裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)設(shè)計及工藝設(shè)備探究

■陳宇翔

（義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 義烏 322000）

建筑業(yè)是推動社會經(jīng)濟發(fā)展的重要主體，隨著社會環(huán)境的變化，裝配式建筑成為行業(yè)發(fā)展的主要趨勢。2015年，我國發(fā)布《工業(yè)化建筑評價標準》，決定在全國全面推廣裝配式建筑,并預(yù)計在未來15年到20年內(nèi)取得突破性進展。2016年2月22日國務(wù)院出臺《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，要求要因地制宜發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)等裝配式建筑，力爭用10年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%[1]。由此可見，在我國現(xiàn)階段建筑行業(yè)中，裝配式建筑的研究方向極其重要，而在裝配式建筑中最為關(guān)鍵的就是預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)制造，預(yù)制配件生產(chǎn)制造技術(shù)和能力的發(fā)展是整個行業(yè)發(fā)展的保障。在我國現(xiàn)在建筑技術(shù)中，裝配式預(yù)制構(gòu)件主要以混凝土構(gòu)件（PC構(gòu)件）為主，因此本文內(nèi)容均以PC構(gòu)件為研究對象。

一、模具設(shè)計階段

建筑構(gòu)件的模具設(shè)計至關(guān)重要，直接影響到整個構(gòu)件的制造成本以及使用壽命，所以在模具設(shè)計時首先就要考慮到模具的剛度問題，如果剛度不夠，就會導(dǎo)致模具可周轉(zhuǎn)次數(shù)大大降低，進而產(chǎn)生高額的二次追加模具費用或模具維修費用，甚至出現(xiàn)因此而導(dǎo)致極大影響工程進度的情況，同時也可能產(chǎn)生因模具剛度不夠而出現(xiàn)模具瑕疵以致于影響生產(chǎn)的構(gòu)件質(zhì)量的情況。其次，在模具的設(shè)計中，需要考慮到模具的通用性，也就是增大模具的重復(fù)利用率，這就要求在設(shè)計過程中考慮到工程的連貫性，使模具在一個工程結(jié)束后，能夠投入到下一工程的使用或進行小整改即可投入后續(xù)工程使用，避免出現(xiàn)模具單個工程項目使用后即無法與后續(xù)工程銜接而廢棄的情況，如圖1所示為立打樓梯模具三維圖。最后，在模具的設(shè)計過程中，還需要考慮到建筑構(gòu)件的生產(chǎn)工藝，否則生產(chǎn)效率將被大大降低，只有對生產(chǎn)工藝有相當?shù)牧私舛覍⑵淇紤]在模具設(shè)計范圍內(nèi)，才有可能在保證模具剛度和精度的前提下，減少模具組模和拆模工序的數(shù)量和時間，提高生產(chǎn)效率[2]。

二、生產(chǎn)加工設(shè)備

（一）劃線機

在PC構(gòu)件的生產(chǎn)過程中，首先需要確定邊模和預(yù)埋件的準確位置，用劃線機將這些位置在底模上劃出。劃線機主要由機械部分、控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、劃線系統(tǒng)組成。其中，機械部分主要包含走行支架、橫梁、主副端梁、精密導(dǎo)軌、控制面板等；控制系統(tǒng)包括數(shù)控系統(tǒng)、電器配套1套、控制面板；伺服系統(tǒng)由X軸電機、Y軸電機、伺服變壓器等組成；劃線系統(tǒng)由劃線車、劃線支架、劃筆、筆墨系統(tǒng)組成。劃線機為橋式結(jié)構(gòu)，可以適用于各種規(guī)格的通用模型疊合板，墻板底模的劃線可根據(jù)實際要求處理復(fù)雜圖形，精確定位系統(tǒng)，保證圖形的準確。

（二）混凝土輸送機、布料機

劃線機在底模上劃出邊模和預(yù)埋件的位置后，需要將攪拌站出來的混凝土存放輸送至布料機，再由布料機向模具中布料。

混凝土輸送機由料斗、軌道、翻轉(zhuǎn)設(shè)備和控制系統(tǒng)組成?；炷翉臄嚢枵境鰜砗筮M入料斗，料斗通過特定軌道輸送到設(shè)定的位置后通過翻轉(zhuǎn)裝置驅(qū)動使其旋轉(zhuǎn)，將料斗中的混凝土傾瀉到布料機中，傾瀉后通過電控系統(tǒng)控制清洗平臺，清洗平臺設(shè)置于攪拌站下方。

