近几年来, 伴随着3D建筑打印技术、BIM技术等新兴技术的发展, 为装配式自动化施工带来一个新的视角。目前, 3D建筑打印技术在装配式房屋和有配筋结构的建筑中尚处试验优化阶段, 在材料和自分布式装置的研发上也取得很大进步。如图1a为青岛尤尼科技有限公司自主研发的“Anyprint”12m×12m大型建筑打印机, 图1b为辽宁格林普建筑打印科技有限公司设计的打印装置。2014年, 由中建八局与同济大学联合研发的装配式预应力框架体系中采用3D打印技术, 如图1c所示, 该楼用3D打印这些框架柱模, 然后在现场浇筑核心区混凝土, 将3D打印框架柱模技术与装配式建筑结合。2016年, 华商陆海科技有限公司研发了一款3D现场打印混凝土房屋的成套设备, 在国内首次完成有配筋结构的3D打印浇筑房屋, 如图1d所示。

BIM技术与装配式智能化混凝土浇筑的融合主要体现在施工阶段。在最初的设计阶段, 可以通过BIM技术建立三维模型。BIM模型中, 每个模块包含了构件的尺寸、体量等参数。而且模块之间是相互联系的, 可以自动识别、尺寸渐变、拆分与整合, 如图2所示。通过BIM的模块化参数驱动模型生成更加准确, 从而提高装配式建筑施工建造准确性。基于BIM的装配式智能化混凝土浇筑基本实施流程为:三维建模→模型拆分→参数设置→构件参数→实体成型。基于BIM平台的数字化建造技术, 将促进装配式建筑由劳动力密集型向设备密集型转变, 由粗放化生产向更精细化控制方式转变。

对此, 综合运用3D建筑打印技术、BIM技术等新兴技术, 提出智能化混凝土浇筑工法概念, 探索一种数字化驱动的无人精准浇筑技术, 实现装配式建筑的智能化建造。

本文设计的智能化混凝土浇筑系统是基于传统3D打印原理, 引入自动化数控技术, 对智能化混凝土浇筑设备进行智能化技术集成, 该集成系统由智能操控系统、控制系统、运动导轨、挤出系统等模块组成, 并分析了各系统模块的组成与功能;各个系统之间相互联系, 共同完成混凝土智能化浇筑。具体工艺流程如图3所示。

通过将Revit模型导入智能操控系统, 对模型进行分层处理、路径规划, 并生成G代码传递到控制系统, 控制系统驱动运动系统, 使混凝土喷头在三维空间完成各种复杂运动;同时, 控制系统通过控制挤出系统完成混凝土浇筑。

智能操控系统基于3D建筑打印机软件进行开发, 完成浇筑建筑模块及构件的数据处理和总体控制任务。智能化操控系统通过内置的分层算法、填充算法将运动指令传送给控制系统, 通过控制系统解释执行G代码指令。控制系统将浇筑的信息和数据传送给混凝土喷头, 同时, 挤出系统接受控制命令和运动参数等控制代码, 对浇筑过程控制。智能操控系统主要功能有: (1) Revit格式转换成STL格式; (2) 从要浇筑建筑模块及构件的三维模型的数据信息; (3) 设置相关参数; (4) 监控浇筑过程, 路径模拟等; (5) 数据处理。

控制系统是智能化混凝土浇筑装置的核心部分, 采用数控机械CNC作为本装置的数控系统, 主要实现输料智能控制、布料智能控制和扫描路径控制, 其涉及机械设备、自动化控制、软件开发等多个技术领域。该系统主要由主控系统、电动驱动系统及上机位指令传输系统构成。

主控系统具有性能强大的微处理器, 通过接受外部数据, 识别数控程序的指令G代码, 将其解释为运动控制识别的控制流。并且具备良好的人机交互界面, 便于用户对数控系统进行操作。

