铝模板虚拟拼装技术应用的研究及探索

李文浩， 何艳军，王 欢

(1.中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.中铝国际工程股份有限公司，北京100093)

传统铝模板工厂的预拼装环节以人工操作为主，管理成本高、实物费用高、耗时长、占用场地，严重制约了铝模板行业的发展。同时，信息化技术的发展使得虚拟拼装技术得以实现，使用信息化、智能化手段实现铝模板的免拼装已势在必行。

本文通过利用BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技术、光学扫描技术和三维重构技术，用信息数据连通铝模板的设计环节、加工环节和预拼装环节，保证设计端数据能准确传递到铝模板的下游工序，有效解决铝模板企业的劳动密集型问题和“作坊”式的生产管理模式，促进铝模板行业的数字化转型发展，提高生产效率和产品质量，降低企业生产和运营成本。

1 背景描述

铝模板是继木模板和钢模板之后出现的新一代模板系统，它是根据模数制作设计，经过专业设备挤压后制作而成，具有重量轻、承载力强、混凝土浇筑质量好、施工进度快、周转使用次数多、安全文明施工水平高、绿色环保、综合经济效益好等优势，近年来在国内大部分地区得到推广应用。国内现有铝模板厂上千家，大多采用传统的生产方式，预拼装环节以人工操作为主，一个住宅楼订单用模板的拼装费用约为7万元，需要的时间为10d～15d，所需工作场地超过200m2，存在管理成本高、实物预拼装费用高、耗时长、占用大量场地等诸多弊端，急需实现信息化和智能化的设计和生产。

2 解决方案

为取代人工预拼装方案，需要改进铝模板的设计环节、加工环节和预拼装环节，如图1所示。

图1 铝模板虚拟拼装解决方案Fig.1 Virtual assembly solution for aluminum templates

设计端通过BIM技术设计手段和铝模板设计软件中的三维模型实现对设计过程中的“错漏碰缺”检查、孔位槽位的检测、标准率的控制；加工后通过光学扫描技术对铝模板加工的几何尺寸进行在线扫描，实现扫描数据与设计模型或图纸进行实时比对，对加工质量进行判断，第一时间发现加工错误并进行相应处理。利用数字化逆向工程解决方案，将合格品加工数据回传至BIM设计平台进行三维模型的重构及装配，充分利用三维装配精度高、效率快的特点，实现数字化驱动模型虚拟预拼装技术替代方案。

表1为使用虚拟拼装技术后的应用效果分析，粗略计算一个年产百万平方米铝模板的工厂，一年可节省场地和人工费用达到千万级，可以节省的材料资金占用更是数千万。可见，通过虚拟预拼装技术的应用，可以显著提高市场竞争力，加速推进数字化转型，实现建筑行业“以铝代木”绿色发展理念的真正落地。

表1 应用效果对比

3 关键技术研究

3.1 BIM技术

在传统预拼装环节发现的设计错误会造成连锁反应，需要进行设计变更、工厂再加工、重复预拼装验证等环节。实现铝模板的免拼装设计，需要确保设计环节的准确率。通过BIM技术，可以将设计环节的错误率控制在1%以内，从而避免给后续环节带来过多的重复性工作。同时，要保证形成的数据信息格式与下游环节完全兼容。在设计环节应用BIM技术，可以实现：

(1)多人协同设计，一键配模，区域打包，自动生成加工图和BOM(Bill of Material，物料)清单；

(2)检测铝模板间的“错漏碰缺”、孔位及个数、槽位及个数等；

(3)为下游比对环节提供兼容的数据信息及格式接口；

(4)接收和处理下游环节反馈的数据；

(5)自动生成构件二维码和工地安装码。

3.2 光学扫描技术

为实现铝模板信息的快速采集，保证测量精度和测量准确度，实现免实物预拼装的效果，利用基于机器视觉技术的模板轮廓测量方法，采用非接触式、全视角立体尺寸测量，满足大尺寸模板检测测量需求。建立检测系统和装置平台，实现模板生产过程中实时掌握产品外形尺寸与加工质量，同时将该采集的数据信息作为依据进行质量判定，并向BIM设计平台反馈。通过对铝模板进行快速扫描测量，可以实现：

(1)通过对机器视觉采集的数据，自动分析计算模板轮廓尺寸；

(2)自动与模板设计尺寸比较，判断模板加工是否合格；

(3)合格品与不合格品的自动分拣；

(4)向BIM设计平台进行数据反馈。

3.3 三维重构技术

对于合格产品，将其扫描数据回传到BIM设计平台重构成实体尺寸的三维模型，并利用二维码自动定位技术进行虚拟拼装，进行铝模板的“错漏碰缺”、孔位、槽位等的检测以及自动生成错误报表。利用数字化逆向工程解决方案，不但降低了管理难度，同时也降低了对加工设备的精度和准确率的要求，该方案适合国内所有层次的企业。通过进行三维重构，可以实现：

(1)打通构件全生命周期管理；

(2)扫描数据与BIM设计平台要无缝衔接，避免数据丢失或无法传递；

(3)扫描生成的数据格式和BIM平台接收的数据格式要进行统一，避免误读或错读。

4 结论与展望

未来的工厂将以数字化智能化工厂为主，传统劳动密集型工厂必将退出历史舞台。通过铝模板虚拟预拼装技术的应用，可提高设计效率和准确率，实现实体加工件的数据采集以及与设计数据的自动对比，并可与生产管理信息系统对接，进行生产排单和计划跟踪，推动铝模板全生命周期管理，为铝模板企业缩减工人数量、降低用工成本、减少土地投资、加快生产资金周转提供有力支撑。