中清大科技股份有限公司

　　清华大学建筑设计研究院有限公司

　　一、基本情况

　　(一)案例简介

　　中清大钢筋桁架固模楼承板生产线是用于生产免拆模非金属楼承板的自动化生产线(图1，以下简称生产线)，生产线具有效益高、质量优、消耗低、人工省、环境好等优势，实现部品部件的柔性化、精益化生产。目前生产线已在德州、石家庄、张家口、成都等多地实施并投入生产，生产线服务的建设工程涵盖混凝土及钢结构住宅、公建等项目，为生产企业带来了可观的经济效益。

　　图1中清大钢筋桁架固模楼承板生产线

　　(二)申报单位简介

　　中清大科技股份有限公司成立于2013年11月，是清华大学建筑设计研究院有限公司控股企业。公司旨在将清华大学建筑设计研究院的科研成果及专利技术转化为生产力，面向装配式建筑产业提供全系列装配式技术解决方案，推动装配式建筑产业化发展。

　　清华大学建筑设计研究院有限公司成立于1958年，是国家甲级建筑设计院，依托清华大学的学术、科研和教学资源，作为教学、科研和实践相结合的基地，十分重视学术研究与科技成果的转化。

　　二、案例应用场景和技术产品特点

　　(一)案例应用场景

　　中清大钢筋桁架固模楼承板生产线为专业生产免拆模非金属楼承板(简称固模楼承板)的成套生产设备。固模楼承板具有标准化程度高、重量轻、吊装运输难度小、楼板整体性好、施工速度快、无需二次抹灰、综合造价低等优势，该产品的市场需求日益广泛。然而传统的手工生产方式较为落后，生产过程中的焊接、打孔、组装等工序依赖大量人工，生产效率低，生产环境差，粗放式生产只是简单的把施工现场的工作放在工厂进行，无法实现固模楼承板的规模化生产。

　　为帮助企业从粗放生产模式向自动化精益生产模式转变，中清大科技股份有限公司依托清华大学建筑设计研究院有限公司较高的新产品和新工艺研发能力，研发了具有自主知识产权的固模楼承板产品和配套生产线。该生产线将先进的工业技术与前沿的建筑技术相融合，设备占地小、投资少、自动化程度高，大大降低了部品的生产成本，缩短了部品的供货期，形成一定技术优势。

　　(二)技术方案要点

　　中清大钢筋桁架固模楼承板生产线实现了固模楼承板的自动化生产，生产线的设计年产能可达100万㎡。生产线的技术要点如下：

　　1.先进的生产工艺布局。为减少人工固定模台生产的弊端，中清大科技股份有限公司研发了先进的生产工艺布局如图2所示，设备模块化组装，以步进移动的输送线链板为主线，设备自动吊放钢筋桁架、钢筋网片、固模底板等原材料，并自动实现焊接、装垫块、打孔、拧钉等系列操作，最后成品自动翻转码垛。

　　图2固模楼承板生产线工艺布局

　　2.集成工业先进技术。通过对各工序的功能分析进行自动化技术定制开发，集成应用了工业和信息技术领域先进成果，如组装机器人、焊接机器人、视觉系统追踪焊点、智能排产、自动喷码、可追溯系统等。

　　3.大幅减少生产用工。生产线研发定位为全自动化生产，钢筋桁架、钢筋网片、底板等自动化上料，焊接、装垫块、打孔、拧钉等全部采用机械手操作，成品自动翻转码垛，大幅减少生产工人数量，只需少数叉车司机和补料员辅助生产备料。

　　4.控制系统易操作易维护。生产系统自动按日订单排序生产，仅需人工按提示补料，图形化操作面板易掌握，如图3所示。

　　图3控制系统图形化界面

　　5.多个板型同时共线生产。可根据生产订单实现自动切换不同板型的程序，可实现快捷换产。

　　6.生产线具有开放的接口。设备具有开放接口，可通过联网与工厂ERP、MES系统集成。同时，中清大公司总部已建成远程视频监控系统和大屏产能统计分析，如图4所示。

　　图4中清大公司总部大屏远程监控

　　(三)关键技术经济指标

　　中清大钢筋桁架固模楼承板生产线自动化程度高，与现有手工生产方式相比，具有一定优势。下面以生产1.2米宽的常规标准楼承板为例，在同等生产占地1000平米条件下，自动化生产的单班日产量可以提高两倍以上，用工减少四分之三，产品返修率降低，生产环境大为改善，供货期极大缩短，具体详见表1。自动化生产模式与手工生产模式相比，能有效保障企业在相同时间内为更多工程项目生产供货，以石家庄基地为例，自2020年生产线投产以来，已经服务建设了100万平米的项目工程，近一年为基地新增销售额达9000万元，并减少了人工成本等其他费用，为基地带来了良好收益。