电动驱动系统分为机械部分和电气部分, 机械部分由电动机和传动部分组成。整体式外爬架通过1轨2电动机 (上位、下位) 驱动齿轮传动精确爬升;而桥式桁架自行移动料罐、喷头在水平2个维度上控制移动, 则由3台电机驱动来实现, 桥式桁架两端都有1台驱动行走的电机。电机可以顺时针或者逆时针旋转, 解决每个维度2个反方向上的控制移动, 第3台电机负责喷挤头的移动及控制。电气部分包括AVR单片机控制电路板。这两部分结合使智能化混凝土浇筑装置可以同时实现x, y, z三轴自由移动, 并能够控制料罐、喷头实现x, y, z三轴直线插补及任意两轴的圆弧插补运动, 更具有联动功能。

上位机主要是指单片机, 其发出的命令首先给下位机, 下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。数控系统能对运动信号、停止信号、限位信号等机械信号进行有效处理, 还能完成一些异常信号如报警信号、急停信号处理。

智能化混凝土浇筑装置的运动系统是在整体式外爬架爬升子系统基础上, 安装龙门架和“水平梁式导轨+桥式桁架自行移动料罐”给料、灌注子系统, 接受基于BIM信息的控制系统控制, 实现三轴联动工作, 即自行移动料罐上配备的混凝土喷挤头实现竖直高度与水平面3个方向运动。其思路是对整体式外爬架的竖向爬升系统和“桥式桁架水平导轨+自行移动料罐”行走装置做精确控制的机械运动, 达到竖向爬架与水平向导轨空间位置与灌注混凝土操控目标的自动配合。混凝土智能化浇筑装置的运动系统主要由附着式整体外爬架系统, 给料、灌注水平运动系统等组成。BIM建立的运动系统如图4所示。

附着式整体外爬架系统设备主要由立管、脚手架组成的安全防护架、竖向导轨和附墙支座、防护网、防坠装置以及水平梁式导轨及桥式桁架+自行移动“给料罐”等构成, 施工工艺按照传统的工艺流程, 除了对其整体稳定性验算外, 还要对其附上运动系统以后的整体稳定性进行验算, 包括导轨验算、导轨与架体连接螺栓抗剪验算等, 爬架行走机构为齿条式导轨;导轨安装构造可参照一般电梯轨道安装要求进行。

给料、灌注水平运动系统类似于“龙门架导轨+桥式吊车”, 对于桁架自行移动料罐运动系统进行设计, 包括:其结构部件、水平导轨系统、传动元件、驱动电机等进行了分析。

1) 结构部件应质量轻、强度高, 以满足结构自身负载及正常工作要求, 同时应该具备安装容易且易于拆除的特点和良好的工地适应性。结构构件选用优质钢管和型材通过螺栓或焊接连接而成。

2) 水平导轨系统 (1) x轴向移动整个设备包括混凝土喷头都朝着轨道在2个方向移动, 轨道方向即为x轴向, 由于一维坐标有正负, 箭头所示为x轴正向, 定位精度0.5mm。 (2) y轴向移动混凝土灌注、喷挤头安装在1根竖直方向的金属立杆下面, 金属立杆上端安装在1个能沿x轴正交方向的轨道, 这个轨道就是y轴向的轨道, 定位精度0.5mm。 (3) z竖轴向移动安装给料、灌注喷挤头的竖直金属支承架 (杆) 本身就是1个沿z轴向轨道, 整体外爬架能沿着z轴竖直方向升降。当1个z值确定后, 混凝土就在这个高度上进行平面移动和浇筑, 位移的定位精度10mm。导轨系统的搭设同时应该考虑整体式外爬架的承载与连接。

