预制构件生产线和建筑机器人应用研究现状_李建明.pdf

20231Building Construction168预制构件生产线和建筑机器人应用研究现状李建明 陆文胜 徐德意广州市市政工程机械施工有限公司 广东 广州 511399摘要：目前建筑行业仍然是粗犷式发展，整体生产施工自动化程度低，随着劳动力和技工的短缺，建筑行业工业化是未来发展的必经之路。现阶段国内预制构件生产线存在设备自动化程度较低，生产部品非标准化，构件生产工艺不完善等问题。从自动化生产设备和生产工艺方法两方面，介绍了国内外科研院所和厂商最新生产线设备，如中控系统、混凝土搅拌设备、自动钢筋上料绑扎设备、自动拆置模设备、自动布料机和质量监控设备等，并分析了不同生产线生产工艺方法优缺点，对智能动态浇筑和3D混凝土打印等前沿技术进行了展望，为今后生产线设计和智能机器人开发提供了一定的参考。关键词：预制构件生产线；建筑机器人；3D混凝土打印；智能动态浇筑中图分类号：TU17 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0168-05 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.01.043Application Research Status of Prefabricated Component Production Line and Construction RobotLI Jianming LU Wensheng XU DeyiGuangzhou Municipal Engineering Testing Co.,Ltd.,Guangzhou 511399,Guangdong,ChinaAbstract:At present,the construction industry is still developing in a rough way,and the overall level of production and construction automation is low.With the shortage of labor and technicians,the industrialization of the construction industry is the only way for future development.At present,there are some problems in the domestic prefabricated component production line,such as low degree of equipment automation,nonstandard production parts,and incomplete component production process.From two aspects of automatic production equipment and production process methods,this paper introduces the latest production line equipment of scientific research institutes and manufacturers in China and abroad,such as central control system,concrete mixing equipment,automatic steel bar feeding and binding equipment,automatic mold removal equipment,automatic spreader and quality monitoring equipment,analyzes the advantages and disadvantages of production process methods of different production lines,and looks forward to frontier technologies such as intelligent dynamic pouring and 3D concrete printing.It provides a certain reference for the future production line design and intelligent robot development.Keywords:prefabricated component production line;construction robot;3D concrete printing;intelligent dynamic pouring的“三巨头”之一亟需积极转型，装配式建筑相较于传统建筑方式在全寿命周期内可减少碳排放40%3，装配式技术是今后建筑业发展的重要方向。装配式建筑来源于工业流水线的生产模式，将建筑构件的生产搬到生产线上，通过机械化和自动化能够有效地减少劳动力成本、提高生产效率和生产质量，并且降低工人受伤的风险4。现阶段国内预制构件生产线存在设备自动化程度较低，生产部品非标准化，构件生产工艺不完善等问题。Bogue5对比了欧洲11家预制构件生产商和政府部门，发现预制构件生产线的采用确实提高项目的生产率，但是同样也面临了采用高新技术带来成本过高的风险。方爱斌等6以固定台模生产线和移动模台生产线为研究对象，分析了不同生产线单位产品综合能耗指标。杨佳林等7提出了可扩展组合式长线台座法，并研发了相应的生产设备。同时也有很多学者对预制厂生产设备机器人进行了改造升级，Pan等8通过在生产线模具工艺上加入机械臂，大随着城镇化的发展，现阶段我国建筑业产值占比国m内生产总值的1/4左右，属于我国经济支柱产业，在后疫情时代更是关乎民生和我国经济高效稳定增长的关键性产业1。