欢迎扫码关注

首页

基于装配式建筑智能建造的思考与实践

时间:2021-05-04

一、引言随着建筑业环境污染、劳动力短缺、自然资源紧缺等问题越来越显著,建筑工业化成为必然发展趋势。在建市[2020]60号《住房和城乡建设部等部门关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》中指出:“到2025年,我国智能建造与建筑工业化协同发展的政策体系和产业体系基本建立,建筑工业化、数字化、智能化水平显著提高,建筑产业互联网平台初步建立,产业基础、技术装备、科技创新能力以及建筑安全质量水平全面提升,劳动生产率明显提高,能源资源消耗及污染排放大幅下降,环境保护效应显著。推动形成一批智能建造龙头企业,引领并带动广大中小企业向智能建造转型升级,打造“中国建造”升级版。到2035年,我国智能建造与建筑工业化协同发展取得显著进展,企业创新能力大幅提升,产业整体优势明显增强,“中国建造”核心竞争力世界领先,建筑工业化全面实现,迈入智能建造世界强国行列。”从国家政策我们可以看出通过多产业跨界融合,将数字化技术应用到装配式建筑设计、生产、施工全流程中,实现装配式建筑智能设计、自动化生产、标准化施工是发展趋势,结合在线管理平台满足各利益相关方或参与方的有效协同工作,使装配式建筑各阶段达到更好的综合效益,建筑品质得到显著提高.

二、行业现状在市场需求和政府双重推动下、装配式混凝土结构作为建筑产业现代化的主要结构形式迅速发展。 尽管数字化技术应用于预制构件工业化生产中,对提高生产效率和产品质量,改善生产管理有积极的作用,但实际应用情况却不理想。主要表现在以下几个方面:(1)现有传统装配式结构体系存在诸多问题及难点。如预制构件侧面出筋导致的构件生产自动化程度低,后浇带连接导致的模板及钢筋作业量大,工人需求量大,构件自重大导致塔吊型号大、现场吊装困难、运输不便,现场钢筋连接导致的质量管控困难等。(2)预制构件设计采用BIM设计软件较少。主要问题是基于BIM技术的深化设计软件由于功能尚不完善,智能化程度低、费用相对较高等因素,导致市场应用量低,大部分仍然以CAD二维设计为主。(3)预制构件生产效率低。主要面原因是除部分国外设计软件和生产管理系统外,大部分国产深化设计软件与生产管理系统不匹配,数据流不通畅,无法实现数据驱动生产。而且国内工厂受限于成本等原因,极少采用成套自动化生产线。大部分工厂构件生产依旧以工人看图手工生产为主,只是将原施工现场的工作搬到工厂中,没有从本质上解决生产效率和精度等问题。(4)施工效率和质量难以保证。现阶段装配式建筑专业吊装工人较少,施工阶段缺少标准化流程和实时监管手段,急需运用数字化手段进行改造升级。(5)设计、生产、施工各阶段脱节。装配式建筑对建筑结构设计有不同的要求,往往传统设计人员对装配式技术体系了解不深,也没有充分考虑预制构件生产企业的设备条件、预制工艺及现场的装配工艺,再加上各参与方缺少统一的在线协同管理平台,导致信息不对称,拆分后的构件规格不够标准化、模具重复利用率低、生产施工埋件考虑不全、生产施工效率低等一系列问题,无疑增加了项目成本,无法体现装配式建筑的优势。

