基于可擴(kuò)展組合式預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線的生產(chǎn)基地建設(shè)

周 強(qiáng)

上海建工建材科技集團(tuán)有限公司 上海 200086

近年來，隨著我國建筑工業(yè)化的加速推進(jìn)，國家和地方陸續(xù)出臺大量文件，以推動裝配式建筑行業(yè)的發(fā)展。因此，預(yù)制構(gòu)件市場需求不斷增加，預(yù)制構(gòu)件企業(yè)也大量涌現(xiàn)，但在預(yù)制構(gòu)件工廠規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)線建設(shè)、廠區(qū)管理等方面，仍存在生產(chǎn)效率不高、自動化水平較低、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等現(xiàn)象[1]。

本文從基于老廠房改建的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)基地規(guī)劃布局、數(shù)字化生產(chǎn)線設(shè)計與建設(shè)、生產(chǎn)裝備的研發(fā)等方面進(jìn)行介紹和分析，結(jié)合公司建立的裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化基地進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的推廣應(yīng)用，并從產(chǎn)能與能耗等方面對生產(chǎn)基地的建設(shè)效果進(jìn)行了量化分析，以期為預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線的建設(shè)提供參考。

1 基于老廠房改建的生產(chǎn)基地規(guī)劃布局

本節(jié)以公司下屬南通上建建筑構(gòu)件產(chǎn)業(yè)基地為對象，針對基地由原鋼結(jié)構(gòu)廠區(qū)改建成PC構(gòu)件生產(chǎn)基地的規(guī)劃設(shè)計建設(shè)，詳細(xì)分析基于老廠房改建的PC構(gòu)件生產(chǎn)基地規(guī)劃布局。

1.1 生產(chǎn)基地原廠區(qū)整體概況

該基地土地面積112畝（約74 666 m2），廠房由三跨組成，面積達(dá)24 561 m2。職工寢室面積約4 070 m2，堆場與道路面積約30 000 m2。廠區(qū)車間共有27 m跨度車間二跨，高18 m；中間36 m跨度車間一跨，高34 m；三跨連體車間長度均為270 m。廠區(qū)已有辦公室、餐飲宿舍樓等配套設(shè)施，廠區(qū)水、電、氣的供應(yīng)可以滿足PC工廠的相關(guān)需求。

1.2 生產(chǎn)基地整體布局技術(shù)

根據(jù)預(yù)制構(gòu)件廠區(qū)改建的功能性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等需求，在老廠區(qū)已有設(shè)施設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改造升級，在最大限度保留原有設(shè)施的情況下，通過改建，保證新廠區(qū)的生產(chǎn)和生活需要。

1.2.1 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線選擇與配置

本文結(jié)合預(yù)制構(gòu)件市場需求現(xiàn)狀，對廠區(qū)進(jìn)行整體規(guī)劃布局，建設(shè)有3條固定模臺生產(chǎn)線和1條數(shù)字化生產(chǎn)線。

規(guī)劃建設(shè)3條固定模臺生產(chǎn)線，分別分布于外側(cè)兩跨車間內(nèi)，生產(chǎn)線長度270 m，用于生產(chǎn)不適應(yīng)自動流水線生產(chǎn)的異形構(gòu)件及超大板類構(gòu)件。固定模臺生產(chǎn)車間采用地臺模和固定式變頻振動臺模結(jié)合的方式進(jìn)行生產(chǎn)，固定模臺生產(chǎn)線規(guī)劃制作24個3.7 m×9.0 m、72個3.7 m×8.0 m、10個3.7 m×12.0 m高效蒸養(yǎng)模臺。

規(guī)劃建設(shè)有1條可擴(kuò)展組合式預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線，車間跨度27 m，長度270 m，廠房起吊高度9 m，生產(chǎn)線總長271 m，用于生產(chǎn)厚度在450 mm以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化板類構(gòu)件，共設(shè)44個4.0 m×9.0 m可振動流水線模臺，設(shè)計年產(chǎn)能30 000 m3。

1.2.2 輔助配套設(shè)施建設(shè)

根據(jù)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)實(shí)際需要，生產(chǎn)基地需增加混凝土實(shí)驗室、鍋爐房、鋼筋加工車間、構(gòu)件堆場等輔助配套設(shè)施設(shè)備，滿足預(yù)制構(gòu)件的高效生產(chǎn)需要（圖1）。

圖1 原廠區(qū)與新廠區(qū)總體規(guī)劃

2 可擴(kuò)展組合式預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線規(guī)劃布局

生產(chǎn)基地建設(shè)有1條公司自主研發(fā)的可擴(kuò)展組合式預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線（圖2）。本文結(jié)合基地建設(shè)實(shí)際效果，對可擴(kuò)展組合式數(shù)字化生產(chǎn)線的規(guī)劃布局技術(shù)進(jìn)行介紹與分析。

