裝配式建筑的智能化制造與裝配工藝優化*

石夏斌

(中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司 太原 030000)

裝配式建筑作為一種現代化的建造方式,突破了傳統施工的限制,以模塊化、工廠化的生產模式,將建筑構件在工廠中預制制造,然后在現場進行快速、高效的裝配。這種方法不僅縮短了施工周期,減少了資源浪費,更在提高建筑質量和安全性方面表現出色。然而,隨著市場對建筑質量和效率要求的提升,智能化制造與裝配工藝的優化逐漸凸顯其重要性。

1 工程概況

筆者將以陜西某建筑工程項目為例,該項目位于陜西省省會城市,總用地面積為28 500 m2,總建筑面積達到95 700 m2平方米,其中地上建筑面積為71 800 m2,地下建筑面積為23 900 m2。

項目涉及到多棟建筑,包括主樓和附屬建筑,總共分為A、B、C三個標段進行施工。主樓為裝配式建筑,共有6棟,每棟主樓為18層裝配式住宅,地上18層,高度達到54 m,該項目的設計目標是為當地市民提供現代化、舒適的居住環境,同時注重建筑的可持續性和環保性。主樓采用了裝配式混凝土框架剪力墻結構,裝配率達到45%。項目中的預制構件包括預制混凝土剪力墻板、預制樓梯、疊合樓板、預制陽臺板等。

2 數字化設計與BIM 技術

在陜西省建筑工程項目中,數字化設計與BIM 技術的應用為裝配式建筑的智能化制造與裝配工藝優化提供了強有力的支持。通過充分利用數字化設計和BIM 技術,設計、制造和施工等多個環節得以高度協同和精確控制,從而實現了更高效、更精確的裝配式建筑生產。

2.1 數字化設計的應用

在陜西省建筑工程中,數字化設計發揮著關鍵作用,為智能化制造與裝配工藝的優化打下堅實基礎。設計團隊借助先進的設計軟件和工具,通過數字化建模對各個建筑元素進行全過程的精確模擬和優化,這不僅有助于準確地呈現構件的尺寸、形狀和連接方式,還能夠有效地避免傳統手繪設計帶來的誤差以及不確定性。

具體而言,在陜西項目中,每棟主樓的裝配構件均可以通過三維建模的方式呈現,包括預制混凝土剪力墻板、預制樓梯、疊合樓板、預制陽臺板等。每個構件的詳細信息,包括材料、尺寸、連接方式等,都被精確地錄入數字模型中,這些數字模型不僅為后續的生產和裝配提供了準確的依據,也實現了多個團隊之間的協同工作,確保了設計的一致性和可執行性。

2.2 BIM 技術的應用

BIM 技術(建筑信息模型)是數字化設計的重要支持工具,在裝配式建筑的智能化制造中發揮著關鍵作用。在陜西項目中,BIM 技術廣泛應用于設計、制造和施工的各個階段,為整個項目的成功實施提供了堅實的技術支持。

首先,在設計階段,BIM 技術實現了不同專業之間的協同設計。建筑師、結構工程師、機電工程師等可以在同一個平臺上共同設計和交流。通過BIM 技術,他們能夠更加準確地分析和解決設計中的沖突和問題,提高了設計的精確性和可行性。

其次,BIM 技術在制造階段也扮演著重要角色。通過BIM 模型,制造團隊能夠準確地了解每個構件的詳細信息,包括材料、尺寸、連接方式等,這為生產線上的材料切割、成型和連接提供了明確的依據,從而確保了構件質量的穩定性和一致性。同時,BIM 技術還為制造過程的監控和調整提供了數據支持,實現了實時的質量控制。

最后,在施工階段,BIM 技術為現場管理和協調提供了有力工具。施工人員可以通過BIM 模型獲取裝配的指引,確保每個構件的正確安裝位置和順序。與傳統的施工圖相比,BIM 模型更加地直觀和精確,有助于降低人為錯誤和誤差。

3 智能化制造

在陜西省建筑工程項目中,智能化制造是實現裝配式建筑的關鍵一環,通過運用智能設備、機器人技術和數據分析,優化了生產流程,提高了構件制造的質量和效率。

3.1 預制構件制造

在該項目中,預制構件的制造是智能化制造的核心。項目采用了先進的生產線和智能設備,如數控切割機、全自動成形機等,實現了材料的精確切割和成形。每個構件都經過嚴格的尺寸控制,確保在裝配時的準確性。

生產團隊根據BIM 模型提供的信息,準備所需的材料,包括預制混凝土、鋼筋等。每批材料都經過質量檢驗,確保符合設計要求。隨后,進行智能切割。數控切割機根據BIM 模型中的數據,精確地切割材料,獲得所需的構件零部件。切割過程由智能軟件控制,確保尺寸的準確性。在切割完成后,使用全自動成形機進行材料的成形,如預制混凝土墻板的成形。成形過程中的振動和壓實由智能設備自動控制,確?；炷恋木鶆蛐院兔軐嵭?。在材料成形后,需要進行質量檢驗,包括尺寸、外觀和材質的檢查。任何不合格的構件都將被淘汰,以確保裝配的質量。

3.2 裝配線智能化

在陜西項目中智能化裝配線上,智能化技術也發揮了關鍵作用。機器人技術被廣泛應用于構件的組裝和連接,確保裝配的精度和效率。

機器人可以根據BIM 模型的引導,將預制構件零部件進行組裝。利用先進的感知技術,機器人能夠精確識別每個構件的位置和角度,從而實現高精度的定位和連接。在裝配過程中,機器人可以應用力學原理,實現材料的精準壓合、焊接或螺栓連接,確保每個構件在建筑體系中的精確性和一致性。同時,可以利用智能設備實現自動化連接,如預制墻板之間的連接。自動化的連接過程可以消除人為誤差,提高連接的牢固性。在這過程中,為了確保裝配線智能化質量,可以通過數據監控的方式,實時采集基本的溫度、壓力、振動等數據,并對這些數據進行實時分析和比對。通過與預設標準進行對比,系統可以及時檢測裝配過程中的異常情況,如材料偏差、構件位置偏移等,以便盡早發現潛在問題,并進行糾正,從而確保整個建筑系統的可靠性和安全性。具體數據見表1。

