[00130840]探索天津裝配式建筑結構件智能制造技術與系統創新模式研究

①課題來源與背景 （1）課題來源 課題來源于2017年天津市科技發展戰略研究計劃-加快推進我市智能制造創新發展研究項目。 （2）課題背景 作為國民經濟的支柱產業之一的建筑業,目前仍廣泛采用現場澆筑的傳統建造方式,造成資源浪費高、勞動強度大、現場管理混亂、污染嚴重、能源消耗大等諸多問題,迫切需要新型建造技術替代傳統建造方式,利用先進工業化技術、智能管理模式改造自身,實現綠色化、智能化,更好地發揮建筑業拉動經濟增長、促進社會就業以及提升居住環境。 ②研究目的與意義 在現有的建筑工業化和建筑產業現代化理論的基礎上,結合制造業的智能制造的理念,充分融合和利用互聯網信息技術、BIM 技術和機器人建造技術以及3D打印技術等,建立一套適用于裝配式建筑結構件的智能生產模式,實現對結構件的設計、生產和施工的智能化,解決傳統建筑施工中的諸多問題,從而將建筑工業推向“智造”,為客戶輸出智能化的產品與服務,推動建筑工業轉型升級和實現“智能+”裝配式建筑具有重要的戰略意義。 ③主要論點與論據 （1）建立了裝配式建筑結構件的智能制造技術架構理論模型及其智能制造系統架構模型 理論模型分為兩個層,分別是前端技術層和支撐技術層。前端技術層是基于智能制造等新技術組成并生產出智能產品,包括了智能服務、智能設計生產與施工裝配和它的延續-智能產品。 架構模型由智能裝備組成的制造模型、生產管理信息系統組成的生產管理模型、云服務和大數據組成的智能分析模型三個模型組成。其中制造模型完成裝配式建筑構件生產工藝過程,在這個層面上,物聯網連接各個智能生產裝備,由SCADA采集數據,并通過網絡與生產管理模型通信;生產管理模型完成對生產過程進度、現場管理、產品技術狀態的監控以及對生產計劃及資源的智能管控,通過網絡與智能分析模型進行信息傳輸;智能分析模型由數據收集、集成、處理、分析和可視化設計五個模塊組成,完成對產品制造全生命周期中的數據分析與可視優化設計。 （2）建立基于數字孿生環境的裝配式建筑結構件設計系統框架 系統分為功能支撐、技術實現、設計應用三個層級。功能支撐層包括“統一知識模型管理子系統”、“多源異構數據關聯管理子系統”、“分布式協同設計計算子系統”,用于為技術實現層提供知識模型庫、大數據挖掘能力和高速并行計算環境。 技術實現層包括“信息物理融合的模型驅動設計仿真平臺”（ 搭建并生成裝配式建筑結構件及裝配體）、“VR、AR可視化與虛擬驗證平臺”（ 提供高度交互性、精細化的演示驗證環境）、“基于數字孿生的現場建造裝配平臺”（提供敏捷設計開發及驗證平臺）。 設計應用層實現用戶不同個性化需求而進行的具體設計應用。 （3）構建了數字孿生環境下的結構件生產模式 數字孿生生產模式（Digital Twin Production Mode）通過物理生產加工與虛擬生產加工的雙向真實映射與實時交互,在生產加工孿生數據的驅動下,實現生產全過程要素管理、生產活動計劃、生產加工過程控制等在物理環境、虛擬環境、生產服務系統間的迭代運行。 （4）完成了鋼筋結構件柔性生產線的虛擬仿真軟件 ④創見與創新 （1）建立了裝配式建筑結構件的智能制造生產模型,實現由工業機器人和3D打印技術構成的精益化產品生產方式。 （2）建立了數字孿生環境的裝配式建筑結構件設計模式和結構件生產模式,實現設計、供應、制造、服務的并行組織和協同優化。 ⑤社會經濟效益,存在的問題 項目研究成果是“智能+裝配式建筑”新型生產模式及實現方式,形成“智能+裝配式建筑”新型生產建造模式,實現大批量定制、個性化量產,縮短研制周期,降低資源能源消耗,提高產品穩定性,使建筑生產行業技術水平取得跨越式的發展,從目前的手工勞動1.0提升到“工業4.0”水平。 另外經濟效益和社會效益也將是顯著的。首先裝配式建筑結構件的智能制造模式可以使生產成本降低。通過典型示范性應用,讓相關企業認識到智能制造模式帶來的以產品為中心向以用戶為中心轉變、成本競爭轉向滿足個性化需求的競爭、低成本勞動競爭轉向知識型員工競爭、生產方式將逐漸從少樣多量的大批量制造逐漸轉向少量多樣的制造的趨勢及企業自身競爭力的提高,起到社會推廣的作用。其次其使用成本遠遠低于傳統建筑,所以在全生命周期上裝配式建筑具備極高的經濟效益。作為一種全新的建筑方式,裝配式建筑具有節能環保的作用。裝配式建筑達到使用壽命后,其自身有一部分材料可以進行回收再使用,能夠將其轉變成為具有新型節能功能的材料,進行重新建設。通過相關數據統計顯示,裝配式建筑結構方式的殘值可以取8% ,而傳統的則為4% 。 最后,在“智能+”裝配式建筑的大力推廣進程中,也使建筑生產工人的環境發生了極大的轉變,降低工人勞動強度,提高生產效率,從原先的手工勞動轉變為自動化乃至智能化。