圖2 可擴(kuò)展組合式數(shù)字化生產(chǎn)線布局與生產(chǎn)線實(shí)物

可擴(kuò)展組合式預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線的模臺和裝備，可根據(jù)車間規(guī)模靈活布置和增減，具有生產(chǎn)數(shù)字化程度高、產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)、投資少等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)模臺雙向可擴(kuò)展的高效布局和預(yù)制構(gòu)件的高效生產(chǎn)。模臺原位生產(chǎn)與蒸養(yǎng)，使得生產(chǎn)線生產(chǎn)穩(wěn)定性得到大幅提高[2]。

廠區(qū)原有鋼結(jié)構(gòu)車間總面積4 536 m2，長189 m，跨度24 m。根據(jù)規(guī)劃，車間可布設(shè)3.7 m×9.0 m固定模臺30個，縱向2條生產(chǎn)線分3組布設(shè)，每組5個模臺，每條生產(chǎn)線布設(shè)15個模臺，2條線之間可通過橫向擺渡軌道運(yùn)輸關(guān)鍵裝備完成連接。

可擴(kuò)展組合式預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線模臺底部左右各布置有一內(nèi)一外2條縱向軌道。模臺混凝土澆筑完畢后，振動裝備可沿模臺底部內(nèi)軌道移動至指定模臺完成構(gòu)件的振動密實(shí)工序；生產(chǎn)裝備沿模臺外側(cè)軌道移動，完成構(gòu)件生產(chǎn)各道工序。數(shù)字化生產(chǎn)車間設(shè)有參觀通道、辦公區(qū)、物料堆放區(qū)、成品構(gòu)件運(yùn)輸區(qū)、裝備維修區(qū)等，車間一端設(shè)有混凝土布料機(jī)、混凝土料罐清洗區(qū)。生產(chǎn)線可按產(chǎn)能需求逐條投入生產(chǎn)設(shè)備，模臺布局靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，設(shè)備可靈活優(yōu)化組合。

3 多功能可移動裝備的研發(fā)與配置

本節(jié)在公司自主研發(fā)的可擴(kuò)展組合式預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹數(shù)字化生產(chǎn)線相關(guān)設(shè)備的國產(chǎn)化研發(fā)與功能應(yīng)用等?？蓴U(kuò)展組合式預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線的主要特點(diǎn)是，多功能可移動的關(guān)鍵裝備可在生產(chǎn)線間根據(jù)需要移動到相應(yīng)位置，以滿足生產(chǎn)線模臺原位生產(chǎn)的需要。

主要設(shè)備包括邊模及鋼筋運(yùn)輸安裝一體化設(shè)備、振搗側(cè)翻一體設(shè)備、混凝土布料設(shè)備、清洗噴涂畫線一體化設(shè)備、覆蓋油布設(shè)備、可振動側(cè)翻熱模臺等。

相關(guān)設(shè)備在數(shù)字化生產(chǎn)線中配置后，得到很好的應(yīng)用，提高了生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)水平與生產(chǎn)效率。各設(shè)備功能與應(yīng)用如下：

1）移動式模臺前處理一體化設(shè)備。設(shè)備可將模臺和模具的清潔、脫模劑噴涂及畫線定位等功能集合于一臺裝備中，完成多項工序的高效生產(chǎn)。

2）移動式振搗側(cè)翻一體化設(shè)備。預(yù)制構(gòu)件完成混凝土澆筑與脫模起吊時，該設(shè)備可自行移動至目標(biāo)模臺，鎖緊并頂起模臺后，帶動模臺、模具和混凝土等整體振動或側(cè)翻，完成混凝土振動密實(shí)或構(gòu)件脫模等工序，大幅提高構(gòu)件振搗與脫模效率。

3）可振動側(cè)翻熱模臺。該設(shè)備采用集構(gòu)件制作和養(yǎng)護(hù)于一體的高效熱模臺原位養(yǎng)護(hù)技術(shù)，采取構(gòu)件高效熱模臺與蒸汽養(yǎng)護(hù)罩或養(yǎng)護(hù)油布的混凝土加速養(yǎng)護(hù)裝置組合，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的干熱養(yǎng)護(hù)、濕熱養(yǎng)護(hù)、干濕熱養(yǎng)護(hù)一體等養(yǎng)護(hù)工藝，具有升溫速度快、蓄熱能力好、能源消耗少、生產(chǎn)效率與空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

4）數(shù)字化混凝土布料系統(tǒng)。采用魚雷罐與移動式混凝土布料機(jī)等自動化運(yùn)、布料設(shè)備，實(shí)現(xiàn)混凝土攪拌、運(yùn)輸、布料的全自動過程，大幅提高了預(yù)制構(gòu)件混凝土澆筑效率。

