装配式建筑的智能化制造与装配工艺优化*

石夏斌

(中铁十二局集团建筑安装工程有限公司 太原 030000)

装配式建筑作为一种现代化的建造方式,突破了传统施工的限制,以模块化、工厂化的生产模式,将建筑构件在工厂中预制制造,然后在现场进行快速、高效的装配。这种方法不仅缩短了施工周期,减少了资源浪费,更在提高建筑质量和安全性方面表现出色。然而,随着市场对建筑质量和效率要求的提升,智能化制造与装配工艺的优化逐渐凸显其重要性。

1 工程概况

笔者将以陕西某建筑工程项目为例,该项目位于陕西省省会城市,总用地面积为28 500 m2,总建筑面积达到95 700 m2平方米,其中地上建筑面积为71 800 m2,地下建筑面积为23 900 m2。

项目涉及到多栋建筑,包括主楼和附属建筑,总共分为A、B、C三个标段进行施工。主楼为装配式建筑,共有6栋,每栋主楼为18层装配式住宅,地上18层,高度达到54 m,该项目的设计目标是为当地市民提供现代化、舒适的居住环境,同时注重建筑的可持续性和环保性。主楼采用了装配式混凝土框架剪力墙结构,装配率达到45%。项目中的预制构件包括预制混凝土剪力墙板、预制楼梯、叠合楼板、预制阳台板等。

2 数字化设计与BIM 技术

在陕西省建筑工程项目中,数字化设计与BIM 技术的应用为装配式建筑的智能化制造与装配工艺优化提供了强有力的支持。通过充分利用数字化设计和BIM 技术,设计、制造和施工等多个环节得以高度协同和精确控制,从而实现了更高效、更精确的装配式建筑生产。

2.1 数字化设计的应用

在陕西省建筑工程中,数字化设计发挥着关键作用,为智能化制造与装配工艺的优化打下坚实基础。设计团队借助先进的设计软件和工具,通过数字化建模对各个建筑元素进行全过程的精确模拟和优化,这不仅有助于准确地呈现构件的尺寸、形状和连接方式,还能够有效地避免传统手绘设计带来的误差以及不确定性。

具体而言,在陕西项目中,每栋主楼的装配构件均可以通过三维建模的方式呈现,包括预制混凝土剪力墙板、预制楼梯、叠合楼板、预制阳台板等。每个构件的详细信息,包括材料、尺寸、连接方式等,都被精确地录入数字模型中,这些数字模型不仅为后续的生产和装配提供了准确的依据,也实现了多个团队之间的协同工作,确保了设计的一致性和可执行性。

2.2 BIM 技术的应用

BIM 技术(建筑信息模型)是数字化设计的重要支持工具,在装配式建筑的智能化制造中发挥着关键作用。在陕西项目中,BIM 技术广泛应用于设计、制造和施工的各个阶段,为整个项目的成功实施提供了坚实的技术支持。

首先,在设计阶段,BIM 技术实现了不同专业之间的协同设计。建筑师、结构工程师、机电工程师等可以在同一个平台上共同设计和交流。通过BIM 技术,他们能够更加准确地分析和解决设计中的冲突和问题,提高了设计的精确性和可行性。

其次,BIM 技术在制造阶段也扮演着重要角色。通过BIM 模型,制造团队能够准确地了解每个构件的详细信息,包括材料、尺寸、连接方式等,这为生产线上的材料切割、成型和连接提供了明确的依据,从而确保了构件质量的稳定性和一致性。同时,BIM 技术还为制造过程的监控和调整提供了数据支持,实现了实时的质量控制。

最后,在施工阶段,BIM 技术为现场管理和协调提供了有力工具。施工人员可以通过BIM 模型获取装配的指引,确保每个构件的正确安装位置和顺序。与传统的施工图相比,BIM 模型更加地直观和精确,有助于降低人为错误和误差。

3 智能化制造

在陕西省建筑工程项目中,智能化制造是实现装配式建筑的关键一环,通过运用智能设备、机器人技术和数据分析,优化了生产流程,提高了构件制造的质量和效率。

3.1 预制构件制造

在该项目中,预制构件的制造是智能化制造的核心。项目采用了先进的生产线和智能设备,如数控切割机、全自动成形机等,实现了材料的精确切割和成形。每个构件都经过严格的尺寸控制,确保在装配时的准确性。

生产团队根据BIM 模型提供的信息,准备所需的材料,包括预制混凝土、钢筋等。每批材料都经过质量检验,确保符合设计要求。随后,进行智能切割。数控切割机根据BIM 模型中的数据,精确地切割材料,获得所需的构件零部件。切割过程由智能软件控制,确保尺寸的准确性。在切割完成后,使用全自动成形机进行材料的成形,如预制混凝土墙板的成形。成形过程中的振动和压实由智能设备自动控制,确保混凝土的均匀性和密实性。在材料成形后,需要进行质量检验,包括尺寸、外观和材质的检查。任何不合格的构件都将被淘汰,以确保装配的质量。

