建筑智能制造在装配式建筑中的应用分析

2022-02-06□刘觅

产业与科技论坛 2022年17期

□刘觅

一、建筑智能制造概述

(一)建筑智能制造涵义。建筑智能制造是在人工智能基础上融入多项信息技术与“互联网+”等理念而演变形成，本质上属于人机一体化智能系统，在装配式工程建设期间，智能制造系统将采取高度柔性和集成的控制方式，模拟人类思维方式来执行数据分析、判断推理、决策制定等操作，替代人工完成多数基础性任务和一部分较为复杂的工作任务，从而起到提高工程建设质量、辅助设计、缩短工期、降低工程造价成本等多重作用。此外，也可将建筑智能制造视作为一种全新的工程建造方式，由系统自动完成建筑设计、预制构件加工、控制管理等建造活动，旨在帮助建筑企业更好地适应高度变化的工程环境，突出理论知识在工程建设活动中的价值地位。

(二)建筑智能制造在装配式建筑中的应用意义。近年来，随着市场需求的变化，以及政府部门陆续出台相关扶持政策，装配式建筑得到蓬勃发展，在建筑业中的占比呈现逐年稳步提升的发展态势，工程建造质量、管理水平与综合效益均得到明显提升。但与此同时，在装配式建筑发展期间逐渐暴露出多项问题，包括PC构件生产系统自动化程度不足、可用BIM设计软件产品数量较少、缺乏有效施工现场实时监管措施、设计与施工等工程建造阶段衔接性差、尚未在真正意义上实现协同化设计目标等具体问题。

建筑智能制造系统的应用推广，可以彻底解决或有效缓解上述提及的问题，推动装配式建筑现行建造体系的现代化发展，确保装配式建筑的优势得以充分发挥。例如，依托建筑智能制造系统来建立PC智能工厂，在智能化生产系统中同时采取多规格自动供料、自动焊接、柔性布料等自动化技术手段，工作人员仅需提前在系统程序中输入控制方案，对生产活动进行实时观测与控制，系统即可在无人工干预条件下，自动完成供料、焊接等操作任务，并对预制构件的加工精度和质量提供保障，彻底解决传统建造方式中面临的PC构件生产效率低下、易造成材料浪费、构件尺寸加工精度差等实际问题。

(三)建筑智能制造的综合特征。根据现代装配式工程建造情况和智能制造系统应用情况来看，建筑智能制造系统有着自律性、人机一体化、自学习维护、自组织超柔性的综合特征，这也是智能制造方式和传统制造方式的区别所在。其中，自律性特征是，系统与所安装设备均具备数据信息分析判断、规划自身行为的使用功能，可以根据外部环境情况与实际面临的问题进行决策分析，以及开展智能机器间的协调运作。人机一体化特征是，将人与人工智能系统加以完美结合，由二者共同形成一种全新形态的“混合智能”，在面对较为复杂的问题时，由优秀人才来树立正确思路和承担判断、决策等任务，人工智能系统则起到辅助作用，使二者保持相互协作、相互理解状态。自学习维护特征是，建筑智能制造系统在运行期间，基于程序运行准则，将会自动收集整理相关的专业理论知识和同类项目案例报告，从中筛选出高价值信息导入知识库中，随着知识库的丰富，系统的智能化水平将会持续提高，更好地应对突发状况和复杂问题，如提高故障诊断质量。而自组织超柔性特征是，智能制造系统在处理不同类型与复杂程度的问题时，为充分调动系统资源，将会基于判断结果来自行组成一种超柔性的最佳结构形式，更好地完成任务。

二、建筑智能制造在装配式建筑中的应用策略

(一)发展数字设计。针对装配式建筑在设计阶段面临的可选软件产品数量单一、软件功能不完善、智能化程度不足、各专业协同设计效果不佳等实际问题，建筑企业需要依托建筑智能制造系统来大力发展数字设计体系，推出使用功能完善、具备较高智能化程度的深化设计软件，辅助设计师完成装配式建筑结构平面布局规划、场地布置、PC构件设计、多专业设计方案整合、3D可视化图纸生成等复杂的设计任务。同时，需要在深化设计软件中开发三维信息模型创建、构件配筋率和整体计算分析、装配式指标统计、构件加工数据导出等使用功能。如此，将大幅提高装配式建筑工程的设计质量及效率，如在模型创建环节起到简化重复翻模步骤与缩短设计周期的作用，在方案设计环节起到方案拆分整合、自动计算、方案合规性自动审查的作用，在深化设计环节起到碰撞检查、深化调整、工况验算等作用，在成果输出环节起到快速出图、生成可视化三维图纸、获取和提供BOM清单及JSON数据的作用。

在数字设计场景中，对建筑智能制造系统的应用，主要体现为BIM技术的应用推广，此项技术广泛应用于装配式建筑的策划立项、方案设计、现场施工等阶段，做到了对数据设计与生产流程的打通。例如，在某装配式建筑工程中，通过BIM软件将设计系统与智能工厂的PC生产设备保持对接状态，设计师可以直接在BIM软件中将PC构件设计方案及加工数据发送至PC构件生产设备，由设计数据驱动智能工厂开展构件加工生产活动。

