装配式建筑智能制造和智能建造的创新需求

覃春跃

（南宁学院）

1 引言

随着科学技术的不断进步以及生产建造理念的持续更新，传统的产品生产模式已经不能满足社会发展需求，在大力发展装配式建筑的时代背景下，根据项目特点和实际需求，加快智能化、自动化设备研发运用，提高全生命周期信息流通共享水平，改善装配式建筑实施管理效果，力求尽快实现建筑行业现代化、工业化转型升级。

2 装配式建筑智能制造创新需求分析

2.1 构件制造工艺

装配式建筑是将主要建筑构件在工厂生产、运输到现场安装实现的，因此，大批量的产品需要通过制造生产线完成，这些混凝土构件的生产工艺流程包括安装模板、绑扎钢筋、浇筑混凝土、振捣、养护、拆除模板、起吊入库、组织运输等，必须严格按照标准程序执行，保证预制构件制造质量符合规范要求。

2.2 智能制造问题

装配式建筑预制构件制造是根据设计方案进行的，如果设计阶段没有充分考虑制造和装配需求，那么经常会出现设计与制造、施工相冲突的问题，需要进行变更、返工，导致资源浪费、成本增加。在产品制造阶段，虽然主要生产设备已经基本实现国产化，但是仍然存在许多问题：装备可靠性差、精益生产能力不高、标准化程度比较低、主要生产设备之间的联动性较差、设备功能与工艺流程配合效果不佳。许多制造车间采用的生产设备信息化和自动化水平低，需要依靠人工操控，容易出现参数混淆、工序错乱等问题。在相关参与单位交流沟通方面，由于信息感知和集成能力较差，因信息反馈延迟导致的生产资源浪费比较常见。在运输阶段，信息共享困难，由于装配式建筑预制构件种类和数量比较多，依靠传统管理方法容易出现信息错误、查找困难、构件丢失等问题，影响了运输管理效率，制约了后续施工作业效率。以上这些都是智能制造面对的核心问题，需要加强技术创新，提高信息化、智能化水平[1]。

2.3 创新需求分析

2.3.1 提高智能设计水平

为了提高装配式建筑预制构件制造水平，必须从深化设计过程着手，尽可能从根源上避免问题的出现。根据项目特点和业主需求，采用面向功能和性能的建筑产品设计方法，构建BIM设计模型，经过碰撞检测和受力分析后，导出面向制造和施工的数字模型及参数，利用物联网、传感器、RFID等技术，通过设计参数与生产信息的比对，保证预制构件制造过程的质量控制效果，在物联网环境下实现制造过程与设计过程的信息交互，防止上下游衔接不畅。

2.3.2 智能生产调度系统

预制构件制造是装配式建筑建设的重要环节，须与施工过程紧密衔接，通过构建智能生产调度系统，能够实现精益生产目标。建立预制构件生产过程模型，利用传感器、RFID等技术，全面记录构件生产过程信息，包括每道工序信息、质量检测信息等，同时将生产过程信息、车间库存信息、施工现场信息等集成到生产调度系统中，有效促进生产、施工协同，在智能算法、精益生产理论的支持下，实现智能生产调度决策，减少生产和仓储过程中的资源浪费。

2.3.3 智能制造设备运用

提高预制构件制造生产线自动化水平，加强智能制造机械设备的研发运用。工业机器人在产品智能制造中发挥着越来越重要的作用，使用摆模机器人及配套模具，能够有效控制摆模精度，通过友好、开放、兼容的人机操作界面，可以自动化完成预制构件生产线模具的放置、固定、拆卸、回收工作，经应用实践，摆模精度能够控制在±2mm之内。

研究钢筋笼和模具一体化智能组装设备，智能识别、搬运、组装模具和钢筋笼，存储和标记相关信息，有效解决组装工艺环节复杂、搬运过程混乱、安装精度不高等问题，而且有利于构件的信息化建档。

研制钢筋笼自动绑扎及智能焊接设备，根据设计规范自动进行钢筋连接，提高钢筋网片规格尺寸的精确度，自动按照设计尺寸预留预埋，精度可以控制在±10mm范围内，而且通过通信接口和互联网可以远程进行技术诊断和故障排除。

研制预制构件生产混凝土智能布料设备，自动控制布料机启停及运行参数，控制布料速度，实现混凝土浇筑的精准把握，而且下料均匀，振动高效，噪音较小，能够自动清理剩余物料。

2.3.4 完善智能制造系统

智能制造系统是实现全自动流水作业的基础保证，主要由智能制造、智能管理、智能分析等部分组成。智能制造子系统是由智能装备组成的，并且由物联网将各种智能生产装备连接起来，完成预制构件生产过程，数据采集与监控系统负责收集信息数据，并与生产管理子系统通信。生产管理子系统能实现对生产现场产品状态、制造进度、资源计划等方面的智能管控，通过网络与智能分析子系统传输信息。智能分析子系统主要由数据采集、处理、集成、分析、可视化设计等模块组成，主要负责产品制造周期中的数据分析与优化设计，能够实时控制产品设计、生产过程，达到智能优化制造的目的。

