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，采用螺杆强制卸料。在卸料口宽度内均布排列多个螺杆，每个螺杆由单独的变频电机驱动，如图4所示。整个布料过程是混凝土进入料斗后，开始启动分配装置，根据部件位于分配器的不同区域，打开螺旋输送装置以分配混凝土。然而，由于采用自动化布料设备时存在计量困难的问题，常常导致混凝土方量计算偏少，因此仍然有预制厂继续采用人工方式进行混凝土浇筑。德国Unitechnik（优立泰克）公司针对混凝土的计量分配问题，研发了一套用于控制主机的算法。混凝土洒布机按照既定路线沿着模板撒布混凝土。根据布料机的卸料宽度、卸料阀门的数量，混凝土的流动度和产品尺寸，控制系统计算出布料机的最优行进路线和混凝土的量，并将命令发送给布料机，提高生产精度和效率。图3 自动混凝土运输机器 图4 自动布料设备1.7 自动养护和抹面设备对于预制构件养护也是生产中重要的一环，不同的养护方法决定了不同的生产周期，养护方法包含热养护、微波能量养护和二氧化碳养护等。热养护一般采用蒸汽养护，是预制厂运用最广的，相较于普通养护的混凝土，蒸汽养护能够在早期明显地增加混凝土水化产物和提高微观结构的致密性。但是由于“高温损伤效应”（HDE），蒸汽养护对混凝土的长期性能带来不利的影响。微波能量养护方法，它利用绝缘材料在高频电磁场里的加热原理，能够均匀迅速地从构件内部进行加热，加速水化反应，其本质与热养护方法相同。对比蒸汽养护，微波养护升温迅速，自由水分子并且在构件内部迅速升温蒸发，使得混凝土在收缩时其孔隙结构更加致密。二氧化碳养护方法，是将二氧化碳与混凝土中的钙化合物和水化产物在一个较短时间内混合反应，不断地碳化可以增强混凝土骨料之间的黏结强度，并且生成的碳酸钙可以填补水化反应产生的孔隙，增强混凝土的耐久性。碳化养护一般在混凝土浇筑24 h后，并且对其中二氧化碳的浓度、压力及与混凝土的渗透性有较高的要求。很多预制厂自建有蒸养室，构件生产后堆叠在模架上同时养护直至脱模（利用抬升架将构件运至相应的插槽内），如图5所示。构件被运送至指定的养护室也需要一个自动控制系统进行协调。一些预制厂甚至研发了带有刮刀进行自动抹面的光面系统。图5 自动养护、打磨设备1.8 质量控制设备现阶段，预制厂对于产品的质量监控主要依靠技术人员的能力和经验，产品质量管控不稳定。而通过自动化，可以将非常耗时且劳动力密集型的人工测试，并入构件生产线内。许多现代化的预制厂中都拥有一整套依附在生产线上完整的质量控制措施。该种监控方式对员工的依赖性小，并且可收集更加长期的数据用于产线的优化方面。现代化预制厂采用人工和自动化的质量控制工艺对全生产过程进行监控。在搅拌阶段，各个集料筒仓中均配备了湿度探头以获取各类集料的含水率，而骨料级配、集料堆积密度和水泥的流动度测试则由技术人员手动测试，以此来控制混凝土搅拌后的坍落度。对于混凝土成品，Rebolj等14基于激光扫描BIM模型，通过将不同构件等级分类，提出一种激光点云关键参数和点云质量评价方法，并通过3种扫描方法验证其准确性。扫描相机搭配BIM技术也可用在成品制造、安装阶段，由于磨损造成的一些瑕疵早期就可发现，并尽早修复。同样在运输安装阶段，也可以利用RFID或GPS等技术对其进行监控，方便管理人员实时发现运输安装中的问题，并及时采取应对策略。相对于传统模板成形的混凝土，数字混凝土和3D打印混凝土在制造过程中具有分层堆叠、无须振捣和无模板的李建明、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建筑施工第45卷第1期171特点，因此3D打印混凝土检测项目需要考虑在不同加载方向上其抗压、抗拉强度，同时还需要考虑堆叠层之间的黏结强度。3D打印混凝土的耐久性涉及项目也多于普通混凝土，主要包括特征化孔隙率、传导系数（气体渗透性、碳化、氯离子扩散等）和加速劣化试验。