三、研究与实践为有效的改善装配式建筑发展现存的问题,三一筑工科将工业化思维融入建筑业,在结构技术体系上寻求创新,结合数字化技术开展了一系列关于软件、平台、装备的开发和研究工作,推出了包括设计、生产。施工全流程的一系列产品。助力建筑工业化发展。具体应用主要包括以下几个方面:(1)结构技术(SPCS):研发符合建筑工业化的装配式结构技术体系,可满足工厂自动化生产,现场吊装便捷,建筑防水、安全等性能优异;(2)深化设计软件(SPCS+PKPM):根据SPCS结构体系特点,结合现阶段预制构件深化设计流程,打造一款智能化的快速深化设计软件,不仅满足预制构件设计全部需求,还可导出满足构件生产的加工数据;(3)生产管理系统(SPCI)和成套装备(SPCE):将设计软件生产的加工数据导入工厂生产管理系统,数据解析后传入生产装备,完成构件自动化生产;智能化、自动化的钢筋加工装备及PC生产线的应用,大大提高构件生产效率和构件质量;(4)数字工地(SPCC)运用IOT、云技术打造数字工地,对人、机、料、法、环进行在线管理,确保施工效率和质量。(5)协同管理平台(SPCP/D):协同管理平台作为数据的管理中心,将装配式建筑设计、生产、运输、施工全过程数据进行管理云端化,实现全角色、全要素、全周期在线管理。1.结构技术三一筑工通过对现有装配式结构体系的调研与分析,与中国建筑科学研究院联合研发,推出了装配整体式钢筋焊接网叠合混凝土结构技术(简称:SPCS),利用混凝土叠合原理,把竖向叠合构件、水平叠合构件、墙体边缘约束构件等通过现浇混凝土结合为整体,充分发挥了预制混凝土构件和现浇混凝土的优点。同时该结构体系钢筋及构件适合标准化设计,智能化生产,快速化安装,真正实现了工厂制作、现场快速安装的装配式建筑的要求。通过试验验证了叠合构件的受力性能与整体浇筑构件一致。SPCS全装配式空腔结构采用钢筋焊接网的叠合剪力墙结构体系和叠合框架结构体系。突破性的提出了新型叠合剪力墙、叠合柱构造等叠合构件及各种连接形式。该结构体系具有如下创新性优势: 1)墙板采用机械焊接钢筋网片构造,端部不需出筋,可实现大规模工业化、自动化生产需要,节省人工,降低综合生产成本;2)预制部分既参与受力又兼做模板,可实现免外模板安装,边缘构件范围内采用成型钢筋笼,辅助定型铝模及安装装备,极大的减少了现场钢筋、模板工作量、各工种交叉作业及现场人工用量,施工高效便捷;3)构件质量轻,便于运输、吊装及安装;4)体系采用可靠易检的钢筋搭接连接方式,取代了现阶段装配式建筑中常用受制于现场操作水平的灌浆套筒连接和浆锚连接,质量安全可控;5)竖向构件内核及连接节点为整体现浇,结构整体性好,解决了装配式建筑易开裂、防水性能差等质量通病。 6)该体系包含叠合剪力墙、叠合框架柱、叠合框架梁、预应力叠合梁等预制构件,可构建剪力墙、框架、框架-剪力墙结构体系,实现了住宅、办公、商业等常规建筑形式的全覆盖。2.设计软件预制构件的深化设计与传统施工图设计存在较大差异,其设计图纸数量大,制图精度高,采用二维设计很难做到快速、高质量出图。因此,为解决这一痛点,三一筑工联合中国建筑科学研究院研发了拥有自主知识产权并嵌入专利技术的SPCS+PKPM智能深化设计软件。本软件最大的特点一是智能化程度高,构件设计、构件配筋、构件出图均可自动化完成,其次,BIM数据设计、生产全流程打通,设计软件可导出直接对接三一筑工智能化PC生产设备的加工数据,实现设计数据驱动工厂生产。国产设计软件对接国产生产加工装配实现基于SPCS构件的自动化生产,这项技术在国内属于首创。本软件主要功能包括预制构件模型的创建、拆分方案设计、整体计算分析、构件配筋、预留预埋布置、钢筋碰撞检查、装配式指标统计、图纸绘制,加工数据导出等。模型创建阶段,软件可导入结构计算模型,以此为基础进行装配式建筑深化设计,省去重复翻模过程,大大缩短设计周期。方案设计阶段,软件内置SPCS结构技术设计规则,快速制定拆分方案,自动完成构件拆分,通过内置的SATWE计算模块,验证拆分方案的合规性。深化设计阶段,可快速根据计算结果完成预制构件配筋,并可进行短暂工况验算、构件编号,深化调整、预留预埋交互布置、钢筋碰撞检查等操作。成果输出阶段,软件可导出预制构件详图、BOM清单,加工数据U文件和JSON数据,为构件加工生产提供数据。3.生产系统及装备三一筑工继承了三一集团传统的智能制造能力,其研发的PC生产装备和SPCI成套工业管理系统在智能化、自动化程度上相比国内其他产品有一定的优势。成套工业软件SPCI。主要包括SPCI-ERP(生产管理系统)和SPCI-MES(装备管理系统)。SPCI-ERP围绕工厂“五”大员,厂长、技术经理、线长、质量主管、计划和物料管理主管的业务,从人、机、料、法、环、测进行运营管理和分析。SPCI-MES 对装配实现智能化管理,确保构件高效、高质量生产。SPCI是制造智能的大脑,将SPCS+PKPM软件导出的设计数据进一步解析为机器数据,由在线施工进度计划拉动,按一件一码排程到SPCF数字工厂,直接驱动智能装备少人化、自动化生产,最后通过在线运输实现JIT(Just In Time)交付。SPCI-PCM构件管理系统。该系统是面向PC构件厂,PC构件生产管理的轻量化应用。系统基于一件一码的构件清单,对项目订单、构件生产、库存、发运进行全过程的管理和跟踪,使构件生产过程可控,交付进展可视。智能生产加工装备。作为数据应用的最终执行者,让建筑业摆脱千百年手工建设的方法,用智能制造为建筑生态赋能。SPCS预制构件生产均采用国产智能化、自动化加工生产装备,包括:机械手自动布模装备、自动化钢筋加工/输送/投放装备、PC专用混凝搅拌站/混凝土传输装备、预留预埋激光定位装备、自动流转模台、脱模翻转机、构件恒温养护窑、专业高效运输车等。只有预制构件生产做到自动化、智能化、少人化,用数据驱动生产,才能保证装配式预制构件高效、高质生产。4.数字工地在施工方面,通过现场部署物联网硬件,实现人、机、料、法、环、测全要素在线,为项目ESQCD管理提供决策依据,升级施工现场为智能制造工地。1) 项目进度,自动从项目管理平台抓取关键数据,通过里程碑地铁图实时反映项目进度里程碑完成情况以及构件安装总数。2) 工地在线,展示项目基本信息,包括:工地总数及在线数、机械总数、人员总数、合同总额、建筑面积。3) 物料在线,展示装配式项目核心物料PC构件、钢筋及混凝土的实时进场量、安装量和库存量4) 通知公告,滚动播放企业或项目相关的通知及公告。5) 人员在线。实时反映现场人员出勤人数及出勤率,可实现建设方、施工方、劳务方多维度展示6) 机械在线,展示塔吊的实时工作效率及在线情况。7) 环境在线,展示施工现场实时环境数据,包括:AQI指数、PM2.5、PM10、噪声、风速、湿度、温度数据信息8) 三线数据,通过标准化的现场监控部署,实现施工现场可视化、精细化管理。除此以外,针对装配式建筑预制构件吊装管理,三一筑工开发了SPCC易吊装系统,对预制构件施工阶段进行全流程管理。6.协同管理平台研发全流程在线协同管理平台,实现人、机、物、法、环、测数字化信息全程在线,平台的可视化管理功能,进一步强化各专业间协同,减少因“错、漏、碰、确”导致的设计变更,达到设计效率和设计质量的提升,降低成本;通过多方在线协同、智能化设计、项目在线管理、数字工厂在线管理、数字工地在线管理工的云端应用,为装配式建筑设计开启了新的协同模式,基于云平台的数字化技术应用将成为装配式建筑的未来。