表1 陜西項目中智能化制造的實施情況表

4 信息化管理

在陜西省建筑工程項目中,信息化管理是實現裝配式建筑智能化制造與裝配工藝優化的重要手段,通過物聯網技術和數據分析,實時監測和管理生產過程中的數據,從而確保制造環境的穩定性和構件的質量。

4.1 物聯網傳感器的應用

在該項目中,大量的物聯網傳感器部署在生產線上,以監測各個環節的數據變化。例如,溫濕度傳感器:在生產車間中布置溫濕度傳感器,實時監測環境溫度和濕度,這些數據對于混凝土的硬化和構件質量有重要影響,傳感器能夠及時反饋異常情況,以保持制造環境的穩定性;壓力傳感器:在構件成形和連接過程中使用壓力傳感器,監測振動和壓實情況?？梢酝ㄟ^對振動頻率和壓力變化的分析,判斷構件成形和連接的質量;位移傳感器:位移傳感器主要安裝在機器人和裝配設備上,用于測量構件的定位精度。傳感器可以捕捉到任何定位誤差,并通過數據反饋進行校正。具體數據見表2。

表2 陜西省建筑工程項目中物聯網傳感器的應用情況表

表3 模塊化構件在智能化裝配過程中的實時監控數據表

4.2 實時監測和數據分析

物聯網傳感器獲取的數據,可以實時傳輸到數據中心進行分析和處理。具體過程如下:

數據采集:物聯網傳感器實時采集環境數據、生產數據等,將數據發送到中央數據庫。

數據存儲:中央數據庫存儲所有采集到的數據,并根據時間戳進行分類和整理。

數據分析:數據分析軟件對存儲的數據進行處理,識別出異常情況和趨勢變化。例如,通過分析溫度和濕度數據,可以判斷混凝土的硬化情況。

實時反饋:一旦檢測到異常情況,系統會發出實時警報,通知相關人員進行處理。同時,數據分析的結果也可以為制造過程的調整和優化提供依據。

5 模塊化設計

在陜西省建筑工程項目中,模塊化設計是一項關鍵策略,旨在實現裝配式建筑的智能化制造與裝配工藝的優化。通過將建筑劃分為多個獨立的模塊,可以在工廠環境中高效地制造這些模塊,然后在現場迅速組裝,從而提高施工效率、保障質量、減少浪費,實現可持續建設的目標。

首先,設計團隊對建筑進行詳細的規劃和分析,將建筑劃分為不同的模塊,如墻體、樓板、樓梯、陽臺等。每個模塊的尺寸、結構和功能都經過精心設計,以確保模塊在工廠制造和現場組裝時的一致性和互換性。在模塊劃分確定后,制定預制計劃,確定每個模塊的制造流程、工藝和材料需求。預制計劃需要考慮生產工藝、生產設備和工人培訓等因素,以確保模塊的高質量制造。其次,各個模塊在工廠中進行預制制造,以確保模塊的精確制造和一致性。在制造完成后,模塊經過質量檢查,方可通過合適的運輸方式運送至施工現場。在運輸過程中需要采取防震、防水等措施,確保模塊安全到達現場。最后,在進入施工現場后,按照預制計劃和設計要求,對各個模塊進行組裝。由于模塊在工廠中已經經過精確制造,現場組裝可以更加迅速高效地進行。

6 智能化裝配

在陜西省建筑工程項目中,通過引入智能引導系統和虛擬現實技術,可以實現工人在裝配過程中的精確引導和輔助,從而提高裝配的效率、質量和安全性。

(1)引入智能引導系統。在裝配現場,通過引入智能引導系統,工人可以使用移動設備或頭戴式顯示設備,獲取裝配任務的具體要求和步驟。系統會根據設計圖紙和實際情況,為工人提供裝配的指引,確保每個構件按照正確的位置和順序進行裝配。

(2)虛擬現實技術的應用。工人可以通過虛擬現實(VR)技術,以沉浸式的方式預覽裝配的過程和結果,這有助于工人更好地理解裝配要求,減少錯誤和調整的可能性。此外,虛擬現實技術還可以用于培訓施工人員,提升其技能水平。

(3)實時監控與反饋。在裝配過程中,智能化系統可以實時監控每個構件的裝配情況。傳感器可以檢測構件的位置、角度、連接情況等參數,將數據傳輸到中央系統進行分析。如果發現裝配錯誤或不匹配,系統會發出警報并提供相應的糾正建議。具體情況見表3。

數據記錄與分析:智能化裝配系統可以記錄裝配過程中的各種數據,包括時間、步驟、工人信息等,這些數據可以用于后續的分析和優化,幫助識別裝配過程中的潛在問題,并提出改進方案。

7 結語

綜上所述,裝配式建筑的智能化制造與裝配工藝優化不僅是科技與建筑融合的產物,更是建筑行業不斷創新發展的必然結果,這種趨勢不僅在提高建筑效率、質量方面具有重要意義,而且更為未來城市的可持續發展提供了強有力的支撐。因此,在不斷挑戰和探索的過程中,智能化制造與裝配工藝的優化必將引領裝配式建筑持續邁向更智能、更高效的時代。