2 PC自动化生产线生产工艺方法在过去的几十年里，工业界研发了各类生产线生产方式来适应不同的工程需求，而不同的生产方式以生产模台的状态为区分，主要分为模台保持静止（固定模台生产线、设备移动模台固定生产线）、模台移动（移动式模台生产线）和不需要模台（智能动态浇筑、3D打印等）。2.1 固定模台生产线固定模台生产线，在整个生产过程中模台固定不动，生产线集成所有的生产设备（如浇筑设备、振动设备、蒸汽养护设备），各个设备依次在模台间流动。混凝土是由主控系统负责配料，并由搅拌站搅拌供应，之后通过运输系统运输给布料设备，安装钢筋笼后，浇筑和振捣混凝土。固定模台生产线作为20世纪最为广泛运用的生产模式，适用于大型或异形以及工艺较为复杂的构件，但是由于生产工艺较为落后，自动化程度低，仍有较大的提升空间。2.2 移动式模台生产线对于移动式模台流水生产线，所有的工艺操作（清理、涂油、绑扎钢筋、养护和拆模）都是在一个模台上进行的，模台带着模具通过传输系统连续从一个工序转移到另一个工序，形成流水线。现在传输系统并不是以线形展开，而是通常以环形方式展开，该形式能够节省更多的生产空间和时间。对于带有环形生产线的预制厂，机械和工序都是静止在原地，模台运载在运输系统，通过各类机械和工人完成工序。移动式模台生产线主要参考工业界流水线建设思想，因此可以根据工业流水线的优化理论对预制构件移动式模台生产线进行升级。王中原等15利用遗传算法，以模台的最大使用率为优化目标，对矩形板件生产线进行优化，提高了生产效率。Chen等16利用开放式排队网络模型模拟一个制造预制浴室单元的AGV柔性生产线，利用退火算法以厂房空间为优化目标，解决了柔性生产线的优化问题。随着移动式模台生产线自动化和机械化的不断发展，越来越多的生产管理场景问题需要更多的优化算法和模型来 解决。2.3 智能动态浇筑智能动态浇筑（Smart Dynamic Casting）是一种特殊浇筑形式，将滑模技术和数字混凝土结合起来的新型制造工艺，通过在自密实混凝土中加入缓凝剂和促进剂，使得混凝土能够像橡皮泥一样注入进模具中，并且在浇筑工程中需要精准的材料控制，如图6所示。智能动态浇筑有几个技术难点，首先需要研发出一种特种混凝土材料，不仅要求材料能够具有一定的流动度，还需要其能承受其自身质量。其次，考虑混凝土材料重力挤压过程下的极限值，由于结构形状较大的表面-体积比（较小的水动力半径），结构成形过程中摩阻力更容易受到工艺的影响，容易在结构表面留下波纹。最后，实现材料制备和结构构件塑性过程的自动化。Lloret-Fritschi等17研发了一整套适用于标准和非标准的竖向受力构件的制作工艺和机器人设备，它首次将放置钢筋和浇筑混凝土整合到智能动态浇筑中。图6 智能动态浇筑2.4 增材制造技术增材制造技术（Additive Manufacturing Technology）在建筑行业内通常指3D混凝土打印（3D Concrete Printing，3DCP），该项技术分为挤出型3DCP和粉末基3DCP（D型工艺）。现阶段对3DCP主要研究集中在挤出型3DCP，该方式具有打印成形速度快，更容易实施和高效利用材料等特点。对于挤出型3D打印技术，混凝土通过喷嘴以连续的长丝形式喷出，喷嘴有各类形状，如矩形、圆形和胚珠形，喷嘴可以安装在龙门架或者机械臂上完成打印过程，打印速度在50500 mm/s之间。其工艺主要分为轮廓工艺（Contour Crafting）和混凝土打印（Concrete Printing）。轮廓工艺通常是挤出2层水泥基材料来建造一个垂直的混凝土模板，之后在空心模板内完成钢筋绑扎、混凝土浇筑等工作，如图7（a）所示。混凝土打印同样采用挤压技术，但其采用高性能纤维增强混凝土，因此其构件的强度高于轮廓工艺。