陈 光 刘纪超 马云飞
(1.三一筑工科技股份有限公司，北京 102200; 2.西安建筑科技大学，西安 710055)
随着建筑行业数字化转型升级，装配式建筑正在向智能建造与建筑工业化方向发展。政府鼓励研发自主知识产权的系统性软件与数据平台、集成建造平台[1]。
本文深入挖掘数字化技术在装配式混凝土结构设计、生产、运输、施工全过程的应用，为数字化技术在建筑业的应用提供项目实例，构建数字化设计、自动化生产、智能化建造的应用思路。探索基于信息化平台的全周期、全要素、全角色的在线协同管理模式，有助于智能建造与建筑工业化的协同发展[2]。
(1)项目设计周期短，对图纸精度要求高，设计数据需指导生产。预制构件设计因其设计内容的特殊性致使传统的CAD二维制图方式难以满足快速、精准的设计要求，也无法输出生产所需数据。因此、本项目创新性地采用国产BIM设计软件，提升设计效率，打通设计、生产、施工各环节数据壁垒[3-4]；
(2)采用新技术、新工艺、新装备，探索数据驱动装备自动化生产。本项目采用具备工业化生产的新型装配式结构技术，并配套国产预制构件生产管理系统和加工装备，以实现预制构件高效、高质量自动化生产[5-6]；
(3)基于统一的预制构件协同管理平台，实现各阶段数据互联互通。建立数据标准、完善系统接口，解决设计、生产和施工数据脱节，各参与方协同难和工作效率低等问题[7-8]。
2.1 项目简介
国家合成生物技术创新中心核心研发基地项目(如图1所示)位于天津市滨海新区天津港保税区空港经济区津滨保(挂)2018-16号地块，总用地面积8.4万m2，总建筑面积为17.7万m2。配套服务区的新建公寓部分采用装配式混凝土预制构件，应用面积2.6万m2。
图1 项目鸟瞰效果图
2.2 项目特点
本项目是装配式建筑混凝土预制构件基于平台全流程数字化应用的典型示范性工程案例。数字化技术的应用分为四个方面：智能化深化设计、自动化生产加工、可视化施工管理和信息化在线协同。针对预制构件的设计、生产、运输和施工及数据管理等环节提供数字化产品和平台。
图2 全流程应用示意图
主要应用流程包括采用创新的装配式结构技术，通过定制化的智能深化设计软件完成预制构件设计，生成图纸、清单和加工数据。数据上传至协同平台，与项目计划关联进行统一的数据管理和传递。工厂接收设计数据后根据项目进度和要货计划进行预制构件合理化生产排产，构件的运输与进场施工采用移动端与WEB端结合的方式进行可视化跟踪管理，确保构件各环节数据留存在平台上，后期可追踪查证。通过上述全流程数字化应用以便达到提高预制构件设计、生产效率，缩短施工周期，降低综合成本，数字孪生交付等目标[9]。全流程应用如图2所示。
3.1 装配式建筑创新结构技术应用
本项目采用装配整体式钢筋焊接网叠合混凝土结构技术(简称：SPCS)，相比传统的装配式结构技术更适合建筑工业化，其创新点一是竖向结构采用空腔构件重量轻易运输；
二是构件四周不出筋，利于生产、运输、施工；
三是构件内部及现浇段采用机械焊接钢筋笼生产效率高；
四是空腔构件内部、空腔构件间采用整体现浇混凝土，安全性能好，防水性强。
SPCS技术示意如图3所示。
图3 SPCS结构技术示意图
3.2 智能深化设计软件应用
设计是数字化全流程应用的数据源头，应采用基于BIM技术的进深化设计工具以保障数据的完整性和准确性。本项目采用基于PKPM-BIM平台研发的针对SPCS结构技术的智能深化设计软件(简称：SPCS+PKPM)。本软件特点：一是国产设计软件，从底层图形引擎到BIM平台均采用国产技术，解决被国外软件市场垄断和图形技术“卡脖子”等问题，可避免数据外漏，有益于国家信息安全；
二是智能化程度高，软件内置SPCS技术的设计规则，使预制构件的建模、拆分设计、深化设计、图纸绘制等均可快速完成，有效提高设计效率；
三是数据上下游对接，软件上游可对接传统结构计算分析软件的模型数据，下游可导出对接工厂生产装备的加工数据以及用于生产、施工可视化管理的模型数据[10]。
软件数据应用流程示意如图4所示。
图4 软件数据应用流程示意图
SPCS+PKPM软件主要设计流程包括：模型创建、拆分设计、计算分析、配筋设计、预留预埋设计、成果输出等六个步骤，具体应用如图5所示。
(1)模型创建
软件支持CAD二维建模，以及PKPM和盈建科软件的计算模型导入。将计算模型导入SPCS+PKPM软件中在模型微调整后即可进行预制构件深化设计。
(2)拆分设计
软件内置了SPCS结构技术设计规则和构件生产、施工常用的构件规格尺寸，快速生成经济、合理的拆分方案，输出装配率、预制率等统计指标。
软件内置SATWE结构计算模块，可实时对模型进行整体分析，验证拆分方案的合规性，并将计算的配筋数据和施工图导入到软件中，作为配筋设计的依据。
(4)配筋设计
