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装配式建筑预制构件制作进程重建与优化

摘要：现在装配式混凝土建筑的预制构件生产已经无法满足市场需求了，大多数装配式建筑预制构件厂采用固定模型生产线来制作装配式预制结构构件，比如梁，次梁，柱。现在装配式建筑预制构件生产已经发展到了它的极限。本文目的是优化装配式建筑预制构件生产进程从而使预制构件生产更高效化，通过总结现有文献和16个专家的建议，得到了现有的装配式构件生产流程，该生产流程集中16个步骤于一个生产模块。根据专家的建议，该过程可以通过再设计，优化成包含13个步骤的三个生产模块的生产流程。本文通过Arena,13版软件的运用，输入已有历史数据，可以从实际生产角度，模拟，比较传统和拟采用的两种方法，最终得出结论，相对于传统生产方法，改用流水作业生产方法可以节约总体时间的24%。

表1. 专家访谈信息表

背景介绍

在建筑行业中主要的生产资源是劳动力，机械设备，材料，但近些年这些资源的价格持续上升，为了在竞争性市场中保持强大的地位，建筑公司需要重新测试他们现有的生产流程以确保这些资源全部被高效地运用到合理目标的生产过程中去了。以装配式建筑行业为例，相应公司需要反复检查生产流程，从而能够控制并提升资源的合理分配，生产运用以及质量控制。现有的许多预制构件厂采用的是固定模型生产线，在装配式建筑构件的生产上，这个生产流程确实有一定优点，比如所有生产步序都可以被有效控制。但是在固定模型生产线方法中，所有预制构件的生产，比如梁，都是在一个固定的位置完成的，这意味着在梁的生产中，大量的操作员工需要在一个特定区域内工作，所以在预制构件生产过程中，可能造成不必要的拥挤。不同的操作员工无法同时达到一个预制构件的生产位置进行操作以完成他们的工作，甚者有些人会被闲置，因为每个步骤需要的人力可能不同，这个传统生产方式可能造成人力资源的浪费。为了提高装配式建筑预制构件生产的绩效，本文中测验的生产流程基于专业化标准，由于生产流程的专业化，构件生产效率会有所提高，因为员工在特定的生产步骤上的专业技能得到了锻炼和提升。“生产优化重建”和“精益生产”的概念也被结合用于提升装配式建筑预制构件的生产系统。Davenport和Short在1990年对如何提升优化设计系统这一话题进行了实验，提出现有系统的工作流程图应该先被分析而不是修改或者再设计。在1988年，丰田汽车公司的一个工程师提出，流水化生产可以作为一个设计方法用来避免不必要的劳动力调配和时间浪费，从而减小劳动工时的损失，将生产过程整体价值最大化。

本文的目的是用专业化标准（流水作业计划），生产流程优化重建，和流水化生产来提升装配式建筑预制构件厂的绩效，最终形成一个新的生产方法模型。这个拟采用的方法将用一个预制构件厂的现实生产案例来对比测试，看闲置劳动力和时间浪费的情况能否被减少。研究的技术路线将从现有文献和理论技术或专业生产经验中得出的观念中发展得到。总而言之，这篇文章的目的是提出一种方法用以提升现有装配式建筑预制构件厂的高效性和发展流水作业生产系统。生产流程的模拟是从Arena软件中推演得到的，结合从新旧生产方法的对比分析得出的最终结论，给生产效率优化提升的相关工作人员提供有用的建议。

建造效率

过去关于构件制作效率提升的文献学说已经强调了生产流程的优化重建或者流水线型生产。在1993年，Hammer和Champy讨论并指出，装配式构件生产流程优化重建是对于工作流程的彻底的反思和对相关过程的彻底的重新设计，它可以显著提升一个生产系统的绩效。在他们突破性的工作中，他们提倡对流程和设计进行彻底的分析和修改，以达到最大程度地简化生产流程、降低成本和提高效率。流水线型生产也是精益生产的一种，它主要基于已有的管理理论学说发展而来，这一概念将工业观点从关注人工/机械生产能力转向到全面改进生产体系，利用准时制(JIT)和全面质量管理(TQM)两种方法来提高构件质量和减少构件加工时间。考虑以上所有提出的用于最大化生产过程价值的因素，我们的目标是在完成最小化材料损失和时间消耗的同时，完成工作流转化和价值工程。其他关于建筑工程流水化生产的学展示了在建筑行业，存在着每年5%的生产率增长，相应的，英国和美国的生产率增长达到的10-15%每年。生产流程优化重建和精益生产是相似的，因此结合这些生产理论和概念可以减少时间消耗和材料浪费，它包括:(1)避免调配问题产生的浪费:不投入任何无价值的劳动力调配;(2)避免等待中的时间消耗:避免因等待材料、机械、检验或劳动力而造成的延误。时间浪费包括不必要浪费和伴随生产操作的不可避免浪费，它们两者有着本质性的区别。比如，学术研究表明，在无管理的建设现场，35-60%的工作时间可能被浪费，而在一个较好管理的建设现场，仍有30-50%的工作时间会被浪费。装配式建筑预制构件的生产被认为有两种方式，（1）综合的固定模型生产模式，（2）面向过程的“流水线型”生产模式。前者是传统装配式构件厂的典型生产方式，后者由于获取相关资源很难还未在台湾实际生产中广泛运用。而在实际运用上的的探索，大多数文献只注重概念而没有实际调查运用和实地研究。没有实际案例的数据作为支持，就无法对这两种生产流程模型之间的比较，进行相关研究，就没有实际的意义。

