装配式建筑智能制造和智能建造的创新需求分析

陈雷鸣

（广州工程总承包集团有限公司）

1 引言

装配式建筑近年来在我国快速普及，通过引入人工智能技术，利用机械化、智能化设备进行一体化生产装配，使装配式建筑不断提升智能制造水平。为推进建筑行业可持续发展，有必要深入探究与分析装配式建筑智能制造和智能建造的创新需求，结合创新诉求加快技术研发步伐，在此基础上提升我国建筑领域机械化、智能化程度。

2 装配式建筑智能制造概述

装配式建筑是先在构件工厂展开预制化生产，之后将构件运输至施工现场进行现场装配与安装。装配式建筑在国务院《关于大力发展装配式建筑的指导意见》中的定义是：“用预制部品部件在工地装配而成的建筑”。装配式建筑是建筑行业工业化发展的重要产物，是由传统建筑生产方式转变而来的新型建筑生产方式，充分符合时代发展需求。装配式建筑促进了一体化装修的实现，建筑生产效率明显提升，且更容易管理，符合建筑行业发展中的节能环保需求，属于一种创新、环保、资源节约的建筑生产方式[1]。

装配式建筑也是以智能化、机械化制造方式代替人工制造，促进建筑生产制造方式转变的基础，并在此基础上满足城市化发展提出的工程建设需求，并在提高建筑行业技术水平、智能化水平的基础上吸引更多年轻人才投入建筑行业。

3 基于EPC工程的智能制造面对的问题及创新诉求

3.1 问题

基于EPC工程的智能制造虽然经过多年发展已实现国产化，但还存在诸多问题。

①EPC工程智能制造过程中，数字设计和数字工地实践匹配度低，虽然此类工作在智能制造中保持着较高数字设计水平，但是很多施工作业依旧以现浇抹灰等传统方式实现，数字化程度低。有一些工地虽引入了机器人，但在操作中也只是简单模仿抹灰等传统工作，实施期间与数字化控制系统的联接还存在割裂问题。

②此类工程智能制造中，PC构件采购环节对数字化技术的应用明显不足，不能立足整体层面，通过智能技术科学规划需要采购的零部件产品、机电设备等。

③PC构件涉及到较为复杂的生产工艺，整体标准化程度不高。

④大型设备缺乏良好的联动性，包括起重机械设备、混凝土搅拌设备、钢筋加工设备以及PC生产设备，设备和生产工艺之间也缺乏有效配合[3]。

⑤构件生产中所用设备的信息化和自动化程度有待提高，生产中大多应用的是人工手动单步控制，并且很多关键工位仍然涉及大量人工作业。

3.2 创新需求

通过分析EPC工程的智能制造问题，可明确未来智能制造发展方向。为打造新型智能制造格局，本文梳理几点装配式智能制造创新诉求。

①在装配智能领域引入智能化技术、数字化技术等，打造集设计、科研、施工装配、生产加工于一体的智能制造体系。

②应用二维码识别技术、无线射频识别技术、高速移动通信技术等进行各种装配制造数据处理。

③在EPC工程智能制造中统筹规划零部件产品、装配设施、机电设备等一体化集成设计，同步利用BIM技术建立集成化系统及数字设计平台，促进装配零部件的数字化及智能化升级。

④针对PC构件生产线研发摆模机器人和相关配套模具。在PC构件生产中应用摆模机器人，主要由控制系统、传动系统、机械结构组成。摆模机器人应具备较高控制精度，要求摆模精度误差不超过±2mm，并设置便捷高效、高度开放、具有良好兼容性的人机互动界面，且其控制系统易于移植[4]。另外，通过专用模具的配合使用，可在PC生产线中自动化的进行模具放置、拆卸、固定、回收等操作。

⑤研发集模具和钢筋笼为一体的智能组装设备，该设备能对钢筋笼和模具实现自动化识别、搬运、运输、存储等，同步存储与标记钢筋笼及模具信息，还可自动、准确组装[5]。通过智能组装设备的应用，能够解决搬运、组装钢筋笼以及模具期间存在的安装精度差、组装环节多等问题，还方便自动化识别PC构件，高效建立信息化档案。

⑥针对复杂预制构件，研发精确化、智能化、数字化的混凝土布料技术，通过对混凝土布料智能化设备和关键工艺的研发，可智能化地对布料机的阀门开关进行控制，同步自动控制布料速度、布料机运行情况，在混凝土浇筑环节也能自动化、精确化作业与控制。智能布料设备能够适用于多种塌落高度的混凝土，能够自动控制下料量，保证均匀落料，振动高效且多维，噪音较小。此外，智能布料设备要能够自动、高效、便捷地将料斗中剩余物料全面清除，以防料仓中出现凝结。

