湖南三一快而居住宅工业有限公司

一、基本情况
（一）案例简介

湖南省三一榔梨预制构件数字工厂（以下简称榔梨PC数字工厂）以“数字化驱动”、“智能化作业”、“信息化管理”为指导思想，将智能装备技术、工业软件技术应用至预制构件生产全过程，各单体设备在统一的组织调度、标准体系和平台界面下协同作业，提升了关键信息在各设备、各工位之间传递的时效性、准确性，实现了设计数据直接驱动生产、云端“异地、实时”交互、工厂要素和业务运营情况在线、可视、透明，提升了预制构件生产过程中几十台单体设备、复杂数据信息的智能化数字化应用水平。

图1湖南省三一榔梨PC数字工厂

（二）项目申报单位简介

湖南三一快而居住宅工业有限公司（以下简称三一快而居）是三一集团旗下子公司，致力于为行业内提供建筑工业化成套装备研发、制造、施工、服务等一条龙服务的国家高新技术企业。公司研发了预制混凝土构件生产线，累计申请专利700余项，授权发明专利58项，获湖南省专利奖一等奖1项，产品应用于中国建筑、中国铁建等，累计销售超30亿元，被认定为国家装配式建筑产业基地。

二、技术产品特点

（一）技术方案

借鉴工业4.0发展路径，重构预制构件工厂运作模式，全新定义预制构件数字工厂，推动预制构件工厂由2.0自动化阶段向3.0信息化阶段的跨越（如图2所示），实现设计数据“异地、实时”交互，中台数据驱动智能装备自动生产，工业流和管理流数字化协同作用。

图2 榔梨PC数字工厂构架图

本案例深度挖掘工业软件对预制构件工厂的赋能效应，对PMS(预制构件生产线管理系统)进行全面升级，并配套开发和改进了智能化装备，如数控划线涂油机、数控钢筋桁架机、钢筋桁架自动投放机械手、抓钩堆垛机、智能布料技术等，共同打造数字工厂智能化生产场景。

（二）关键技术及创新点

1.设计模型驱动PC构件生产技术

建立结构设计数据—生产装备—物料清单—计划流转相互耦合的业务模型，创新构件生产工艺知识图谱，研究BIM模型的数据文件标准，开发嵌入到PMS系统中的PCAPP（模型解析）模块，按生产工艺自动读取解析三维BIM模型，实现设计数据直接驱动现代数字化生产。

2.平台化、轻量化的SPCI流程信息系统

创新并应用3D模型轻量化交互技术和云端物联技术，自研基于BIM模型的协同设计平台，打破设计院和预制构件工厂信息孤岛，实现云端的“异地、实时”交互，“所见即所得”的协同制造场景，打通管理流数字化。

3.数字工厂中台技术

建设数字工厂智能控制与调度中心，推动智能排程、一键驱动、生产管控、可视调度等新型管理手段落地实施，同时升级数字工厂驾驶舱，实现工厂要素和业务运营情况在线、可视、透明。