手工生产模式和自动化生产模式对比表表1

　　(四)创新点

　　中清大钢筋桁架固模楼承板生产线创新点如下：

　　1.生产线自动化运行，工艺布局优化合理，工业化程度高，生产效率高;

　　2.生产线集成工业先进技术，如精准对位技术、焊接机器人、智能排产、远程运维等;

　　3.输送机构、组装夹持机构、排料机构、定位机构、翻转机构等，替代人工操作;

　　4.生产线控制系统图形化操作，具有补料提示，生产人员仅需面板操作、补料和监控等作业;

　　5.不同板型可共线生产，根据生产订单实现快捷换产;

　　6.生产线具有开放接口，可实现设备联网，同时支持与BIM、ERP、MES系统集成。

　　(五)市场应用总体情况

　　中清大钢筋桁架固模楼承板生产线已在德州、石家庄、张家口、成都等地实施并投入生产，生产线投产后可快速形成规模化生产，四个基地总产能达到年供应固模楼承板400万㎡以上。目前生产线累计服务建设工程项目已达300万㎡。

　　生产线具有产品供货周期短，产品质量高，用工少，造价低，利于规模化推广应用等优点，生产线服务的建设工程涵盖混凝土及钢结构住宅、公建等项目，为生产企业带来了可观的经济效益。

　　三、案例实施情况

　　(一)案例实施过程

　　下面主要以石家庄基地建设的中清大钢筋桁架固模楼承板生产线为例，着重介绍将原来手工生产方式转变为自动化生产模式的具体实施过程。

　　1.原有手工作业模式。石家庄生产基地位于石家庄市辛集高新技术开发区，其主要生产产品为固模楼承板。工厂原来需要依靠大量人工组装生产，需要人工焊接，打孔、翻板等(如图5所示)。

　　图5石家庄基地原来人工生产现场

　　原有人工生产存在如下问题：人力用量大，人工成本高，各工位人数共计40人以上;生产效率低，日产量最大800㎡;人工错误率高，劳动强度大;生产占地大，生产管理困难，窝工情况严重;环境污染，粉尘无法回收;无法跟上工程建设进度，影响企业信誉，降低企业总体收入。

　　2.现有自动化作业模式。通过研发攻关为石家庄基地实施固模楼承板自动化生产线，解决了上述诸多难题，具体措施如下：

　　一是优化产线布局。通过合理的产线布局，以输送系统为核心，各工位顺次布置，通过各工序的节拍优化，实现各工位统一步调联动生产。楼承板整线占地仅为长60m，宽10m，生产线占地大幅减少，改造后生产线如图6所示。

　　图6中清大石家庄基地楼承板生产线

　　二是钢筋产品自动化生产。钢筋产品由工厂全自动化的钢筋生产线加工，通过桁吊或叉车批量上料，生产线具有缺料预警提示，双上料工位一备一用实现不停机补料。

　　三是研发钢筋和底板上料机械手。上料机械手如图7所示，自动运行抓取原料到输送线上，抓取部分在断电时有防坠落保护。

　　图7上料机械手

　　四是采用自动连接锁紧机器人。连接件排列送料、打孔、锁紧等全自动化运行，推力及扭矩实时监测可控，实现无人化生产，整排连接件批量作业稳定高效。

　　五是采用视觉焊接机器人。机器人与视觉系统结合，自动寻找焊接点，机器人焊接采用低飞溅焊接技术。

　　图8自动视觉焊接机械手

　　六是采用自动翻板和码垛机械手。成品自动码垛如图9所示，设备完成工作后进入待机状态，耗电量低。

　　图9翻转码垛机械手

　　七是实现多板型共线生产。因为实际项目中楼板规格较多，通过在系统内预设了不同板型的加工程序，可根据生产订单实现快速换产。

　　八是改善生产环境。生产线集成了粉尘回收系统，工厂环境干净整洁。相比原有粗放式生产，自动化生产可节水、减少垃圾产生量、减少能耗，工人工作环境大大改善，并建立良好企业形象。

　　九是实施成品二维码追溯。基于BIM系统自动生成产品二维码并打印，实现设计、生产、施工、运维的协同，构件的批次、规格、质量、位置等信息实现数字化管理并可追溯。

　　十是开放设备接口。生产线各分机均通过以太网与主控电脑连接组网，可以远程诊断实时监测，实现总部进行产能统计和远程运维。

　　(二)创新举措

　　在石家庄基地建设中清大钢筋桁架固模楼承板生产线的过程中实现的创新举措如下：

　　1.运用模块化组装，实现个性化生产。整条生产线采用模块化组装，占地小。可根据现场不同需求，灵活改变设备的工艺布局。生产线集成智能排产算法，可根据项目板型需求，实现多种板型共线生产。

