数字化在预制构件模具领域的开发和应用

邓轩 张景明 李鹏飞 中民筑友智能装备科技有限公司

一、问题的提出

混凝土预制构件（以下简称PC 构件）属于装配式建筑三大体系之一的混凝土装配式建筑结构体系。近几年装配式建筑体系发展快，PC 构件的生产过程是通过PC 模具成型完成的，PC 模具是实现PC 构件工厂化和标准化的重要生产装备。但由于PC 构件设计非标，导致模具标准化程度低、通用性差。

为适应客户差异化需求，导致每套PC构件模具均为非标定制。从而使得PC 构件模具设计任务量大、设计时间紧、差错率高、生产制作周期短、交期紧等。如何实现PC 构件模具快速化设计及其出图的问题，是目前亟待解决的问题。

通过数字化PC 模具库的开发，可以实现PC 构件和PC 模具快速化设计。

二、数字化PC 模具库的开发

根据PC 构件特征和对应PC 模具结构，建立参数化驱动的PC 构件模型库，并采用“自上而下”“自下而上”相结合的参数化PC 模具库，通过统一设计平台的二次开发和配置，修改构件尺寸驱动构件模具的自动设计，实现快速生成模具的三维设计及工程图出图。

（一）软件平台

基于机械行业广泛采用的三维软件SOLIDWORKS，统一设计平台的配置和二次开发。

（二）统一PC 模具设计标准规范

数字化开发应用的前提是要有一套标准的PC 模具设计规范。分析同类型构件共性特征，整合模具设计形式，实现模具结构形式少类型、模块化。并对不同模具设计方案、加工工艺、尺寸要求等进行统一。

（三）开发数字化模具库

数字化模具库包括PC 构件库、模具模型库、模具材质库、焊接结构件库以及工程图模板库，形成通用化、标准件库。

1. PC 构件库的开发

根据装配式建筑构件类型，分析各类构件结构形式和构件出筋预埋特征，为整合、统一构件的三维创建模式提供依据，开发构件库。基本涵盖装配式建筑常用类型构件。开发完成的构件库添加到SOLIDWORKS 作为外部独立数据库。以便模具设计时随时调用，如图1 所示。

2.模具模型库的开发

基于构件类型，分析各类构件结构形式和构件出筋预埋特征，开发通用性模具库，主要包括构件模具库模板、工装预埋件库、基础边模库、门窗类模具库。

试验地位于西辽河平原内蒙古民族大学农牧业科技示范园区。试验地区为典型的温带大陆性季风气候，年平均气温6.4℃，极端最低温-30.9℃，≥10℃积温3 184℃，无霜期150 d，年均降水量399.1 mm，生长季(4～9月)降水量占全年的89%。土壤为风沙土，土壤有机质含量4.86 g/kg，速效钾94.65 mg/kg，速效磷10.46 mg/kg，碱解氮11.15 mg/kg，pH为8.2。具有喷灌条件，干旱时灌水，各处理每次灌水时间相等。

模具库模板包含装配式建筑现有的常用构建类型的模具。采用“自上而下”“自下而上”相结合的方式，通过修改构件尺寸驱动模具尺寸的变化；标准化设计预埋工装的外形结构，通过方程式驱动满足不同设计要求；基础边摸库是将常用类型构件的结构进行统计分析，实现最少类型，最大通用化。开发完成的模具库添加到SOLIDWORKS 作为外部独立数据库，如图2 所示。

3.开发模具材质库和焊接结构件库

机械设计涉及材料众多，设计者思路及要求各不相同，导致模具制作过程中结构形式多样、材料采购周期长、浪费性大、可替换性差等问题，也是造成模具设计制作成本高的因素之一。开发模具材料库，实现模具设计的通用性、模块化。

图1 PC 构件库及其创建流程图

图2 模具库及其创建流程图

4.开发工程图模板库

开发零件材质库、结构件库、注解库、技术要求库等数字化库；自动关联工程图符号、工程图模板、签名等功能；自动更新生产相应工程图的标注、图号、BOM 等；实现了工程制图的高度标准化，大幅度提高出图效率，降低出错率。

四、数字化PC 模具库的应用

数字化的核心思想就是用数字化手段来处理具体目标，最大限度地利用资源，是以机械行业CAD/CAM 软件为基础作为建筑行业模具设计工具，支持设计师的高效工作。数字化模型的多变性及开放性，将不同的组合模式完成千变万化的设计目标。

（一）PC 构件库的应用

根据建筑设计院PC 构件图纸，分析构件总体结构，创建常用构件库，选择合适数字化模具模板。

（二）数字化模具库的应用

整体调用PC 构件成套模具，PC 构件创建完成后，其模具对应的关联参数也自动完成了调整，接下来对模具各部套及零件进行细化完善修改。

1.“自下而上”创建方式应用

“自下而上”方式是指通过修改基础边模来适应构件的外形结构的模具设计方式。“自下而上”方式设计的模具构件类型主要是墙板类、阳台和梁柱。

图3 模具设计应用案例

应用过程是整体调用PC 构件成套模具后，修改PC 构件方程式总表完成构件建模；然后根据报错提示单独修改基础边摸即可完成主体设计；最后安装工装预埋件，批量完成标准件规格替换即完成模具三维设计。图3（a）展示了T 型墙板模具设计应用案例。

2.“自上而下”创建方式应用

“自上而下”方式是指通过修改构件方程式总表内的参数驱动模具参数的自动调整，完整模具的基本创建。采用“自上而下”创建方式设计的模具构件典型类型是楼梯。

应用过程是整体调用PC 构件成套模具，“自上而下”的方式创建完成后，根据报错局部修改即可完成主体设计；然后调用工装预埋件，批量替换标准件；模具三维创建全部完成。图3（b）展示了楼梯模具设计应用案例。

3.工程图模板库应用

数字化模具库内整体调用的成套模具包括模具三维及其工程图。模具三维创建完成后，所有零部件的工程图也同时在后台处理完成；仅需调用后局部检查核对报错信息，对其修改即可完成工程图出图；最后，根据需要导出所需格式的文件即完成了模具设计全部工作。

五、应用效果

通过数字化PC 模具库的开发，实现了PC 构件和PC 模具快速化设计，并实现了设计风格、出图形式、命名规则、同类型模具结构及其方案的统一，大幅提高了设计出图效率、质量。

设计效率由原来平均5 天/套/人缩短至2.5 天/套/人，按每个工厂年模具设计套数200 套计算，每个工厂年节省500 天设计工时，年节省设计人工费用30 万；10 个工厂计算，年节省设计人工费300 万元；由于高度的标准化和程序的自动关联性，可有效提升设计质量，降低设计错误；另外，通过设计平台积累PC 模具设计知识，提高设计经验的传承性，保证项目团队人员灵活调配及快速扩展。

数字化模具库的开发不仅可以让模具设计多元化，更可以实现功能统计，可以通过数字化技术细化、量化构件和模具结构，将所有细节展现出来，为研究发展绿色建筑提供数据支持。