⑦针对预制构件产品研发专用运输设备，研发专门用于PC构件运输的车辆，装配有托盘，应用时可在堆场直接放置托盘，不需要进行吊装工作，车辆能够自动化装卸。车辆应用中支持运输超高构件，突破道路限高以及限宽等约束。车辆应满足任意负载、各种工况提出的减震需求，以免构件运输环节发生颠簸损坏[6]。车辆使用中可智能化结合路况情况，自动对托盘离地高度进行调整，车辆应设置有防爆保护装置，以防出现托盘坠地以及构件损坏问题。

4 装配式智能建造面临的问题、对策与创新

4.1 问题

目前，装配式建筑制造中智能化技术应用还比较少，应用时间相对较短，虽然和现浇结构与机械化施工相比，装配式智能建造具有突出优势，但就目前情况来看，装配式智能建造技术还有很长的发展道路，智能建造还存在一系列问题。

①构件吊装设备其智能化与自动化程度有待提升，并且设备精确度并不理想。

②目前所用灌浆设备依旧为人工操作模式，很难智能化的控制灌浆施工质量。

③智能建造中所用临时支撑系统不具有良好的调整性，并且系统精确度也明显不足。

④装配式智能建造中仍然涉及大量人工作业环节，并且很多智能建造工作缺乏技术标准与相关规范，难以为智能建造实践提供参考和约束，一定程度上影响整体建造效率。

4.2 对策

根据上述问题分析，提出几点装配式智能建造问题解决策略。

①针对PC构件研发智能抓取、精确微调与安放设备，由相关设备代替装配式施工现场进行微调、安放、抓取等操作的水平尺、斜拉支撑、吊钩等传统设备。比如，可研发具有较好自适应性且精度较高的斜撑系统，尤其对墙体角度进行自动化测量，并智能显示测量数据，设备可结合测量结果对斜撑系统进行自动化调整，以此大量节约系统调整时间，并大幅提高设备安装精度，相关设备要能适应多种建筑造型。

②针对装配式构件连接过程研发智能化灌浆设备，因为在装配式建筑混凝土施工中，灌浆作业属于关键环节，其施工质量会对装配式建筑整体结构安全产生直接影响。研发智能化灌浆设备，应包含计量称重、上料、控制系统、制浆注浆等，并具备自动规划、自动计量、自动注浆、自动清洗、自动配浆、数据交互等功能[7]。在智能灌浆设备应用下，体现灌注施工的自执行、自决策以及自感知优势，管理人员能够可视化的观察与监控注浆过程以及注浆结果。

③针对施工现场构件吊装研发智能化吊装设备，因为装配式构件大多为大型构件，在吊装装配式建筑主体结构过程中，主要利用塔式起重机或汽车吊。为使吊装更可靠、安全与智能，可专门为吊装环节研发智能操控系统，使吊装设备所做出的吊装行为精度更高，更便于控制和管理。同时，可基于PLC技术研发智能吊装机械，由其对吊装全过程进行智能化的参数监控，同步进行故障诊断与处理。

4.3 创新

装配式智能建造要实现可持续发展，除了要解决目前智能建造所面临的问题，还要不断创新。首先，可研发自动化通用型铺地机器人，机器人运行中可直接从电脑端导入场地瓷砖尺寸、作业区域面积等。另外，机器人当中设置有智能控制芯片，可对工作程序实现自动化计算、调整与规划，运行中能够在作业区域内自动预先涂抹粘合剂或砂浆。机器人的机械臂具有瓷砖搬运、吸附等功能，通过扫描设备或预先设定参数能够自动获取瓷砖间隙宽度，对瓷砖位置实现自动化调整，还能对瓷砖形状、大小等进行自动化切割与扫描[8]。其次，可针对生产线研发配套的建筑3D打印设备。相关设备中的设计软件应具有良好的兼容性。同时，要合理设计打印喷头形式和材料运输系统，以便更精确地进行混凝土布料工作。除此以外，要研发具有较好抗裂性能、保温隔热性能、力学性能的新型打印材料。

5 结语

装配式建筑要完全实现信息化管理、机械化施工与工厂化生产，还有很长的道路要走，在此发展过程中，要积极借鉴多方经验，加强资源整合，关注技术研发，以科技促发展，不断突破装配式建筑智能制造与智能建造面临的技术难题。各相关领域要大力支持与推进装配式建筑智能化产业链发展，不断提高装配式建筑智能建造水平，推进我国建筑行业的转型升级与可持续发展。