(二)建立PC智能工厂。在早期建设的装配式建筑工程中，由于预制构件生产系统采取人工操作方式，虽然通过配置新型自动化设备实现了对生产效率和加工精度的提升，但在PC构件设计与工厂生产加工阶段，偶尔出现方案图纸认知偏差、沟通不及时、错误操作等问题，加之工厂人数较多，导致PC构件的生产加工成本较为高昂，构件良品率有待进一步提升，进而影响到工程建设质量、造价成本、工期进度等多个方面。

在这一工程背景下，需要依托建筑智能建造系统来建立现代化的PC智能工厂，使用SPCI等工业软件，在智能工程管理体系中建立装备管理系统、生产管理系统等具有高度智能化程度的系统程序，系统采取开环控制或是闭环控制系统，直接控制生产设备完成PC构件的生产加工任务，如自动执行机械化喷涂、机器人焊接等操作。具体来讲，则是对PC工厂的传统劳动力密集型生产工艺进行数字化改造，在车间现场配置大量的建筑机器人、信息传感装置等智能设备，系统在生产期间持续采集现场监测信号，根据PC构件生产加工情况和设计单位发送的构件加工数据，基于系统运行准则自动下达相应控制指令，或是执行操作人员实时下达指令和预先设定的控制方案，实现对PC构件生产加工过程的有效把控。与此同时，智能制造系统还具备构件生产预测、故障自诊断、在线运输交付等使用功能，以自动化方式完成物料运输、故障诊断检修、PC构件运输交付等任务。

例如，中建三局依托建筑智能制造系统，在武汉市绿色建筑产业园中建立了一座智能PC构件厂，在钢筋加工车间内同时建立了自动供料系统、柔性布料系统和全坐标焊接系统，用于自动生产柔性钢筋焊网线。其中，自动供料系统负责控制矫直切断、钢筋放线以及规格转换机构，可同时完成不同类型、规格尺寸钢筋材料的供料任务，以及开展直线度稳定试验，有效解决了盘螺钢筋直线度不稳的技术问题。柔性布料系统负责同时控制横纵筋布料机构，系统检测筋条长度，将其进行分解处理后传入侧料仓，通过配置阶梯式多级推送装置，在各上料工位上推送对应尺寸筋条。而全坐标焊接系统负责采取PWM脉宽调制技术，由现场配置的信息传感装置对钢筋网片的规格长度、焊接点位置等参数进行测量分析，在分析结果基础上自动调整压接力、电流值、电压值等工艺参数，连续开展不同规格惠存的开口网片焊接作业。根据实际生产情况来看，该PC构件厂在数字化、智能化改造后，钢筋成材率提高2%、钢筋直线度始终维持在0.5～1.7mm/m区间范围内、钢筋网片横纵筋间距误差缩小至±3mm范围内、钢筋布料速度与焊机效率分别提升至30次/min和500个焊点/min，切实满足GB/T1499.3标准要求，每年节省数十万吨钢材。

(三)打造智慧工地。装配式建筑工程有着现场环境复杂，涉及诸多专业、人员设备往来频繁的特征，如果实施传统的粗放型现场管理模式，并无法切实满足工程建设要求与管理需求，会出现现场管控力度薄弱、形成质量安全隐患、污染周边生态环境、施工资源利用率低下等一系列问题。例如，因施工操作行为缺乏有效监管，出现不规范操作行为，产生飘尘与落尘，在风力作用下吹向工程现场下风口，最终造成大气环境污染。因此，为实现安全生产、文明施工目标，高效处理工程建设期间持续产生的现场数据与繁杂现场管理任务，需要应用智能制造系统来打造智慧工地，通过开发设计软件系统和配置硬件设施，在现场施工期间持续采集人、机、料等要素现场监测信号，在数据分析运算结果基础上制定合理的决策方案，实现对全部施工要素的有效把控，及时发现和消除变形因素及质量安全隐患，确保施工组织计划、施工技术方案得以有效执行。

在智慧工地中，建筑智能制造系统的应用场景包括进度控制、在线管理、现场远程管理。一是进度控制。系统既可以根据人机等施工资源配置情况、工艺技术要求等因素来模拟施工过程，准确设定各项工序的持续作业时间，将其作为项目进度偏离程度的评定标准，也可以在施工期间持续采集现场信息，实时处理施工班组上传的现场报告，以此来掌握项目实际进度，在实际进度和预期进度产生较大偏离时，向管理人员提供决策建议，如重新安排工序流程和提供人机数量增加方案。二是在线管理。系统实时统计人员出入场信息、现场各类机械设备的型号及数量、施工材料进场量与库存量、机具设备运行工况与作业效率等信息，管理人员预先在系统中设定各类信息参数的额定值，自动对比分析实时统计值与额定值，在检测到统计值超限问题时自动发送报警信号、执行应急处置预案，如发送机具设备故障预警信号和现场扬尘污染预警信号。三是现场远程管理。在现场配置传感器、摄像头、探头等装置，持续采集现场监测信号与拍摄视频图像资料，管理人员可以直接观察现场施工情况，纠正不规范操作行为，及时发现安全质量隐患问题。同时，还可以应用特征提取技术，从视频图像中提取特定的特征信息，如自动检测现场人员是否按规定穿戴安全帽、安全带、防护服等安全防护设备。