基于智能工厂理念的厂房建筑设计探索

刘文静 陈小麟

摘  要：本文基于智能工厂的设计理念，探析了当前智能厂房建筑设计存在的主要问题，并结合具体案例，提出了工业厂房的建筑设计架构：BIM数字信息模型，以期为未来智能工厂厂房建设提供借鉴。

关键词：智能工厂;工业厂房;建筑设计

中图分类号：TP278    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）12-0000-00

0 引言

当前针对大数据、人工智能、5G技术和物联网等新一轮科技革命的浪潮，德国政府提出了工业4.0计划，中国政府也发布了中国制造2025战略。智能工厂是基于工业4.0概念而提出的，其目的是旨在提升制造业的智能化水平，同时也指明了制造工业的未来发展方向，即数据化、智能化。工业和信息化部、国家标准化管理委员会于2018年印发的《国家智能制造体系标准》中，明确了智能工厂的建设标准，其包括智能工厂设计、智能工厂建造与交付、智能生产、管理与物流、集成优化等组成部分[1]。从个体企业规划到国家宏观政策的顶层设计，都在强调智能制造是时代的内在需求。鉴于此，制造工业的基础设施的智能化建设和发展，有必要进行深入探讨。

1 制造工业厂房设计的问题及其发展方向

相关统计表明，当前大部分传统制造业在工业基础设施设备上已经实现了由传统的人工作业向机械化生产的转变，比如大部分企业引入了叉车、吊车等机械化、自动化和部分信息化设备。但是只有在一些大型和新兴高科技企业中，智能仓储系统、智能分拣系统和处理系统才得到深度应用。目前，很大一部分制造企业在现有工厂建筑过程中，采用传统落后的厂房建筑设计标准。随着大数据、人工智能、5G技术和物联网等技术的日益渗透和普及，智能工厂是未来制造业发展的必然趋势。但建设智能工厂要出于企业自身生产的需要，也需结合产品生产工序特点。值得注意的是，智能工厂目前并没有一个明确的统一标准，为了更加明确探讨智能工厂的问题，我们综合现有理论和实践成果，提出了一种智能工厂的基本架构图，如图1所示。

2 智能工厂建设的技术路线

智能工厂的基础是数字化工厂，即实现所有工厂信息的自动采集。智能工厂的信息化系统建设，是从数字化建模开始的，等到厂房建造完成、生产设备和产线的安装完成后，实现设备的联网和信息化平台部署与调试，在实际运营中再不断的优化，从而达到最优效果。其中数字化建模是智能工厂建设的基础，从原料到产品是企业生产的核心，智能工厂的数字化建模就是将生产的全过程虚拟化。比如，在实际的电池工厂项目中可以应用仿真技术、虚拟现实技术将生产全过程都纳入虚拟生产活动场景中，并利用实验验证技术等，对电池生产的所有工序工段进行进一步分析与优化。

数字化建模主要包含三部分：三维工厂建模、智能设备模型、工艺仿真[2]。在三维工厂建模中，我们所使用的数字化BIM技术，全称为建筑信息模型，其在建筑领域是一种新兴工具。BIM技术的价值在于信息的解构、结合与高效利用[3]，BIM技术可实现可视化、增强文档、冲突、干扰和碰撞检测、建筑物性能和结构分析、代码审查、施工顺序、预制和自动组装、成本估算和设施管理等功能。在实际应用中，BIM技术能创建智能化厂房的数字信息，用于采集有关设备设施的资讯，从而形成可靠的决策基础。比如在电池工厂实际项目中，BIM技术可以将建筑图纸可视化，并在设计过程中检查并提示出水电暖各专业间管道及设备的冲突和干扰，再进一步，可以分析建筑采光、保温性能，给出建筑节能与绿色建筑设计参数，在施工阶段，也能在现场管理上提供指导。