但建筑业仍然处于资源消耗大、污染排放高的粗放型发展模式，并且随着社会生育率的降低，面临着劳动力短缺，从事现场危险复杂工作的劳动工人趋于老龄化，工地现场的安全不足等问题2。为解决上述问题，我国早在2013年就开始制定一系列政策推动装配式建筑的发展，“十四五”规划中提出在2035年全面实现建筑工业化，并且随着国家“双碳”目标的提出，传统建筑业作为碳排放作者简介：李建明（1971），男，本科，高级工程师。通信地址：广东省广州市越秀区环市东路334号市政中环大厦21楼（510060）。电子邮箱：收稿日期：2022-09-28数字建造DIGITAL CONSTRUCTION建筑施工第45卷第1期169大提高了装模拆模的效率，并对比传统工艺发现新型模板系统具有更好的经济收益。Frangez等9基于深度学习设计机器人，利用一组工业摄像机来矫正钢筋网格精度检测。周冲等10结合PC构件生产工艺，提出了一整套全生产工艺的智能物流、柔性装配、智能检测功能的一体化机器人系统解决方案。张良等11采用龙门式直角坐标机器人，以“PC运动控制器”模式设计了置模机器人。现阶段大部分论文研究主要集中在对先进的混凝土施工技术和机器人技术等，本文主要勾画出了现阶段预制构件生产线的基本情况，介绍不同类型生产线之间的差别和主要的设备工艺。并指出了预制厂自动化和智能化的发展方向和进一步需要研究的问题。1 PC自动化生产工艺设备1.1 自动中控系统现阶段大部分预制厂均设有中央主控系统，监控其厂区内的所有生产设备，并将生产数据及生产命令输入到自动化机器里，完成生产线的流程工作。在智能化程度高的预制厂中，中央主控系统主要充当中央管理和控制的角色，不仅要准备各类数据（如构件尺寸，配筋等信息），还需要对流水线进行排产，监控生产过程，追踪项目进展情况。甚至有些中控系统能够实现生产线产品从生产运输安装的全寿命周期的跟踪记录。韦肯曼（Weckenmann）公司的WAvision控制系统就包含生产管理系统（订单管理和构件尺寸CAD数据的可视化）、生产控制系统（生产设备的控制）、工厂可视化系统、库存管理系统和用户反馈系统等。1.2 混凝土搅拌站大部分预制场都配备有混凝土搅拌站，通常混凝土的原料来自不同的供应商，统一储存在筒仓内，配料时由计算机辅助控制系统能够自动实现快速计量。在混凝土集料的混合过程由管理人员控制，在收到项目订单后，管理人员设置混合搅拌时间并通过电机电流监控整个过程。经验丰富的管理人员可以通过电机电流的大小来判断混凝土的流动度是否满足要求，不同设备和集料的差异会影响管理人员的判断。为了更好地控制混凝土的质量，一些预制厂已经开始进一步整合升级监控系统，通过在筒仓和计量器入口处设置湿度探针测量各类集料的含水率来获得一个更加准确的水灰比。一些预制厂采用预先混合骨料和水泥，之后再加入水的方式来保障混凝土的质量。1.3 自动钢筋上料绑扎设备对于专门生产某一类构件的预制厂，通常会购买钢筋笼制作的成套设备自行生产钢筋笼。较为复杂的钢筋笼则需要工人使用弯箍机和焊接设备进行制作。为了提高生产线的自动化，节省人工成本和时间成本，Momeni等12通过3D BIM model导入CoppeliaSim软件中，为机械臂解析钢筋笼的具体信息、规划放置顺序并绑扎，然后研发门式机械臂完成了钢筋笼的制作，如图1（a）所示。对于钢筋网片，现阶段有全自动柔性网焊机，该设备可以直接读取CAD文件中构件的具体尺寸进行钢筋网焊接，并且最小的钢筋间距能够可以达到25 mm。德国MBK公司生产的MSM-M网焊机能够生产钢筋网片的宽度从400 4 000 mm，长度从1 00014 000 mm不等，其网片的平均产量为160 m2/h。装好的钢筋笼或钢筋网片通常采用起重机吊装至模板内，而垫块和支撑定位用的马凳筋仍由人工放置。与吊装用钢筋用的起重机通常也可以装备绑扎机器在上面，在吊装的过程中也可以完成钢筋绑扎，该绑扎机器人可在1 h内完成1 000个钢筋绑扎结，如图1（b）所示。（a）门式机械臂（b）绑扎机器人图1 钢筋自动上料绑扎设备1.4 自动置拆模板设备对于大型构件的预制厂，通常针对某一类构件都备有一整套的钢模模板，并且其模板和流水线生产工艺都较为固定，通常配备了自动化模板机器人，机器人接收构件的尺寸和模板信息，并从模板库中取出对应的模板，将其放置于规划的位置并激活固定模板磁盒，如图2（a）所示。为了防止混凝土浆体从模板的接缝处溢出，通常需要人工手动在模板处注入填缝材料。另外一种模板体系则是柔性模板工艺（Flexible Mould Process，FMP），其不需要采用装卸模机器人，本身可以自动进行重塑13。Adapa公司推出的自适应模板成形技术（Adaptive Mould），如图2（b）所示，不仅能够满足常规构件的需求，甚至于单曲面和双曲面结构也能制造，并且石膏、热塑性塑料、复合材料和玻璃等也能进行加工成形。该模床尺寸为10 m10 m，主要由带有活塞固定点的半柔性膜组成，可以读取CAD文件创建任意曲面。（b）自适应模板成形技术设备（a）自动化模板机器人图2 自动置拆模板设备李建明、陆文胜、徐德意:预制构件生产线和建筑机器人应用研究现状20231Building Construction1701.5 自动混凝土运输机器预制厂中必须有设备能够保证混凝土的正常运输，大多数厂仅采取一条或者多条轨道及输送鱼雷罐组成的运输系统。鱼雷罐通过电机驱动在轨道上运行，导电轨放置在其中一条输送轨道旁边，运输轨道通常由1条或2条轨道组成，如图3所示。鱼雷罐通过打开底部的卸料口或者旋转的方式卸料，旋转的方式适用于长距离运输，打开底部开口适用于短距离运输。控制系统处理完成整个生产、浇筑过程中给设备的所有命令，可以通过无线设备发送命令，也可以追踪混凝土的浇筑过程自动对设备发起下一步的指令。1.6 自动布料设备接收来自鱼雷罐的混凝土后，需要有布料设备将其分配给各个构件，该设备主要包含料斗、分配装置、螺旋输送装置和行走装置。料斗主要是用来承接鱼雷罐运送的混凝土，螺旋输送装置主要承担卸料功能，采用