鋁模板虛擬拼裝技術應用的研究及探索

李文浩， 何艷軍，王 歡

(1.中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.中鋁國際工程股份有限公司，北京100093)

傳統(tǒng)鋁模板工廠的預拼裝環(huán)節(jié)以人工操作為主，管理成本高、實物費用高、耗時長、占用場地，嚴重制約了鋁模板行業(yè)的發(fā)展。同時，信息化技術的發(fā)展使得虛擬拼裝技術得以實現(xiàn)，使用信息化、智能化手段實現(xiàn)鋁模板的免拼裝已勢在必行。

本文通過利用BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術、光學掃描技術和三維重構(gòu)技術，用信息數(shù)據(jù)連通鋁模板的設計環(huán)節(jié)、加工環(huán)節(jié)和預拼裝環(huán)節(jié)，保證設計端數(shù)據(jù)能準確傳遞到鋁模板的下游工序，有效解決鋁模板企業(yè)的勞動密集型問題和“作坊”式的生產(chǎn)管理模式，促進鋁模板行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低企業(yè)生產(chǎn)和運營成本。

1 背景描述

鋁模板是繼木模板和鋼模板之后出現(xiàn)的新一代模板系統(tǒng)，它是根據(jù)模數(shù)制作設計，經(jīng)過專業(yè)設備擠壓后制作而成，具有重量輕、承載力強、混凝土澆筑質(zhì)量好、施工進度快、周轉(zhuǎn)使用次數(shù)多、安全文明施工水平高、綠色環(huán)保、綜合經(jīng)濟效益好等優(yōu)勢，近年來在國內(nèi)大部分地區(qū)得到推廣應用。國內(nèi)現(xiàn)有鋁模板廠上千家，大多采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，預拼裝環(huán)節(jié)以人工操作為主，一個住宅樓訂單用模板的拼裝費用約為7萬元，需要的時間為10d～15d，所需工作場地超過200m2，存在管理成本高、實物預拼裝費用高、耗時長、占用大量場地等諸多弊端，急需實現(xiàn)信息化和智能化的設計和生產(chǎn)。

2 解決方案

為取代人工預拼裝方案，需要改進鋁模板的設計環(huán)節(jié)、加工環(huán)節(jié)和預拼裝環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 鋁模板虛擬拼裝解決方案Fig.1 Virtual assembly solution for aluminum templates

設計端通過BIM技術設計手段和鋁模板設計軟件中的三維模型實現(xiàn)對設計過程中的“錯漏碰缺”檢查、孔位槽位的檢測、標準率的控制；加工后通過光學掃描技術對鋁模板加工的幾何尺寸進行在線掃描，實現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)與設計模型或圖紙進行實時比對，對加工質(zhì)量進行判斷，第一時間發(fā)現(xiàn)加工錯誤并進行相應處理。利用數(shù)字化逆向工程解決方案，將合格品加工數(shù)據(jù)回傳至BIM設計平臺進行三維模型的重構(gòu)及裝配，充分利用三維裝配精度高、效率快的特點，實現(xiàn)數(shù)字化驅(qū)動模型虛擬預拼裝技術替代方案。

表1為使用虛擬拼裝技術后的應用效果分析，粗略計算一個年產(chǎn)百萬平方米鋁模板的工廠，一年可節(jié)省場地和人工費用達到千萬級，可以節(jié)省的材料資金占用更是數(shù)千萬?？梢?，通過虛擬預拼裝技術的應用，可以顯著提高市場競爭力，加速推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)建筑行業(yè)“以鋁代木”綠色發(fā)展理念的真正落地。

表1 應用效果對比

3 關鍵技術研究

3.1 BIM技術

在傳統(tǒng)預拼裝環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)的設計錯誤會造成連鎖反應，需要進行設計變更、工廠再加工、重復預拼裝驗證等環(huán)節(jié)。實現(xiàn)鋁模板的免拼裝設計，需要確保設計環(huán)節(jié)的準確率。通過BIM技術，可以將設計環(huán)節(jié)的錯誤率控制在1%以內(nèi)，從而避免給后續(xù)環(huán)節(jié)帶來過多的重復性工作。同時，要保證形成的數(shù)據(jù)信息格式與下游環(huán)節(jié)完全兼容。在設計環(huán)節(jié)應用BIM技術，可以實現(xiàn)：

(1)多人協(xié)同設計，一鍵配模，區(qū)域打包，自動生成加工圖和BOM(Bill of Material，物料)清單；

(2)檢測鋁模板間的“錯漏碰缺”、孔位及個數(shù)、槽位及個數(shù)等；

(3)為下游比對環(huán)節(jié)提供兼容的數(shù)據(jù)信息及格式接口；

(4)接收和處理下游環(huán)節(jié)反饋的數(shù)據(jù)；

(5)自動生成構(gòu)件二維碼和工地安裝碼。

3.2 光學掃描技術

為實現(xiàn)鋁模板信息的快速采集，保證測量精度和測量準確度，實現(xiàn)免實物預拼裝的效果，利用基于機器視覺技術的模板輪廓測量方法，采用非接觸式、全視角立體尺寸測量，滿足大尺寸模板檢測測量需求。建立檢測系統(tǒng)和裝置平臺，實現(xiàn)模板生產(chǎn)過程中實時掌握產(chǎn)品外形尺寸與加工質(zhì)量，同時將該采集的數(shù)據(jù)信息作為依據(jù)進行質(zhì)量判定，并向BIM設計平臺反饋。通過對鋁模板進行快速掃描測量，可以實現(xiàn)：

(1)通過對機器視覺采集的數(shù)據(jù)，自動分析計算模板輪廓尺寸；

(2)自動與模板設計尺寸比較，判斷模板加工是否合格；

(3)合格品與不合格品的自動分揀；

(4)向BIM設計平臺進行數(shù)據(jù)反饋。

3.3 三維重構(gòu)技術

對于合格產(chǎn)品，將其掃描數(shù)據(jù)回傳到BIM設計平臺重構(gòu)成實體尺寸的三維模型，并利用二維碼自動定位技術進行虛擬拼裝，進行鋁模板的“錯漏碰缺”、孔位、槽位等的檢測以及自動生成錯誤報表。利用數(shù)字化逆向工程解決方案，不但降低了管理難度，同時也降低了對加工設備的精度和準確率的要求，該方案適合國內(nèi)所有層次的企業(yè)。通過進行三維重構(gòu)，可以實現(xiàn)：

(1)打通構(gòu)件全生命周期管理；

(2)掃描數(shù)據(jù)與BIM設計平臺要無縫銜接，避免數(shù)據(jù)丟失或無法傳遞；

(3)掃描生成的數(shù)據(jù)格式和BIM平臺接收的數(shù)據(jù)格式要進行統(tǒng)一，避免誤讀或錯讀。

4 結(jié)論與展望

未來的工廠將以數(shù)字化智能化工廠為主，傳統(tǒng)勞動密集型工廠必將退出歷史舞臺。通過鋁模板虛擬預拼裝技術的應用，可提高設計效率和準確率，實現(xiàn)實體加工件的數(shù)據(jù)采集以及與設計數(shù)據(jù)的自動對比，并可與生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)對接，進行生產(chǎn)排單和計劃跟蹤，推動鋁模板全生命周期管理，為鋁模板企業(yè)縮減工人數(shù)量、降低用工成本、減少土地投資、加快生產(chǎn)資金周轉(zhuǎn)提供有力支撐。