[00130840]探索天津装配式建筑结构件智能制造技术与系统创新模式研究

①课题来源与背景 （1）课题来源 课题来源于2017年天津市科技发展战略研究计划-加快推进我市智能制造创新发展研究项目。 （2）课题背景 作为国民经济的支柱产业之一的建筑业,目前仍广泛采用现场浇筑的传统建造方式,造成资源浪费高、劳动强度大、现场管理混乱、污染严重、能源消耗大等诸多问题,迫切需要新型建造技术替代传统建造方式,利用先进工业化技术、智能管理模式改造自身,实现绿色化、智能化,更好地发挥建筑业拉动经济增长、促进社会就业以及提升居住环境。 ②研究目的与意义 在现有的建筑工业化和建筑产业现代化理论的基础上,结合制造业的智能制造的理念,充分融合和利用互联网信息技术、BIM 技术和机器人建造技术以及3D打印技术等,建立一套适用于装配式建筑结构件的智能生产模式,实现对结构件的设计、生产和施工的智能化,解决传统建筑施工中的诸多问题,从而将建筑工业推向“智造”,为客户输出智能化的产品与服务,推动建筑工业转型升级和实现“智能+”装配式建筑具有重要的战略意义。 ③主要论点与论据 （1）建立了装配式建筑结构件的智能制造技术架构理论模型及其智能制造系统架构模型 理论模型分为两个层,分别是前端技术层和支撑技术层。前端技术层是基于智能制造等新技术组成并生产出智能产品,包括了智能服务、智能设计生产与施工装配和它的延续-智能产品。 架构模型由智能装备组成的制造模型、生产管理信息系统组成的生产管理模型、云服务和大数据组成的智能分析模型三个模型组成。其中制造模型完成装配式建筑构件生产工艺过程,在这个层面上,物联网连接各个智能生产装备,由SCADA采集数据,并通过网络与生产管理模型通信;生产管理模型完成对生产过程进度、现场管理、产品技术状态的监控以及对生产计划及资源的智能管控,通过网络与智能分析模型进行信息传输;智能分析模型由数据收集、集成、处理、分析和可视化设计五个模块组成,完成对产品制造全生命周期中的数据分析与可视优化设计。 （2）建立基于数字孪生环境的装配式建筑结构件设计系统框架 系统分为功能支撑、技术实现、设计应用三个层级。功能支撑层包括“统一知识模型管理子系统”、“多源异构数据关联管理子系统”、“分布式协同设计计算子系统”,用于为技术实现层提供知识模型库、大数据挖掘能力和高速并行计算环境。 技术实现层包括“信息物理融合的模型驱动设计仿真平台”（ 搭建并生成装配式建筑结构件及装配体）、“VR、AR可视化与虚拟验证平台”（ 提供高度交互性、精细化的演示验证环境）、“基于数字孪生的现场建造装配平台”（提供敏捷设计开发及验证平台）。 设计应用层实现用户不同个性化需求而进行的具体设计应用。 （3）构建了数字孪生环境下的结构件生产模式 数字孪生生产模式（Digital Twin Production Mode）通过物理生产加工与虚拟生产加工的双向真实映射与实时交互,在生产加工孪生数据的驱动下,实现生产全过程要素管理、生产活动计划、生产加工过程控制等在物理环境、虚拟环境、生产服务系统间的迭代运行。 （4）完成了钢筋结构件柔性生产线的虚拟仿真软件 ④创见与创新 （1）建立了装配式建筑结构件的智能制造生产模型,实现由工业机器人和3D打印技术构成的精益化产品生产方式。 （2）建立了数字孪生环境的装配式建筑结构件设计模式和结构件生产模式,实现设计、供应、制造、服务的并行组织和协同优化。 ⑤社会经济效益,存在的问题 项目研究成果是“智能+装配式建筑”新型生产模式及实现方式,形成“智能+装配式建筑”新型生产建造模式,实现大批量定制、个性化量产,缩短研制周期,降低资源能源消耗,提高产品稳定性,使建筑生产行业技术水平取得跨越式的发展,从目前的手工劳动1.0提升到“工业4.0”水平。 另外经济效益和社会效益也将是显著的。首先装配式建筑结构件的智能制造模式可以使生产成本降低。通过典型示范性应用,让相关企业认识到智能制造模式带来的以产品为中心向以用户为中心转变、成本竞争转向满足个性化需求的竞争、低成本劳动竞争转向知识型员工竞争、生产方式将逐渐从少样多量的大批量制造逐渐转向少量多样的制造的趋势及企业自身竞争力的提高,起到社会推广的作用。其次其使用成本远远低于传统建筑,所以在全生命周期上装配式建筑具备极高的经济效益。作为一种全新的建筑方式,装配式建筑具有节能环保的作用。装配式建筑达到使用寿命后,其自身有一部分材料可以进行回收再使用,能够将其转变成为具有新型节能功能的材料,进行重新建设。通过相关数据统计显示,装配式建筑结构方式的残值可以取8% ,而传统的则为4% 。 最后,在“智能+”装配式建筑的大力推广进程中,也使建筑生产工人的环境发生了极大的转变,降低工人劳动强度,提高生产效率,从原先的手工劳动转变为自动化乃至智能化。