陳俊，張錦松，丁芮，鄭智新

（中機第一設(shè)計研究院有限公司，合肥230601）

1 項目背景

某項目為年產(chǎn)22×104t精密鑄造生產(chǎn)線項目制動鼓車間，項目計劃總投資15億元，廠區(qū)總建筑面積為30 310.9 m2，占地面積21 190.1 m2。本項目于2019年4月動工建設(shè)，2020年一期工程建成投產(chǎn)。本項目采用先進(jìn)靜壓造型線工藝，包括自動加配料，鐵水自動轉(zhuǎn)運，自動化立庫，自動化加工、涂裝及包裝生產(chǎn)線，整個車間工藝自動化程度高，并利用地勢條件，加工車間部分采用雙層設(shè)計，上層設(shè)計為加工涂裝包裝工藝，下層設(shè)計為成品庫，利用提升機完成成品的物流運輸，保證鑄件連續(xù)轉(zhuǎn)運及生產(chǎn)人員數(shù)量最少化。車間信息化，數(shù)字化水平高，成為鑄造行業(yè)數(shù)字化車間的典型案例。車間建成投產(chǎn)以來，獲得業(yè)主及行業(yè)內(nèi)的廣泛好評。

2 項目重難點

本項目生產(chǎn)的產(chǎn)品類型多樣，每種產(chǎn)品對應(yīng)不同的原料及成分；要求可快速切換生產(chǎn)；項目地形復(fù)雜，南北高度相差近10 m；大型設(shè)備多，吊裝安裝難度大；鑄造車間屬于熱加工車間，車間環(huán)境欠佳，通風(fēng)除塵為設(shè)計重難點。

3 虛擬制造利用

基于本鑄造車間短流程、多批次的典型生產(chǎn)特征，在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計階段，進(jìn)行生產(chǎn)及物流仿真技術(shù)的虛擬制造，主要包括以下內(nèi)容：

1）生產(chǎn)線布局及仿真。針對新工廠建設(shè)，基于企業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略與前瞻性，進(jìn)行三維工廠模擬驗證，減少未來車間調(diào)整帶來的時間和成本浪費。工藝仿真真實反映生產(chǎn)過程中鐵水熔化、倒運、澆注、冷卻、落砂等工藝，并依此對加工工藝進(jìn)行優(yōu)化處理等。

2）物流仿真。通過物流仿真、優(yōu)化工藝、物流設(shè)施布局、人員配置等規(guī)劃方案，提升數(shù)字化車間規(guī)劃的科學(xué)性，避免過度投資。對生產(chǎn)規(guī)劃環(huán)節(jié)，通過利用虛擬仿真技術(shù)，對于工廠的生產(chǎn)線布局、設(shè)備配置、生產(chǎn)制造工藝路徑、物流等進(jìn)行預(yù)規(guī)劃，并在仿真模型（見圖1）預(yù)演的基礎(chǔ)之上進(jìn)行分析。評估、驗證迅速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中存在的問題和有待改進(jìn)之處，并及時進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，減少后續(xù)生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)對于實體系統(tǒng)的更改與返工次數(shù)，從而有效減低成本，縮短工期，提高效率。

圖1 生產(chǎn)仿真模型

項目試運行及投產(chǎn)階段，通過實際生產(chǎn)調(diào)試時采集的設(shè)備數(shù)據(jù)輸入至仿真模型。由仿真模型自動運行并輸出仿真結(jié)果及優(yōu)化建議，根據(jù)優(yōu)化建議，適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)線設(shè)備參數(shù)，使車間產(chǎn)線與物流與仿真模型一致。

4 虛擬建造應(yīng)用

本項目利用BIM技術(shù)，對廠房設(shè)計、建造、設(shè)備安裝各階段進(jìn)行虛擬建造，提升工廠規(guī)劃建設(shè)水平。虛擬建造主要解決了以下幾個方面難題：

1）針對廠區(qū)高差大的問題，通過方案比選，選擇了局部2層的廠房方案，既增加了土地利用率，也減少了工程土方量。

2）針對鑄造車間的高溫特點，對搭建的BIM模型進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬分析（見圖2），最終確定合理的開窗比及屋頂通氣樓設(shè)置。項目建成運行后，現(xiàn)場反饋良好。

圖2 基于B I M模型的分析、模擬

3）鑄造車間的生產(chǎn)設(shè)備大多高度高、體積大，通過對設(shè)備吊裝的模擬，有效解決設(shè)備吊裝路徑問題。

4）車間內(nèi)的電爐設(shè)備機電接口多，輔助設(shè)備復(fù)雜，通過機電管線的綜合排布，盡量減少了輔助設(shè)備用房的占地面積，輔助設(shè)備布置合理，提高空間利用率。

5）本車間在設(shè)計時由設(shè)計院進(jìn)行土建、機電和設(shè)備基礎(chǔ)的BIM模型建立，內(nèi)部生產(chǎn)線的設(shè)備模型由不同的設(shè)備廠家提供。由于不同的設(shè)備廠家采用了不同的工業(yè)設(shè)計軟件，進(jìn)而輸出的數(shù)據(jù)格式不能互通，通過本公司的二次軟件開發(fā)，有效地解決了數(shù)據(jù)互通問題。

5 協(xié)同平臺的應(yīng)用

本工程軟件投入預(yù)算較少，為了盡可能滿足各參建方的協(xié)同需要，采購了BDIP工程協(xié)同設(shè)計平臺。該平臺基于釘釘平臺打造，具有模型輕量化操作、視點分享、平臺實時溝通的功能，并且可在手機終端、PC端均可應(yīng)用。其次，可利用釘釘協(xié)同、辦公會議等功能，大大提升了與各方溝通的效率。

6 應(yīng)用總結(jié)及展望

通過本項目虛擬制造與虛擬建造的結(jié)合，解決了以下幾個工程問題：

1）虛擬制造與虛擬建造的組合，解決了規(guī)劃階段“懂生產(chǎn)的不懂工程建設(shè)、懂工程建設(shè)的不懂生產(chǎn)”的問題，提高了項目溝通效率，加快了項目進(jìn)度；

2）生產(chǎn)規(guī)劃環(huán)節(jié)，通過利用虛擬仿真技術(shù)對工廠的生產(chǎn)線布局、設(shè)備配置、生產(chǎn)制造工藝路徑、物流等進(jìn)行預(yù)規(guī)劃，并在仿真模型“預(yù)演”的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行分析、評估、驗證，迅速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中存在的問題并及時進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，減少后續(xù)生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)對于實體系統(tǒng)的更改與返工次數(shù)，從而有效降低成本、縮短工期、提高效率；

3）通過本項目，基本打通了制造業(yè)設(shè)計軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式和工程設(shè)計行業(yè)軟件數(shù)據(jù)格式的互通問題，使得協(xié)同成為可能；

4）通過BIM模型的仿真，模擬仿真熱車間的風(fēng)環(huán)境，并對車間開窗及通風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，大大提升了熱車間的環(huán)境舒適度。

虛擬制造解決生產(chǎn)問題、虛擬建造解決工程建設(shè)問題，兩者結(jié)合提升工廠規(guī)劃設(shè)計水平。下一步，將研究如何使工程建設(shè)過程中產(chǎn)生的數(shù)字資產(chǎn)與生產(chǎn)過程的數(shù)字資產(chǎn)相結(jié)合，真正實現(xiàn)工程建設(shè)、生產(chǎn)過程的全生命周期數(shù)字孿生，進(jìn)而建造全要素、全生命周期的數(shù)字化工廠。