混凝土布料機由支架、料斗、清洗裝置和控制系統(tǒng)組成，主要用于將混凝土均勻定量地向混凝土構(gòu)件模具中布料，如圖2所示。布料機通過控制系統(tǒng)與計算機相連，直接讀取圖紙數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)讀取至控制器中，再通過平面兩坐標運動控制縱向料斗升降，這樣就可以根據(jù)PC構(gòu)件的設(shè)計圖紙尺寸、設(shè)計厚度要求由程序控制均勻布料。布料機采用整幅布料，布料速度快且操作簡便。

圖2 混凝土布料機

（三）振動臺

在完成混凝土希料之后，需要將混凝土振搗使其密實，這個工作通常由振動臺來完成。振動臺由固定臺座、振動臺面、減振提升裝置、鎖緊機構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，是用于振搗完成布料后的混凝土的周轉(zhuǎn)平臺，將其中混凝土振搗密實，如圖3所示。固定臺座和振動臺面前后依次布置，固定臺座與振動臺面之間裝有減振提升裝置，周轉(zhuǎn)平臺放置于振動臺上。振動臺鎖緊裝置鎖緊，將周轉(zhuǎn)平臺與振動臺鎖緊為一體，布料機在模具進行布料。布料完成，振動臺起升后再起振，將模具中混凝土振搗密實[3]。

圖3 振動臺

（四）刮平機

經(jīng)過布料振搗的混凝土需要刮平才能使表面平整，刮平機由鋼支架、大車、小車、整平機構(gòu)及電氣系統(tǒng)等組成。將混凝土面看成一個由X軸和Y軸形成的平面，那么刮平機在鋼支架上沿著Y軸走行，同時整平機構(gòu)安裝在小車上，小車沿X軸方向行走，則其刮平范圍可覆蓋整個模板。刮平機構(gòu)的升降系統(tǒng)使用電動升降，其結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，占據(jù)空間小，而且可以在規(guī)定行程范圍內(nèi)任意位置停止并自鎖。刮平機上裝有振動電機，與升降系統(tǒng)支架裝有減振裝置，并且裝有特制刮平板，刮平板由耐磨材料按照特定的弧度壓制而成，整平效果好。走行機構(gòu)采用變頻帶剎車減速機，可以方便調(diào)整速度。

（五）堆碼機、養(yǎng)護窖

經(jīng)過振動密實且刮平整的混凝土建筑構(gòu)件，接下來需要通過堆碼機輸送到養(yǎng)護窖的指定位置，堆碼機由行走系統(tǒng)、大架、提升系統(tǒng)、吊板輸送架、取/送模機構(gòu)、縱向定位機構(gòu)、橫向定位機構(gòu)、電氣系統(tǒng)等組成。橫向行走由變頻制動電機驅(qū)動，裝有夾軌導(dǎo)向裝置、橫向定位裝置，保證橫向走位精度，碼垛車與養(yǎng)護窖重復(fù)位置精度不變，保證將構(gòu)件送至養(yǎng)護窖中的精確位置。

構(gòu)件被送至養(yǎng)護窖中存放，經(jīng)過靜置、升溫、恒溫、降溫等幾個階段使水泥構(gòu)件凝固強度達到要求。養(yǎng)護窖由窖體、蒸汽系統(tǒng)(或散熱片系統(tǒng))、溫度控制系統(tǒng)等組成。根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)置具體養(yǎng)護工位數(shù)，其基本結(jié)構(gòu)由若干個養(yǎng)護位的孔洞和2個進出輸送工位組成，養(yǎng)護窖有保溫門；養(yǎng)護窖采用鋼結(jié)構(gòu)支架，窖內(nèi)安裝滾輪用于輸送及支撐模板；其中溫度控制系統(tǒng)可根據(jù)需求適應(yīng)不同的養(yǎng)護工藝。立體養(yǎng)護窖窖體是由型鋼組合成框架，框架上安裝有托輪，托輪為模塊化設(shè)計。窖體外墻用保溫材料拼合而成，每列構(gòu)成獨立的養(yǎng)護空間，可分別控制各孔位的溫度。模具在立體養(yǎng)護窖中經(jīng)過靜置、升溫、恒溫、降溫等幾個階段使預(yù)制構(gòu)件凝固強度達到設(shè)計要求。窖體底部設(shè)置兩個進出輸送地面輥道，模板可沿地面輥道通過。

混凝土構(gòu)件經(jīng)過養(yǎng)護，再由堆碼機的取模設(shè)備取出，通過吊板輸送架等設(shè)備，最后準確地送至脫模位置進行脫模工作。

（六）養(yǎng)護及溫控系統(tǒng)