3) 传动元件具有高精度、高强度同步齿形带驱动, 同时同步齿形带具有定位精度高、磨损小等优点。

4) 每个方向都配备以较高精度的步进电机, 通过控制变速器驱动齿轮齿条和同步带轮及同步齿形带, 使设备各轴执行端有更大的负载能力。

混凝土给料、灌注喷挤系统接受控制系统命令通过挤出固化最终完成实体模型浇筑, 对于灌注喷挤系统的设计应考虑以下几个因素。

1) 混凝土材料选取与传统的混凝土施工工艺相比, 智能化混凝土浇筑对原材料的流变性、可泵性和可塑性提出了更高要求。采用自密实性混凝土加轻微振捣方式, 且应采用粒径更小、颗粒形貌更接近圆形的骨料, 还可以通过添加外加剂改变混凝土性质。

2) 灌注喷挤流量控制混凝土灌注喷挤流量控制是实体模型成型效果的关键, 其大小与浇筑建筑物构件的体量和喷头移动速度等因素有关。对于流量的控制, 可以通过在控制装置中加入变频器, 用变频率驱动电机和混凝土泵, 当调节变频器的输出频率时, 混凝土泵的转速就得到调节, 从而调节混凝土流量。

3) 实时监控与反馈功能通过监控功能, 实现对多维浇筑信息的有效管理、信息交互和实时监测管理。比如:反映建筑物构件体量浇筑的实时进度, 对于混凝土温度的实时检测等, 并将信息反馈智能操控系统。

基于以上功能要求, 本文选用自密实性混凝土材料, 对混凝土灌注喷挤头进行设计, 满足自密实性混凝土挤出和轻微振捣的功能, 并对泵送系统进行改进。挤出系统主要包括4个部分:给料罐、导管、灌注喷挤头、泵送装置。

其中混凝土灌注喷挤头带有振捣棒, 以镗削螺旋钻杆方式输送混凝土, 螺旋钻向前推进时处于供给状态, 后退时处于停止供给状态。同时, 采用电磁线圈做成电磁阀开关, 由于喷头与泵送装置同时开关, 因此混凝土喷头与泵送装置接受控制系统的统一指令, 自密实性混凝土由混凝土储料容器经柔性传输导管由混凝土喷头挤出, 并振捣固化, 如图5所示。

BIM技术能够在装配式建筑工程项目中发挥巨大的作用, 为混凝土的信息化施工浇筑建立一个数字化BIM平台, 减少由于各种碰撞造成的返工、停工和材料损失, 协调工程各参与方工作, 大幅度提高建造工程的效率, 创造更高的价值, 如图6所示。

通过建立装配式结构房屋的三维模型, 对构件进行编号, 划分浇筑区域, 同时将三维模型转化成STL格式, 并将其基础模型导入智能操控系统。

用BIM模型检测构件之间的碰撞是十分有效的, 尤其是带钢筋的预制构件在装配节点处。应用三维反求技术, 经过采集数据, 再到数据处理实现3D建模。再与设计信息和族库向匹配, 及时发现问题。

装配式结构建筑有完备的给排水系统、供配电装置和线路、照明装置、空调系统、消防灭火系统、安全防范系统、网络及电话通信系统, 浇筑建造过程中还使用大量的建筑预制构件。因此应用BIM技术, 在铺设建筑墙体、房屋地坪、房屋顶部、吊顶及房屋部分区域管线时, 能解决许多弊端。

装配式在施工阶段, 基于BIM的智能化混凝土浇筑管理平台实现动态、可视化的建造管理, 通过监控与整合资源, 管理人员实时掌握建筑、设备及人员动态, 以便在不利的情况下做出合理决策。

基于BIM的智能化混凝土浇筑技术是一种全新的建造技术, 创新性地把BIM技术、泵送混凝土技术、自密实加轻微振捣混凝土技术的材料输送装置及喷口控制结合起来, 应用于装配式高层建筑建造中, 为装配式自动化施工带来一个新的视角。当然, 智能化混凝土浇筑体系有许多问题亟待解决, 随着后续的深入研究, 将为其实践应用打下更好的基础。