5）可移動油布覆蓋設(shè)備。油布覆蓋裝備是基于一種模臺固定、設(shè)備移動的雙向可擴(kuò)展PC構(gòu)件智能化生產(chǎn)線。模臺固定要求進(jìn)行原位養(yǎng)護(hù)，該裝備可一次性覆蓋多個模臺，方便高效，減少人工操作，解決了在固定模臺上生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件養(yǎng)護(hù)油布自動覆蓋卷起問題。

6）邊模及鋼筋運(yùn)輸安裝一體化設(shè)備。設(shè)備可沿行駛軌道移動，在生產(chǎn)線上方運(yùn)行，通過回轉(zhuǎn)式吊車將邊模、鋼筋、作業(yè)器械以及消耗材料等放置在更換用托盤上，自行移動至生產(chǎn)模臺，解決了生產(chǎn)車間雜亂和行車吊運(yùn)部件存在風(fēng)險等問題。

7）裝備擺渡設(shè)備。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)多條生產(chǎn)線上的設(shè)備在不同運(yùn)行軌道間的橫向擺渡，滿足不同生產(chǎn)線生產(chǎn)工序的設(shè)備需求。

4 預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)管理技術(shù)

4.1 數(shù)字化生產(chǎn)工藝

可擴(kuò)展組合式預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線主要采用構(gòu)件原位并行生產(chǎn)、設(shè)備移動作業(yè)方式完成PC構(gòu)件各工序施工，主要設(shè)備包括振動側(cè)翻一體化設(shè)備、運(yùn)/布料機(jī)、移動覆膜機(jī)、中央擺渡車等移動式生產(chǎn)線設(shè)備，設(shè)備沿模臺兩側(cè)軌道移動，根據(jù)構(gòu)件生產(chǎn)工藝移動至對應(yīng)模臺位置進(jìn)行工序施工。具體施工流程如圖3所示。

圖3 可擴(kuò)展長線臺座法生產(chǎn)線主要設(shè)備與工序流程

采用自動化運(yùn)料設(shè)備將混凝土從攪拌站運(yùn)送至布料機(jī)位置；采用移動式布料機(jī)，移動至對應(yīng)模臺位置進(jìn)行混凝土澆筑；采用移動式可振動側(cè)翻設(shè)備，完成模臺構(gòu)件振動作業(yè)；向可振動側(cè)翻熱模臺空腔內(nèi)通入蒸汽加熱模臺，并利用移動式覆膜機(jī)在構(gòu)件澆筑完成后進(jìn)行覆膜作業(yè)；利用鋼筋及邊模運(yùn)輸一體化設(shè)備進(jìn)行鋼筋邊模運(yùn)輸，減少人工搬運(yùn)或者行車搬運(yùn)作業(yè)，提高作業(yè)效率和安全性。

4.2 數(shù)字化生產(chǎn)管理

4.2.1 數(shù)字化管理平臺

建立預(yù)制構(gòu)件廠內(nèi)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)實(shí)時管理，包括構(gòu)件混凝土澆筑、模具拼裝、構(gòu)件運(yùn)輸?shù)葼顟B(tài)的實(shí)時更新，提高預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)與管理效率，打通構(gòu)件設(shè)計、生產(chǎn)、物流、施工等多個階段信息流，提高預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)業(yè)效率。

4.2.2 數(shù)字化虛擬優(yōu)化布模

圖紙翻樣完成后可集中導(dǎo)入生產(chǎn)系統(tǒng)，通過導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息檢查翻樣是否出現(xiàn)差錯，導(dǎo)入完成后開始布模?？紤]模臺最大利用率原則，充分利用模臺構(gòu)件之間的距離合理布置構(gòu)件位置，系統(tǒng)可選擇人工或自動化布模。生產(chǎn)系統(tǒng)按照導(dǎo)入圖紙進(jìn)行自動排模后，由技術(shù)人員檢查模臺是否最大化利用，可互相調(diào)整模臺構(gòu)件位置、方向等。

4.2.3 數(shù)字化堆場管理系統(tǒng)

生產(chǎn)基地堆場面積較大，構(gòu)件形式多樣化，為便于構(gòu)件運(yùn)輸出廠時查詢，采用數(shù)字化管理系統(tǒng)對堆場進(jìn)行管理。系統(tǒng)對堆場進(jìn)行庫位劃分，根據(jù)構(gòu)件類別對堆場進(jìn)行管理，不同類別的預(yù)制構(gòu)件堆放位置不一樣，以便于統(tǒng)一管理，可查詢每個堆場里有多少個庫位，以及每個庫位上是否有構(gòu)件。構(gòu)件從車間運(yùn)往堆場時，采用數(shù)字化標(biāo)簽方式對構(gòu)件信息進(jìn)行錄入，以方便對構(gòu)件編號、庫位編號、項目編號、狀態(tài)、入庫單號以及出庫單號等進(jìn)行查詢（圖4）。