利用智能制造系统，充分发挥云端服务优势，从产品类型和生产需求出发，分析优化工艺流程，科学配置生产资源，实现智能生产线的自动建立与运行。智能制造系统的核心要素有智能决策处理系统、智能生产设备、物联网络、分布式控制等，这些装备和技术是实现资源开发利用、实时信息处理、质量跟踪控制的基础支撑，作为智能单元个体，智能设备和功能系统能够实现局部环节的智能处理，在其他系统的辅助下，可以创建人机互联的智能化生产环境，促进智能单元个体向整体智能系统转换升级。

2.3.5 提高智能运输水平

研究预制构件专用运输设备，以往的预制构件运输需要吊装设备辅助，而且在运输过程中容易出现超限问题，如果路况不佳，可能会因颠簸造成损坏。运用带托盘的预制构件专用运输车辆，无须吊装便可以自装卸，在复杂工况和不同荷载要求下，能够满足减震需求，智能托盘进行离地高度调整，减少超限和颠簸破坏问题，同时配备防爆保护装置，能够有效避免托盘坠地。在此基础上，提高运输过程信息化水平，通过配备GPS定位系统、无线通信系统、RFID、传感器，在电子运单传送到运输调度管理系统后，可以智能匹配相关信息，自动制定最佳运输方案，减少资源和能源浪费，在运输时，可以实时查阅预制构件运输情况，精准计算预计到达时间，方便施工现场合理安排场地、人员、机械设备，根据时间节点做好卸货准备。

3 装配式建筑智能建造创新需求分析

3.1 装配施工流程

预制构件在工厂制造完成后组织运输到现场安装施工，通过预留的插筋、孔等进行组合和连接，组装成满足设计要求的整体，主要工艺流程包括定位放线、构件吊装、套筒连接、套筒灌浆、支撑固定、叠合层浇筑等，装配式建筑建造过程对作业精度提出了更高要求，作业内容发生了改变，需要从具体工艺环节出发进行智能建造问题分析和创新研究。

3.2 智能建造问题

狭义上的智能建造主要指在建筑施工阶段，利用大数据、云计算、BIM、物联网、移动通信等技术，创建智慧化建设环境，统筹分配建筑资源，使建设过程更加智能高效。现阶段，我国的装配式建筑智能建造水平比较低，存在许多问题需要解决，比如，吊装机械设备自动化程度低、精度差，实施过程存在一定的质量和安全隐患；节点连接方式依然以灌浆套筒连接为主，灌浆施工主要依靠人工完成；临时支撑精度不高、调整困难等，容易出现资源浪费现象[2]。

3.3 创新需求分析

3.3.1 智能吊装创新需求

预制构件的吊装施工具有较大难度，需要依靠大型机械设备，而且吊装精度把控困难。利用GPS、传感器、RFID等技术，将现场施工要素转化为智能施工对象，能够被感知特性，实时采集信息并传输到施工现场资源要素管理系统，通过智能运算合理调度施工资源，将构件制造信息、吊装施工方案、质量检测信息等传送到工程质量检测系统，将施工现场安全监管信息传送到工程安全预警系统，使整个现场吊装过程处于可视化监管状态。研制智能化吊装设备，开发智能操控系统，提高吊装设备的智能性和操控的便利性，运用具有PLC编程控制器的智能吊装机械，能够自动进行运行状态参数监控和故障诊断，保证预制构件吊装的速度和精度。

3.3.2 智能安装创新需求

预制构件吊装到作业面后，需要进行位置调整和支撑固定，研制高精度自适应斜撑系统，自动测量墙体角度数据，并根据结果自动调整斜撑系统，这样可以有效提高安装精度、减少调整时间。同时，研制智能化灌浆设备，集上料、制浆、注浆等工艺流程于一体，实现自动设计、自动计量、自动配浆、自动注浆、自动清洗，提高注浆施工效果，减少对人工作业的依赖。研制自动铺地设备，根据瓷砖规格、铺装范围等数据，自动进行计算设计、规划调整，完成砂浆涂抹、瓷砖搬运、切割加工等作业，减少建筑材料浪费。研发建筑3D打印设备，解决软硬件兼容问题，设计合适的材料输送系统和打印喷头形式，研发具有优良性能的新型打印材料，解决装配式建筑智能建造的核心问题。

3.3.3 智能管理创新需求

在资源管理方面，除了对预制构件状态的跟踪管理，还应该对机械、人员及其他物料等资源要素加强管理，向现场管理人员和施工人员发放GPS定位器，实时采集人员信息，在其他管理系统的辅助下，能够可视化显示人员位置、状态，自动分析人力资源配置情况，作出针对性优化调整，对施工机械设备统一编码，绑定定位芯片，实时监控位置和运行状态，防止出现机械资源浪费或供给不足的问题。

在进度管理上，依靠物联网进行状态感知，将采集到的进度信息传送到BIM模型中，对比实际进度与计划进度之间的差异，利用大数据重新计算实时数据，优化调整进度计划，实现智能化进度管理。另外，在质量、安全、成本管理方面，同样要以数据信息为基础，利用智能化系统进行实时监控与对比分析，做到有效预警、追踪整改，提高智能管理效果[3]。

4 结语

综上所述，根据装配式建筑特点，智能制造主要针对的是预制构件的生产加工环节，智能建造主要针对的是现场安装施工环节，涉及的行业和技术类型有所不同。在智能制造方面，通过智能设备、智能系统的运用，有利于提高产品生产质量和效率，在智能建造方面，通过关键工艺的智能化改造以及先进管理系统研发，有利于提高现场施工效果，维护各项目标的顺利实现。