供基础信息。

此外，虚拟系统基于工厂制造和建设项目的大量历史数据创建程序，对已经设计的构件进行相近规格的替代套用，统一优化构件规格，尽可能减小特殊规格构件的比例，满足工厂进行大量模板的生产需求，提高构件生产效率的同时降低模板成本。完成构件规格替代后，系统对于优化后构件的适配性进行自动检测，对具有偏差过大或承载力不足等问题的构件进行反复修正，循环优化。在此环节可设计人员也可手动调整构件规格，将本次人工修改后的信息输入程序，使孪生系统的自动程序不断学习改正以后期完善。

2.2 构件加工阶段

工厂端，对于构件制造方面存在的生产成本较高效率较低等问题，建立数字孪生系统，包含实体对象和虚拟模型以及两者之间的交互信息三个层面。根据工厂实际环境、设备状态和构件生产流程要素建立起生产车间虚拟数字孪生模型，对构件生产计划进行设计、监控与优化。

（1）实体对象为工厂实际生产车间和产品链。主要通过传感器、无线传感网络（等智能感知与定位技术对生产环境人、机、物、环境等全要素多源异构信息进行实时感知和监控。

（2）虚拟模型为虚拟数字孪生车间，其重点在于构建车间运行的行为与规则。根据吗物理对象层的接收信息，基于工厂生产历史生产数据、各个构件生产步骤和各工艺生产方式等信息，建立能够模拟车间规则、运行和驱动的孪生模型，如楼板的流水线工艺施工流程;工厂实际场地面积与分区;机械、材料堆放位置。

（3）信息交互层则连接实体对象与虚拟模型。将实体对象检测信息输入孪生模型，再反馈孪生模型推演结果以指导生产。建立起全面的孪生系统后，对构件生产安排分为初步设计与实时优化两阶段。

第一阶段，初步设计。系统接收生产任务，根据上游构件设计阶段完成的构件信息结合工厂实时状况，包括设备类型和产能等因素对构件生产安排进行初步设计。而后，管理人员依据工厂机器、物料等要素的实际数量向虚拟模型反馈实际数据，模型接收相关数据并对相应的生产计划进行再一次修正，完善生产流程安排。

第二阶段，实时优化。构件生产过程中，通过传感器等设备监测各机器运行状态和环境等外部状态，将监测信息同步输入孪生数字模型，达到车间运行状况的动态模拟。同时监测各生产环节实时产量和效率，再通过管理人员手动调整物料使用情况、产出等生产进度，使虚拟孪生数字生车间实时模拟出车间产量和生产能力。结合机器运行状况和各项物料的使用、运输和堆放情况，并根据实际车间的实时生产数据对后续可能出现的问题进行预测，以及对各项生产安排进行调整与优化。预测与优化实现的要点是对于车间生产状况的高度仿真以及结合大量历史数据进行分析。

结束语：探索数字孪生技术在预制构件设计-生产一体化的应用，有望解决预制构件高成本问题，推动装配式建筑加速发展。本文提出针对预制构件设计-加工一体化的数字孪生系统的概念，系统建立需要基于大量数據的收集与处理，同时，将实时数据信息与虚拟模型结合也需要更加深入研究来解决。

参考文献

[1] 申金山，华元璞，袁鸣.装配式建筑精益成本管理研究[J].建筑经济，2019（3）：45-49.

[2] APRISO.Digital twin：Manufacturing excellence through virtual factory replication[EB/OL].（2014-05-06）.