圖4 虛擬布模工藝與數(shù)字化堆場管理系統(tǒng)

5 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)基地建設(shè)效果分析

5.1 產(chǎn)能與勞動生產(chǎn)率計算與分析

針對預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)能，可從理論上進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步估算。先計算出生產(chǎn)線模臺總面積，再根據(jù)構(gòu)件市場實(shí)際情況估算出生產(chǎn)線上各類構(gòu)件數(shù)量比例，并估算各類構(gòu)件生產(chǎn)時在模臺上的面積利用率，從而計算出生產(chǎn)線各類構(gòu)件產(chǎn)能。對比不同生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率是分析生產(chǎn)線建設(shè)效果的重要指標(biāo)。生產(chǎn)線勞動生產(chǎn)率是在計算出生產(chǎn)線總的產(chǎn)能后，通過分析生產(chǎn)線人員配置情況，計算出每人每天的混凝土產(chǎn)量，以此指標(biāo)評估生產(chǎn)線建設(shè)效果。

南通上建建筑構(gòu)件產(chǎn)業(yè)基地，固定模臺生產(chǎn)線可生產(chǎn)各類常規(guī)和異形構(gòu)件，如陽臺、樓梯、飄窗、梁柱、空調(diào)板、夾芯墻板、疊合板等，3條生產(chǎn)線共設(shè)模臺106個。固定模臺生產(chǎn)車間生產(chǎn)各類構(gòu)件年產(chǎn)能約76 000 m3。對于可擴(kuò)展組合式預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線，當(dāng)生產(chǎn)線按7∶2∶1比例生產(chǎn)預(yù)制疊合板、墻板、梁柱等構(gòu)件時，單班預(yù)制構(gòu)件年產(chǎn)能達(dá)29 000 m3，兩班預(yù)制構(gòu)件年產(chǎn)能可達(dá)58 000 m3，勞動生產(chǎn)率可達(dá)2.36 m3/（人·d）；當(dāng)生產(chǎn)線全部生產(chǎn)預(yù)制疊合板構(gòu)件時，單班預(yù)制構(gòu)件年產(chǎn)能約達(dá)16 000 m3，兩班預(yù)制構(gòu)件年產(chǎn)能可達(dá)32 000 m3，勞動生產(chǎn)率可達(dá)1.26 m3/（人·d）。

5.2 能耗分析

建筑構(gòu)件產(chǎn)業(yè)化基地外購能源由電力、天然氣組成。公司1#生產(chǎn)線2019年3月蒸養(yǎng)工藝能耗為18 591.60 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，其他工藝能耗為1 821.43 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，產(chǎn)量為1 765.412 m3；2#生產(chǎn)線2019年3月蒸養(yǎng)工藝能耗為16 193.47 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，其他工藝能耗為1 225.81 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，產(chǎn)量為1 537.692 m3。建筑構(gòu)件產(chǎn)業(yè)化基地生產(chǎn)車間單位產(chǎn)品綜合能耗如表1所示。

表1 生產(chǎn)車間單位產(chǎn)品綜合能耗

根據(jù)表1和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值要求，南通上建構(gòu)件公司預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)蒸養(yǎng)工藝及其他工藝環(huán)節(jié)的單位產(chǎn)品能耗均低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)值，其中：生產(chǎn)車間蒸養(yǎng)工藝能耗約為現(xiàn)有裝配式建筑混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗指標(biāo)值的16.4%，其他工藝能耗約為現(xiàn)有裝配式建筑混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗指標(biāo)值的26.8%；南通上建構(gòu)件公司預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)蒸養(yǎng)工藝能耗約為裝配式建筑混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗指標(biāo)先進(jìn)指標(biāo)值的32.0%，其他工藝能耗約為先進(jìn)指標(biāo)值的62.8%。

6 結(jié)語

本文通過對裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)基地規(guī)劃布局技術(shù)、數(shù)字化生產(chǎn)線布局技術(shù)、生產(chǎn)工藝技術(shù)等進(jìn)行研究和分析后，量化分析生產(chǎn)基地實(shí)際產(chǎn)能和能耗等建設(shè)效果，證明可擴(kuò)展組合式預(yù)制構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線的產(chǎn)能和勞動生產(chǎn)率相較于傳統(tǒng)固定模臺和其他數(shù)字化生產(chǎn)線大幅提高，生產(chǎn)基地綜合能耗減少50%以上，相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。