3 新能源智能网联科技园锂电池及其配套工程项目案例分析

（1）项目概况：本项目建设地处长沙市高新区，项目规划有效用地面积283622.70㎡。锂电池生产区建设内容主要包括：新建中小模组和PACK厂房、模组成品库、维修间及售后服务、食堂、地下车库、电池包成品库、垃圾分类站、电芯立体库、公用站房、电芯生产联合厂房、固废间、废电芯处理＼电解液仓库、变电站等。电芯生产联合厂房位于园区南侧，共4层，建筑高度23.7m，为钢筋混凝土框架结构。生产危险性类别为丙类2项，厂房建筑耐火等级为一级;设计使用年限为50年，抗震设防烈度六度，屋面防水等级为一级。厂房长264m，宽147m，建筑面积为122961.1㎡。

（2）智能化工艺流程分析和建筑设计对策。本次设计新建的电芯生产联合厂房遵循统一规划的原则。车间主要承担对生产纲领中80亿动力锂电池正负极配料、涂布、辊压、烘烤、叠片、注液、化成、分容、静置、分档的整套生产工序。根据电池车间的工艺要求，对厂房内的生产区域进行合理规划布局，综合考虑其整体功能，力求物流和工艺流程顺畅合理，便于生产组织，使车间面积得到合理利用。基于此，首层由南向北布置原材料立体仓库→匀浆→涂布→辊压、分切→装配工段（采用全自动叠片和焊接）→二层布置接触式烘箱、注液、化成→三层布置抽真空分容、静置、OCV 测试及分档→电芯立体库房。

电芯生产联合厂房采用自动化的生产工艺，最大限度地减少中间物流周转，缩短工件的制造周期，提高产品质量和生产效率。工艺设备的选择考虑与生产纲领相匹配，关键设备采用国际先进装备。厂房工艺布置按整体物流和生产工序联系的紧密性进行布置，对相近工序相对集中布置，尽可能减少物料的周转搬运。并依据厂房生产工艺路线，采用AGV小车转运配送。

智能化建筑设计对策：通过BIM技术设计，电池厂房可在三维数字化工厂的基础上，将厂房运营期间的数据进行集成，将工厂全生命周期管理数据在三维场景上进行不同维度的展示，实现工厂生产工艺、设备运营管理、智慧园区建设的全方位数字化和可视化建设。在工业厂房建设过程中，常有许多专业管线碰撞情况，且设备安装复杂，我们可以通过采用BIM技术改善厂房建设过程，还可以探索其决策的替代方法。BIM技术也可以帮助提升建筑室内环境，改善企业员工工作状态。比如在厂房设计初期对厂房辅助办公区域进行建筑采光分析，能达到优化工作环境的目的。而对高温设备区域工位通风环境检测，也能适当的提升工人的舒适感。电池厂房许多工段都有洁净需求，BIM技术也可帮助实现不同等级的洁净度。这些通常都需要我们在设计方案之初做出判断。另外我们可以使用BIM技术对建筑能耗进行评估，以识别关键变量并优化设计参数。通过BIM建模，电池厂房也能实现生产场景的数字化建设。车间大型生产设备比如涂布机、厂房的整体建筑结构、各专业管线、设备及仪表等，都可以充分展示在该数字模型中。通过数据集成，首先三维场景结合厂房内监测数据可以形成一个良好的展示，既可以实现企业管理的监察，也可以适当展示给客户，并在后续生产计划制定和修改中，做到实时更新和即时反馈，对于企业生产效率的提升有很大帮助。

4 结语

總之，以智能化带动产业的改造升级，在很大程度上能提升企业的市场竞争力。智能工厂为企业提供了更为专业化、信息化、网络化和智能化的生产平台，实现了资源共享，有效节约了资源，降低成本，提升效率，促进了企业快速可持续发展和跨越式发展。

参考文献

[1] 工业和信息化部.国家智能制造标准体系建设指南（2018年版）（续一）[J].机械工业标准化与质量，2019（1）：7-14.

[2] 李云生，简金权，龙罡，等.大中型电机智能工厂建设研究[J].中国设备工程，2020（20）：18-20.

[3] 曾旭东，周鑫，张磊.BIM技术在建筑设计阶段的正向设计应用探索[J].西部人居环境学刊，2019（6）：119-126.

收稿日期：2020-11-03

作者简介：刘文静（1987—），女，湖南长沙人，硕士研究生，工程师，研究方向：建筑设计及其理论研究。