4.划线涂油一体化技术

划线、涂油两道必备前处理工序在同一设备集成，由PMS 数据中台驱动运行，无人化按需完成精准划线、涂油。

5.自动化钢筋、桁架生产及投放技术 

打通PMS与RMS系统的数据壁垒，设计数据解析直接驱动钢筋桁架全自动化生产及机械手精确投放。

6.混凝土智能调度（CPTS系统）技术

CPTS接收PMS系统自动计算的混凝土方量、配方、节拍需求，直接驱动搅拌站自动生产、输送机自动运输、定时定量定配方准时化供应。

7.智能布料技术

基于构件位置、布料重量、速度、加速度的多重闭环自适应控制技术，实现了不同塌落度的混凝土自动规避钢筋、洞口、辅件，精准补齐角隙；布料综合效率提升100%。

8.高效抓钩堆垛技术

创新采用抓取方式实现模台堆垛，消除模台入窑等待时间，使堆垛机存取与模台流转并行工作、互不干扰，大幅提高了堆养工序的作业效率。

三、案例实施情况

（一）案例基本信息

榔梨工厂位于湖南省长沙经济技术开发区榔梨镇，占地约50亩，拥有全套三一快而居自动化生产设备，2020年启动改造成为数字工厂。

（二）案例目标

目前国内大多数预制构件工厂存在自动化设备应用不充分、单线用工数量偏高、生产节拍长、人均日产能未充分发挥等问题。对此，该工厂项目目标如下：

              榔梨PC数字工厂升级改造项目目标        表1

（三）应用过程

1.设计模型驱动PC构件生产

主流设计软件PKPM和planBar（PKPM是中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所研发的建筑行业相关系列软件，planBar是德国内梅切克集团研发的BIM设计软件）的BIM数据模型接口进行二次开发，由PMS系统中的PCAPP（模型解析）模块按生产工艺对BIM模型进行解析，提取构件、轮廓、钢筋、预埋件等BOM信息，无缝导入PMS系统中台，用于后续生产排程及驱动设备。设计模型自动解析去除了人工读取图纸、人工整理设计BOM、生产过程中人工量尺寸定位安装等无价值劳动，生产效率和质量提升50%以上。

上述应用进而促进轻量化的SPCI平台的搭建，实现了设计院与预制构件工厂在云端的“异地、实时”交互。实际生产构件BIM模型直接通过平台实时解析，实时按计划排程，一键驱动智能装备生产，可视化作业管控。彻底解决了设计和生产工艺脱节，导致构件无法生产、难生产、成本高的难题，生产效率、产品质量、生产成本得到全面优化。如图4所示。

图4 设计BIM解析生产BOM信息

2.数据驱动自动拆布模

按照PMS系统的排程计划、模台流转信息，拆布模机械手视觉识别已有边模位置，自动拆除模具入库，解算出待生产构件的最优边模拼接组合和路径，全自动完成所有拆布模动作（如图5所示）。布模精度达到±1mm，节省作业人员2人。

图5 PMS驱动自动拆布模作业

3.数据驱动自动划线涂油

PMS系统数据中台下发构件轮廓、预埋位置信息至全新开发划线涂油一体机。模台到位后，自动对构件区域进行涂油、边模及预埋件定位线绘制作业。划线涂油一体机由伺服系统驱动，定位精度±1mm，精确匹配了构件实际需求，减少作业时间和耗材的浪费，全过程无需人工参与，节省作业人员2人。如图6所示。

图6 PMS驱动划线涂油一体化作业

4.数据驱动钢筋自动生产及投放

 PMS系统将钢筋BOM信息发送至RMS系统，驱动钢筋网片、桁架按计划自动生产、存储、抓取、投放，支持多任务在线协同，可满足多线同时供应。全新开发的钢筋桁架机实现12m/分钟的高效生产，多工位摆放；钢筋桁架机械手一次抓取12根桁架，依次精准投放至对应位置，如图7所示。钢筋生产及投放完全实现数字驱动，全程仅剩少量设备操作员，节省作业人员7人。

5. 混凝土定时定量定配方供应

PMS系统获取构件混凝土配方要求，计算方量，并按生产节拍计算混凝土所需的到位时间。上述信息发送至CPTS系统，CPTS规划混凝土生产时间轴，驱动搅拌站控制系统按配方备料，驱动输送装备按时接料并准时到位卸料，实现混凝土的JIT模式定时定量定配方供应。整个过程数据驱动自动完成，节省作业人员2人。如图8所示。

图8  数据驱动混凝土定时定量定配方供应

6.数据驱动智能布料

PMS系统下发构件轮廓、厚度、方量信息至智能布料机，布料机规划最优路径，采用构件位置、布料重量、速度、加速度的多重闭环自适应控制技术，实现了不同塌落度的混凝土的自动均匀布料，并自动规避钢筋、洞口、辅件，精准补齐角隙，布料综合效率提升100%。布料完成后，振捣设备构建了基于布料数据的工艺参数专家库，自适应调整匹配振捣参数，实现振捣密实均匀度≥95%，系统解决了混凝土成型过程中的隐形气孔和布料不均的质量问题。布料过程只需1人完成作业，节省作业人员3人。如图9所示。