装配式建筑是通过精确的规划和设计，将建筑物拆分为标准构件，比如梁、柱、墙等，这些构件可以在装配式建筑预制构件厂制作。在这些预制构件在装配式建筑预制构件厂制作完成后，它们被运输到施工现场进行吊升，打桩和安装操作。装配式建筑也可以被称作工厂模式建筑，许多其他国家已经在装配式建筑上拥有了成熟的技术，其中包括日本和一些欧洲国家。关于装配式建筑管理的问题，现在已经有很多参考文献了，比如其中一篇文献将装配式建筑预制构件生产分为了长期的标准构件生产和短期的特殊构件生产。大多数研究，文献对在装配式建筑预制构件生产流程中使用自动化生产技术的想法做出了调研，同时也包括对用流水线生产模式改革装配式建筑预制构件生产厂的整个生产模式进行了研究，对现有生产模式和传统生产模式的比较做了研究。

装配式建筑预制构件生产的主要步骤包括，初步设计计划，构件的制作，构件的储存。预制构件的制作周期通常是几周，同时预制构件生产流程难度的大小程度会影响整个工作期间生产效率的提高以及整个过程的计划和灵活性的提高。传统的装配式建筑预制构件，比如梁，次梁，柱的生产流程详见下图1：

1. 钢模清理:清除钢模上的任何残留污渍、混凝土块以及处理焊缝。
2. 模具安装:安装包含各类预制构件以及底模和侧模，并对钢筋进行定位，如图2所示。
3. 放样(钢铁部件定位):测量钢铁部件安装的定位基线。
4. 钢筋笼放置:调整预留钢条长度后，将钢筋笼放置在模具内。
5. 木镶板放置:木镶板的上、下端及防漏橡胶垫的安装，如图3所示。
6. 预埋件布置:安装预埋件等相关钢铁铁界面元件，比如楼梯或电梯钢柱接合预埋件，如图4所示。
7. 混凝土浇筑前检查:确认各个钢筋、钢筋网等预埋件布置位置正确，各构件尺寸是否正确。
8. 混凝土浇筑。
9. 拆除夹具:拆除施工现场使用的相关构件，如预埋螺丝等。
10. 表面收光。
11. 混凝土养护:用帆布覆盖模具，混凝土经蒸汽养护。固化时间一般为8 ~ 10小时。
12. 拆模:拆卸所有模具(如木板)。
13. 剥离成品:从模具上剥离成品部件。
14. 修补缓存:混凝土表面或部件背面、侧面的任何缺陷(直径大于5毫米)必须进行填充和固定。如果有油污，必须先磨掉，然后再用水泥砂浆修补。
15. 成品检验:标签、二维码以及预制构件的尺寸检验。
16. 仓库储存:将预制构件送到仓库进行堆放、储存和进一步固化。

图1. 传统装配式预制构件制作流程

图2. 模具安装 图3. 木镶板放置

图4. 预埋件放置

3装配式建筑预制构件生产流程优化重建

正如本文的目标是加强和提升装配式建筑预制构件厂的生产效率，所以生产流程优化重建被采用了，用来改善传统生产工艺。生产流程的优化重建包括两个部分，第一部分是在装配式建筑预制构件厂内进行实地研究，观察、测量和收集有关生产工作的特征数据，这对于深入了解生产系统和找出提升生产系统的可行性而言是必不可缺的，我们一共花了8个月去完成了该项调查。第二步是开放讨论式的专家访谈。为了开发出一个满足实际生产需求的生产系统，我们采访了参与过台湾装配式建筑预制构件厂设计，开发和运营的资深专家，详细信息见表格1。本文探讨用流水作业生产模式替代原有的生产模式的优缺点，即在固定的生产地点，以相同的方式在作业中使用设施，机床和自动化器械代替人工工作。根据专家访谈，总结得出了以下建议和结论:

1. 为方便工序导向性的生产，所有涉及人工操作的工作站台都被重新设计，并用铁轨连接，而铁轨可使模具在生产站台间移动，这些站台涉及到清洗、安装、放样、定位等任务。在每个工作站台，当相应任务操作完成后，模具会通过铁轨转移到下一个工作站台，直到所有步骤都完成，如图5所示。

图5. 装配式建筑预制构件过程导向性的流水线型生产图

1. 在拟采用的生产流程中，集中16个步骤于一个模块的生产流程转变成集中13个步骤于三个模块的生产流

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