软件支持根据传统结构设计的配筋数据和施工图进行构件自动配筋，并提供便捷的配筋调整功能。
(5)预留预埋设计
软件提供预留预埋交互布置，支持P-BIM机电模型导入自动布置预埋件、自动开洞等操作。
(6)成果输出
一键生成全套深化设计图纸、包括：布置图、构件图、预埋件详图和钢筋大样图等；
一键生成构件的BOM清单和生产加工数据。
图5 项目设计软件应用流程示意图
3.3 协同管理平应用
本项目EPC的装配式专项部分采用SPCP/D计划与文档管理系统(如图6所示)，对项目计划进行编制和反馈，实现项目全周期、全要素和全角色的在线协同管理。本系统主要优势有以下几个方面：
(1)计划高效编制及项目建筑实时共享
用户信息需求是参考咨询工作的第一步，用户在何种情况下提出信息需求，以何种方式提出信息需求，提出何种信息需求，都将直接影响到参考咨询工作的全过程。现代化图书馆工作重心已由原来的“以文献为中心”、“以馆员为中心”转变为“以服务为中心”，“以用户为中心”，用户的信息需求影响与制约着图书馆发展，同时也影响着用户服务策略的制定。[4]根据用户的需求去组织信息资源，提供个性化服务是图书馆转变的重心。在图书馆个性化用户服务建设中，应以图书馆用户需求为导向，为用户提供最接近其个性特征的各种信息服务，以满足用户多样化的需求。
图6 SPCP/D计划与文档管理系统
可实现协同编制进度计划，设定参数，上传相关文档等功能。支持多方协同编制进度计划，实时跟踪、同步反馈，多专业(账号)和多地域查看项目最新进展。
(2)文档在线传递、储存、全过程管理
对文档、数据进行实时共享、分发，实现项目文档可追溯。
(3)全方面提示及预警功能
在项目计划中对WBS、里程碑和任务进行预警，个人中心对用户责任范围内的WBS和任务进行提示与预警等。
图7 数据解析流程示意图
4.1 数据解析
SPCI数据解析系统自动提取SPCS+PKPM、PlanBar等输出的构件设计模型，获取构件的设计尺寸、强度、物料清单等，按体系标准重组生产工艺数据，直接驱动设备作业，无需二次翻模和人工处理图纸。
4.2 数据驱动生产
本项目采用三一筑工的SPCS结构技术专用生产线。对接设计软件导出的生产数据，完成自动化的生产，如图7～8所示，主要生产流程包括以下四个方面：
(1)钢筋自动化加工。板构件的网片钢筋和墙构件的梯子型钢筋均可通过钢筋焊接加工装备一次成型，由钢筋投放装备运输到指定工位进行钢筋布置；
(2)机器人布模与划线。装备读取预制构件的轮廓信息，由机械手进行自动布模或者在模台上划线，避免人工放线、布模，大大节省操作时间；
(3)埋件激光定位。通过激光定位仪将埋件的位置投影到模台上，工人根据投影点放置相应埋件和检验埋件位置的准确性；
(4)自动布料与振捣。将BOM清单与加工数据一并导入到装备系统中，根据混凝土体量数据精准布料，避免浪费。
图8 SPCS构件生产流程图
4.3 PCM生产管理系统
本项目采用PCM生产管理系统，实现PC构件在排产、生产、质检、堆场、运输的全过程管理，如图9所示。本系统主要特点如下：
(1)计划驱动，生产过程可控。PCM用计划驱动生产，用质检校验工艺，将生产情况及时反馈给管理人员；
(2)一件一码，全程数字孪生。PCM采用一件一码的管理方式，用标签绑定数字构件与实体构件，实现虚实同步；
(3)自动报表，掌握工厂动态。依靠生产管理、堆场管理和运输管理模块中积累的基本运行数据，PCM自动汇总数据。
图9 PCM生产管理系统
筑享云易吊装(简称：PCC)以吊装施工为核心，提供基于构件数据的施工模拟，要货协同，进场验收，吊装施工，一件一码吊装记录，施工验收与整改等施工全过程管理，实现构件全生命周期追踪溯源与BIM孪生交付。本产品提供WEB端与移动端服务，现场数据同步上传至平台，有效提高装配式建筑施工管理效率，产品界面如图10所示。
图10 PCC产品界面图
未来，建筑业应当加快推进以创新为基础的技术和标准体系建设，推动建筑工业化、数字化、智能化升级，促进行业高质量发展。我认为建筑业向智能建造和建筑工业化转型升级还应做好以下三个方面的工作：
(1)政府部门主导联合各企事业制定行业数据应用标准。标准范围应纵向贯穿覆盖规划、设计、生产、运输、施工、运维全流程，统一数据传递、储存、应用标准；
(2)软件、平台、装备推动国产化发展。随着国际形势日趋紧张化，建筑的信息安全也面临挑战。现如今，建筑行业同其他行业一样，一直存在软硬件几乎被国外垄断的情况，核心技术被“卡脖子”，阻碍了国产化软件、平台、装备的发展；
(3)跨界融合促进新技术应用。加速推进人工智能、物联网、大数据、云平台等创新技术应用，联合互联网领域、制造领域等跨行业的企业，借鉴其发展经验和技术，助力建筑行业转型升级。
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