对于现场的3DCP，则需要改进混凝土材料，同时也需对泵送压力和喷嘴的挤出压力利用特定的设备进行增强，如图7（b）所示。粉末基3DCP，是通过喷嘴有选择地喷射液体黏结剂到需要打印的粉末基床层上，使粉末颗粒与之结合，完成细节复杂的结构。该技术的优点之一就是不需要支撑结构就能完成悬臂结构的打印。但是粉末基3DCP对打印材料要求较高，黏结剂通常采用镁基胶凝材料，细骨料则仅仅一小部分快硬型水泥、铝酸钙水泥、氧氯化镁水泥和超高性能混凝土等才能运用在该项技术上。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 Construction172（a）轮廓工艺（b）进行增强的特定设备图7 3D混凝土打印3 有待研究的问题1）最早多用于浇筑缩尺模型，随着浇筑试样的比例增大，表面积-体积比例也将增大，导致浇筑过程中模板中的摩擦力增大，构件成形过程中会在表面留下一系列的竖向条纹，影响浇筑质量。2）为了缩短混凝土的凝结时间，加入过多的早强剂可能会影响混凝土本身的耐久性能。3D混凝土打印，作为数字混凝土的发展方向，在大规模运用前需要克服一些问题：1）如何将放置钢筋和打印混凝土结合起来。2）大量泵送打印混凝土材料需要控制流动性和早期强度，而混凝土的收缩性能和长期耐久性需要深入研究。3）对于3D混凝土打印结构的质量检测和验收标准如何合理规范。4 结语本文主要介绍了现阶段预制构件生产厂的最新生产工艺和技术，主要结论如下：1）现阶段预制构件厂各个生产工序中自动化、机械化和数字化仍然处于较低阶段，引入先进工艺和设备对于生产工序效率的提高有着重要意义。2）根据预制构件的生产工艺详细阐述了各个工序现阶段的自动化机械化的发展现状和研发方向。3）根据是否需要模台和模台是否移动，可将现阶段的生产工艺方法分为固定模台法、移动模台法、智能动态浇筑和增材制造，其中移动模台法的生产效率、定制化程度较高，现阶段技术支持完善，可实现大规模推广落地，是今后一段时间内的发展方向。4）智能动态浇筑和3D打印还处于探索阶段，需要解决混凝土材料的流动性和早期强度、设备工艺参数和成品质量检测等问题，距离大规模的建筑工业生产还有一定的距离，但仍然具备发展前景。尽管建筑业推行自动化和机械化有很多阻力和限制，但是不可否认实现建筑业的自动化和机械化是当务之急。开展建筑、工业、计算机科学等多个学科领域的深度协作是实现建筑工业化的必要条件，今后的研究重点应放在打破各个领域之间的障碍。1 王俊,赵基达,胡宗羽.我国建筑工业化发展现状与思考J.土木工 程学报,2016,49(5):1-8.2 李忠富,刘世青.我国建筑业劳动力短缺问题现状及其影响分析J.建筑经济,2015,36(2):18-21.3 徐静.双碳背景下建筑企业装配式建筑业务绿色低碳发展路径研 究J.价值工程,2022,41(17):165-168.4 李忠富,李晓丹,韩叙.我国工业化建筑领域研究热点及发展趋势 J.土木工程与管理学报,2017,34(5):8-14.5 BOGUE R.What are the prospects for robots in the construction industry?J.Industrial Robot:An International Journal,2017,45(1):1-6.6 方爱斌,朱敏涛.不同预制构件生产线生产工艺及能耗指标分析研 究J.混凝土,2021(1):127-131.7 杨佳林,朱敏涛,周强.可扩展组合式长线台座法预制构件生产线的 研发与应用J.混凝土与水泥制品,2020(12):76-78.8 PAN M,PAN W.Advancing formwork systems for the production of precast 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