　　2.采用图像分析技术，打造标准化生产。为解决建筑行业原材料误差大的问题，整条生产线重要节点采用视觉分析软件，智能识别组装有效提高生产线容差率，从而确保生产构件品质。

　　3.集成智能模块，完善智能化服务延伸。设备具有开放接口，通过在生产线上添加智能模块，打造“互联网+”制造，实现设备联网与运行数据采集，并可利用大数据分析提供多样化智能服务。

　　四、应用成效

　　(一)解决的实际问题

　　1.实现了建筑施工由现场建造向工厂制造的转变。楼板传统现浇施工工艺较复杂，施工中需要模板切割、支立安装、钢筋铺设、模板拆除等作业，人工劳动繁复，工作环境恶劣，不利于安全生产。中清大钢筋桁架固模楼承板生产线通过将先进的工业装备替代繁重的人工作业，减少了传统施工现场的模板和钢筋工程量。如图10所示为固模楼承板施工现场。

 

　　图10中清大固模楼承板施工现场

　　2.提升了部品质量和生产效率。国内现有技术的装配式楼板生产线多以手工或半自动生产方式为主，生产过程中钢筋绑扎、弹线定位、打孔拧钉、人工翻转等需要大量工人，产品质量参差不齐。固模楼承板生产线通过研发集成多项工业和信息领域先进技术，减少生产用工，有力保证了产品质量和生产效率。

　　3.降低了部品生产成本和缩短供货期。生产成本高和供货期长是当前预制部品面临的两大难题。当多个工程项目同时要货，经常出现部品供应无法满足施工进度的要求，造成工地窝工等待构件的情况，给企业带来经济损失。固模楼承板生产线集成的智能排产和多规格共线程序可通过电脑输入每日工作任务，按工作单自动生产并指导备料，不仅可以降低用工成本，还可以节水、节能、节时、节材，保证项目进度，缩短施工工期。

　　4.解决了设计、生产、施工不协同问题。楼板部品应用中既要满足设计单位的定制要求，又要有利于工厂组织生产，还要方便施工现场装配。生产线定制开发的多规格共线生产程序、基于BIM的可追溯系统、快速换产、视觉识别系统、工业机器人等多项技术，使生产线成为衔接部品设计、生产、施工的良好纽带，生产备料准时化，生产设备网络化，生产信息透明化，实现全建造过程的协同管理，如图11所示项目效果图。

　　图11生产线服务项目的效果图

　　5.解决了部品生产基地投入产出周期长的问题。生产线通过优化的工艺布局和模块化设计，占地面积小，地面无需专属基础，安装调试周期短，标准工厂45天完成调试生产。生产线图形化操作界面易于掌握，经过简单培训即可上岗。生产线日常维护简单，具有安全预警和远程运维等功能，方便故障排除。通过自动化生产线的实施，大幅提高了工厂产能，使工厂在同一时间能服务更多的工程项目，为企业带来了良好的经济效益。

　　(二)对行业的借鉴意义和推广价值

　　中清大钢筋桁架固模楼承板生产线通过将建筑业与工业化、信息化深度融合，探索了装配式建筑产业的发展新模式。通过自主研发突破多项关键生产技术，建设了全自动生产线和工艺成套装备，提高了生产自动化、数字化和智能化水平，支持部品部件生产企业更好的服务工程项目。

　　1.生产效益。生产线自动化生产，降低了人工劳动强度，提高了产品质量，降低了用工成本;生产线易操作好维护，兼容多板型共线生产，提高了生产线产能;远程客户端可进行快速有效的设备运维和故障排除;干净整洁的生产环境和高效快速的需求响应，为企业带来了良好的社会效益和经济回报。

　　2.施工效益。自动化生产保证了供货周期，建造时间与传统现浇基本持平;减少模板工程和钢筋工程等工序，用工大幅降低;由于成品钢筋工厂焊接，对质量、安全更加有保证;楼承板整体质量轻便，便于运输、吊装、安装，大大节省了施工时间和成本。自动化生产保障了固模楼承板产品的质量和供货期，得到了甲方和施工方的高度认可和肯定，具有良好的推广应用价值和广阔的市场前景。

　　执笔人:

　　中清大科技股份有限公司(孙文婷、周树海)

　　清华大学建筑设计研究院有限公司(于雅天、刘斌、侯建群)

　　审核专家:

　　骆汉宾(华中科技大学，教授)

　　张声军(中国建筑科学研究院，研究员)