四、结语把建筑工业化我们要做的不仅仅是装配式建筑预制构件的工业化生产,更应该是运用智能制造的思维和技术对整个产业进行全面的转型升级。从技术出发,研发工业化的装配式结构体系、智能化的BIM设计工具,高效的生产管理系统和自动化的生产线,多种途径推动建筑工业化发展。设计数据驱动自动化生产,全角色全要素云端化协同,以及人工智能和物联网等技术的全面应用,将成为未图8 SPCC易吊装系统来发展的趋势。相信在不久的将来,随着BIM技术的日渐成熟,跨专业跨领域的技术融合,建筑工业化必将迎来新的发展洪流。

参考文献:[1] 徐照,占鑫奎,张星. BIM 技术在装配式建筑预制构件生产阶段的应用[J]. 图学学报, 2018, 39(6): 1149-1155. [2] 王巧雯. 基于BIM技术的装配式建筑协同化设计研究[J]. 学术论文专刊, 2017, 1(16): 18-21[3] 高强. BIM技术在装配式建筑应用过程中存在的问题及对策[J]. 建设科技, 2020, 1(399): 83-85[4] 吴大江. BIM技术在装配式建筑中的一体化集成应用[J]. 建筑结构, 2019, 24(49):[5] 《装配整体式钢筋焊接网叠合混凝土结构技术规程》TCECS 579-2019

关闭