虚拟制造及虚拟建造在数字化车间规划设计阶段的应用

陈俊，张锦松，丁芮，郑智新

（中机第一设计研究院有限公司，合肥230601）

1 项目背景

某项目为年产22×104t精密铸造生产线项目制动鼓车间，项目计划总投资15亿元，厂区总建筑面积为30 310.9 m2，占地面积21 190.1 m2。本项目于2019年4月动工建设，2020年一期工程建成投产。本项目采用先进静压造型线工艺，包括自动加配料，铁水自动转运，自动化立库，自动化加工、涂装及包装生产线，整个车间工艺自动化程度高，并利用地势条件，加工车间部分采用双层设计，上层设计为加工涂装包装工艺，下层设计为成品库，利用提升机完成成品的物流运输，保证铸件连续转运及生产人员数量最少化。车间信息化，数字化水平高，成为铸造行业数字化车间的典型案例。车间建成投产以来，获得业主及行业内的广泛好评。

2 项目重难点

本项目生产的产品类型多样，每种产品对应不同的原料及成分；要求可快速切换生产；项目地形复杂，南北高度相差近10 m；大型设备多，吊装安装难度大；铸造车间属于热加工车间，车间环境欠佳，通风除尘为设计重难点。

3 虚拟制造利用

基于本铸造车间短流程、多批次的典型生产特征，在生产线规划设计阶段，进行生产及物流仿真技术的虚拟制造，主要包括以下内容：

1）生产线布局及仿真。针对新工厂建设，基于企业发展的战略与前瞻性，进行三维工厂模拟验证，减少未来车间调整带来的时间和成本浪费。工艺仿真真实反映生产过程中铁水熔化、倒运、浇注、冷却、落砂等工艺，并依此对加工工艺进行优化处理等。

2）物流仿真。通过物流仿真、优化工艺、物流设施布局、人员配置等规划方案，提升数字化车间规划的科学性，避免过度投资。对生产规划环节，通过利用虚拟仿真技术，对于工厂的生产线布局、设备配置、生产制造工艺路径、物流等进行预规划，并在仿真模型（见图1）预演的基础之上进行分析。评估、验证迅速发现系统运行中存在的问题和有待改进之处，并及时进行调整与优化，减少后续生产执行环节对于实体系统的更改与返工次数，从而有效减低成本，缩短工期，提高效率。

图1 生产仿真模型

项目试运行及投产阶段，通过实际生产调试时采集的设备数据输入至仿真模型。由仿真模型自动运行并输出仿真结果及优化建议，根据优化建议，适当调整生产线设备参数，使车间产线与物流与仿真模型一致。

4 虚拟建造应用

本项目利用BIM技术，对厂房设计、建造、设备安装各阶段进行虚拟建造，提升工厂规划建设水平。虚拟建造主要解决了以下几个方面难题：

1）针对厂区高差大的问题，通过方案比选，选择了局部2层的厂房方案，既增加了土地利用率，也减少了工程土方量。

2）针对铸造车间的高温特点，对搭建的BIM模型进行风环境模拟分析（见图2），最终确定合理的开窗比及屋顶通气楼设置。项目建成运行后，现场反馈良好。

图2 基于B I M模型的分析、模拟

3）铸造车间的生产设备大多高度高、体积大，通过对设备吊装的模拟，有效解决设备吊装路径问题。

4）车间内的电炉设备机电接口多，辅助设备复杂，通过机电管线的综合排布，尽量减少了辅助设备用房的占地面积，辅助设备布置合理，提高空间利用率。

5）本车间在设计时由设计院进行土建、机电和设备基础的BIM模型建立，内部生产线的设备模型由不同的设备厂家提供。由于不同的设备厂家采用了不同的工业设计软件，进而输出的数据格式不能互通，通过本公司的二次软件开发，有效地解决了数据互通问题。

5 协同平台的应用

本工程软件投入预算较少，为了尽可能满足各参建方的协同需要，采购了BDIP工程协同设计平台。该平台基于钉钉平台打造，具有模型轻量化操作、视点分享、平台实时沟通的功能，并且可在手机终端、PC端均可应用。其次，可利用钉钉协同、办公会议等功能，大大提升了与各方沟通的效率。

6 应用总结及展望

通过本项目虚拟制造与虚拟建造的结合，解决了以下几个工程问题：

1）虚拟制造与虚拟建造的组合，解决了规划阶段“懂生产的不懂工程建设、懂工程建设的不懂生产”的问题，提高了项目沟通效率，加快了项目进度；

2）生产规划环节，通过利用虚拟仿真技术对工厂的生产线布局、设备配置、生产制造工艺路径、物流等进行预规划，并在仿真模型“预演”的基础之上，进行分析、评估、验证，迅速发现系统运行中存在的问题并及时进行调整与优化，减少后续生产执行环节对于实体系统的更改与返工次数，从而有效降低成本、缩短工期、提高效率；

3）通过本项目，基本打通了制造业设计软件产生的数据格式和工程设计行业软件数据格式的互通问题，使得协同成为可能；

4）通过BIM模型的仿真，模拟仿真热车间的风环境，并对车间开窗及通风进行优化设计，大大提升了热车间的环境舒适度。

虚拟制造解决生产问题、虚拟建造解决工程建设问题，两者结合提升工厂规划设计水平。下一步，将研究如何使工程建设过程中产生的数字资产与生产过程的数字资产相结合，真正实现工程建设、生产过程的全生命周期数字孪生，进而建造全要素、全生命周期的数字化工厂。