3.2 装配线智能化

在陕西项目中智能化装配线上,智能化技术也发挥了关键作用。机器人技术被广泛应用于构件的组装和连接,确保装配的精度和效率。

机器人可以根据BIM 模型的引导,将预制构件零部件进行组装。利用先进的感知技术,机器人能够精确识别每个构件的位置和角度,从而实现高精度的定位和连接。在装配过程中,机器人可以应用力学原理,实现材料的精准压合、焊接或螺栓连接,确保每个构件在建筑体系中的精确性和一致性。同时,可以利用智能设备实现自动化连接,如预制墙板之间的连接。自动化的连接过程可以消除人为误差,提高连接的牢固性。在这过程中,为了确保装配线智能化质量,可以通过数据监控的方式,实时采集基本的温度、压力、振动等数据,并对这些数据进行实时分析和比对。通过与预设标准进行对比,系统可以及时检测装配过程中的异常情况,如材料偏差、构件位置偏移等,以便尽早发现潜在问题,并进行纠正,从而确保整个建筑系统的可靠性和安全性。具体数据见表1。

表1 陕西项目中智能化制造的实施情况表

4 信息化管理

在陕西省建筑工程项目中,信息化管理是实现装配式建筑智能化制造与装配工艺优化的重要手段,通过物联网技术和数据分析,实时监测和管理生产过程中的数据,从而确保制造环境的稳定性和构件的质量。

4.1 物联网传感器的应用

在该项目中,大量的物联网传感器部署在生产线上,以监测各个环节的数据变化。例如,温湿度传感器:在生产车间中布置温湿度传感器,实时监测环境温度和湿度,这些数据对于混凝土的硬化和构件质量有重要影响,传感器能够及时反馈异常情况,以保持制造环境的稳定性;压力传感器:在构件成形和连接过程中使用压力传感器,监测振动和压实情况。可以通过对振动频率和压力变化的分析,判断构件成形和连接的质量;位移传感器:位移传感器主要安装在机器人和装配设备上,用于测量构件的定位精度。传感器可以捕捉到任何定位误差,并通过数据反馈进行校正。具体数据见表2。

表2 陕西省建筑工程项目中物联网传感器的应用情况表

表3 模块化构件在智能化装配过程中的实时监控数据表

4.2 实时监测和数据分析

物联网传感器获取的数据,可以实时传输到数据中心进行分析和处理。具体过程如下:

数据采集:物联网传感器实时采集环境数据、生产数据等,将数据发送到中央数据库。

数据存储:中央数据库存储所有采集到的数据,并根据时间戳进行分类和整理。

数据分析:数据分析软件对存储的数据进行处理,识别出异常情况和趋势变化。例如,通过分析温度和湿度数据,可以判断混凝土的硬化情况。

实时反馈:一旦检测到异常情况,系统会发出实时警报,通知相关人员进行处理。同时,数据分析的结果也可以为制造过程的调整和优化提供依据。

5 模块化设计

在陕西省建筑工程项目中,模块化设计是一项关键策略,旨在实现装配式建筑的智能化制造与装配工艺的优化。通过将建筑划分为多个独立的模块,可以在工厂环境中高效地制造这些模块,然后在现场迅速组装,从而提高施工效率、保障质量、减少浪费,实现可持续建设的目标。

首先,设计团队对建筑进行详细的规划和分析,将建筑划分为不同的模块,如墙体、楼板、楼梯、阳台等。每个模块的尺寸、结构和功能都经过精心设计,以确保模块在工厂制造和现场组装时的一致性和互换性。在模块划分确定后,制定预制计划,确定每个模块的制造流程、工艺和材料需求。预制计划需要考虑生产工艺、生产设备和工人培训等因素,以确保模块的高质量制造。其次,各个模块在工厂中进行预制制造,以确保模块的精确制造和一致性。在制造完成后,模块经过质量检查,方可通过合适的运输方式运送至施工现场。在运输过程中需要采取防震、防水等措施,确保模块安全到达现场。最后,在进入施工现场后,按照预制计划和设计要求,对各个模块进行组装。由于模块在工厂中已经经过精确制造,现场组装可以更加迅速高效地进行。

6 智能化装配

在陕西省建筑工程项目中,通过引入智能引导系统和虚拟现实技术,可以实现工人在装配过程中的精确引导和辅助,从而提高装配的效率、质量和安全性。

(1)引入智能引导系统。在装配现场,通过引入智能引导系统,工人可以使用移动设备或头戴式显示设备,获取装配任务的具体要求和步骤。系统会根据设计图纸和实际情况,为工人提供装配的指引,确保每个构件按照正确的位置和顺序进行装配。

(2)虚拟现实技术的应用。工人可以通过虚拟现实(VR)技术,以沉浸式的方式预览装配的过程和结果,这有助于工人更好地理解装配要求,减少错误和调整的可能性。此外,虚拟现实技术还可以用于培训施工人员,提升其技能水平。

(3)实时监控与反馈。在装配过程中,智能化系统可以实时监控每个构件的装配情况。传感器可以检测构件的位置、角度、连接情况等参数,将数据传输到中央系统进行分析。如果发现装配错误或不匹配,系统会发出警报并提供相应的纠正建议。具体情况见表3。

数据记录与分析:智能化装配系统可以记录装配过程中的各种数据,包括时间、步骤、工人信息等,这些数据可以用于后续的分析和优化,帮助识别装配过程中的潜在问题,并提出改进方案。

7 结语

综上所述,装配式建筑的智能化制造与装配工艺优化不仅是科技与建筑融合的产物,更是建筑行业不断创新发展的必然结果,这种趋势不仅在提高建筑效率、质量方面具有重要意义,而且更为未来城市的可持续发展提供了强有力的支撑。因此,在不断挑战和探索的过程中,智能化制造与装配工艺的优化必将引领装配式建筑持续迈向更智能、更高效的时代。