7.数据驱动高效堆垛养护

PMS系统根据构件发货计划，智能规划构件最优存储位置，数据驱动全新开发的抓钩堆垛机，将模台送至养护窑仓位存放，无需模台流入等待。一体高效卷扬系统、精确伺服定位系统和柔性控制系统，实现堆垛过程快准狠，生产节拍缩短至6min，消除了生产线的效率瓶颈。模台入窑后，PMS系统自动开启养护曲线，养护过程主动强制循环，动态实时监控，温湿度精准控制，窑内温差≤5℃，养护质量好，效率高，能耗低。如图10所示。

8.数据中台

 PMS系统让中央控制室真正成为PC数字工厂的大脑，实现中台数驱动智能装备生产的目标。PMS系统通过SPCI平台与设计数据“异地、实时”交互，解析BIM模型，并按构件施工、发运计划需求，自动排定生产计划，规划最佳模台利用率，调节生产节拍匹配，可视化生产调度，并驱动PMS和CPTS系统协同工作。

PMS系统集成驾驶舱功能和业务管理功能，工厂要素和业务运营情况在线、可视、透明的数字化展现，包含产能统计、节拍统计、构件信息统计、设备状态统计等模块，全视角俯瞰生产全过程，直观掌握生产问题，实时工厂管理流，提升综合竞争力。如图11所示。

图11-1  PC数字工厂驾驶舱

图11-2  PMS生产管理功能界面

四、应用成效

（一）应用成果

本案例应用数字化思维，借鉴工业4.0发展路径，全新定义的PC数字工厂，最终在榔梨PC数字工厂落地应用，相应成果如下：

1.PMS系统打通建筑设计软件（PKPM和planBar）的源头，实现设计BIM模型直接驱动智能化生产过程，解决了设计和生产工艺脱节难题，从而让数字化业务流出最终闭环；

2.建立轻量化SPCI平台，通过3D模型轻量化技术，实现设计数据与预制构件工厂云端“异地、实时”交互，“所见即所得”的协同制造，进一步解放生产力；

3.PMS系统集成工厂管理业务功能，工业流和管理流协同共促，形成灯塔效应；

4.数控划线涂油一体机、数控钢筋桁架机及投放机械手、智能布料技术、混凝土智能调度系统（CPTS）、抓钩堆垛机等先进设备开发应用具有较强的技术优势；

5.实际生产证明，榔梨PC数字工厂达到了用工数量降低40%（40人降至24人以下，水平构件进一步降低至12人），生产节拍缩短40%（10分钟降至6分钟），人均产能提升100%（1.2方/班提升至方/班）的目标；

6.榔梨PC数字工厂建设完成后，先后接待了各级政府领导、行业专家以及客户的参观，展示了设计驱动生产的数字化制造场景，带动了三一快而居业务发展。

（二）应用价值

本案例通过榔梨PC数字工厂建设，研发应用设计模型数据直驱预制构件生产的技术体系，配套先进智能装备开发，实现用工人数减少16人、生产节拍缩短4min、人均产能增加1.3方，以市场混凝土构件价格2000元/方、人工工资15万元/年测算，可增加约500万元/年的盈利能力。

 本案例的建设促进劳动效率提升，劳动作业强度降低，缓解建筑业农民工不足难题，加快建筑农民工向产业化工人转变进程。数字化驱动场景下，构件质量得到有效保证，更好满足居民对住宅的高标准要求。同时PC数字工厂将对地方和全国起到经验借鉴作用，为行业技术革新和规范化、标准化发展贡献力量。

执笔人:

湖南三一快而居住宅工业有限公司（陈常青、蔡杨、易文、周晓东）

审核专家：

韩彦军（河北新大地机电制造有限公司，副总经理）

任成传（北京市燕通建筑构件有限公司，总经理）