模臺預(yù)養(yǎng)護系統(tǒng)包括鋼結(jié)構(gòu)支架、保溫膜、蒸汽管道、養(yǎng)護溫控系統(tǒng)等部分。養(yǎng)護通道由鋼結(jié)構(gòu)支架、養(yǎng)護棚（鋼-巖棉-鋼材料）組成，放置于輸送線上方，可以供帶制品的模板通過。通道內(nèi)的預(yù)養(yǎng)護工位由中央控制器自動控制啟動停止，同時由于養(yǎng)護過程中的不同階段對溫度的要求不盡相同，所以需要通過中央控制器控制系統(tǒng)的溫度變化，使系統(tǒng)內(nèi)的溫度隨著養(yǎng)護的不同階段而自動調(diào)節(jié)至該階段下的適宜溫度，而且控制人員可以根據(jù)歷史實時記錄溫度的回放等控制混凝土構(gòu)件的質(zhì)量。另外，自動監(jiān)控系統(tǒng)可用于蒸汽養(yǎng)護過程的監(jiān)控，能自動控制養(yǎng)護通道內(nèi)溫度，通常設(shè)計養(yǎng)護時間為0.6小時左右[4]。

（七）拉毛機、抹光機

脫模后的建筑構(gòu)件，為了能夠跟現(xiàn)場的后澆筑構(gòu)件更好地結(jié)合起來，還需對構(gòu)件新澆注混凝土的預(yù)連接表面進行拉毛處理。拉毛機由鋼支架、變頻驅(qū)動的大車及走行機構(gòu)、小車走行、升降機構(gòu)、轉(zhuǎn)位機構(gòu)、可拆卸的毛刷、電氣控制系統(tǒng)組成。拉毛毛刷由合金刀板組成，拉毛機在鋼支架上縱向走行，小車在大車軌道上橫向走行，拉毛范圍可覆蓋整個模板。

同時，脫模后的構(gòu)件其他面上則需要用抹光機進行抹光，使表面更加平整光滑。抹平頭可在平面的兩個方向上自由移動并進行抹光工作。抹光機由門架式鋼結(jié)構(gòu)機架、走行機構(gòu)、抹光裝置、提升機構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)等組成。

（八）模具清掃機

脫模后，為保證模具下一次的正常使用，需要將空模臺上附著的混凝土清理干凈。模具清掃機是由清渣鏟、橫向刷輥、支撐架、除塵器、清渣斗和電氣系統(tǒng)組成。清渣鏟能將附著的混凝土鏟下，橫向刷輥可以將底模上混凝土渣清掃，模具通過后掉落清渣斗內(nèi)。吸塵器能將毛刷激起的揚塵吸入濾袋內(nèi)，避免粉塵污染。其控制系統(tǒng)與噴涂脫模機裝置一體化，減少操作人員。

（九）支撐、驅(qū)動輪和控制系統(tǒng)

除了以上設(shè)備外，生產(chǎn)過程中還需要用于整條生產(chǎn)線的空模周轉(zhuǎn)平臺及帶制品周轉(zhuǎn)平臺運輸?shù)恼字巍Ⅱ?qū)動和控制系統(tǒng)。

模板軌道自動傳送系統(tǒng)由滾輪支架及帶制動摩擦輪驅(qū)動裝置組成。每條軌道板滾輪架線由1套電氣控制系統(tǒng)控制，用于協(xié)調(diào)架線與其他設(shè)備的配合工作。每套電氣控制系統(tǒng)由PLC為核心的主控制系統(tǒng)組成，下設(shè)子控制系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)包括變頻調(diào)速控制柜、PLC電器柜等。主控制柜由PLC及外圍輸入輸出電路組成，電機主回路的設(shè)備由變頻調(diào)速器、空氣開關(guān)、接觸器、熱繼電器等組成。每個模位設(shè)有轉(zhuǎn)換開關(guān)，決定整個控制系統(tǒng)運行模式。在子控制系統(tǒng)上的轉(zhuǎn)換開關(guān)是手/自動擋的切換。在輸送線上不同位置布置了行程開關(guān)用于檢測模板的位置、變速等，實現(xiàn)各工位的自動停止、啟動、變速，并將清理裝置、噴涂脫模劑裝置、橫移車等設(shè)備開啟和停止統(tǒng)一控制。輸送線控制系統(tǒng)用于傳送空周轉(zhuǎn)平臺及帶制品周轉(zhuǎn)平臺，是一條從空模周轉(zhuǎn)平臺到成品下線的輸送線。采用PLC自動控制系統(tǒng)對整個流程進行控制。操作人員可通過選擇運行模式將整個輸送線分工，各工位可以獨立運行及組合運行，可以手動/自動/半自動化切換運行。

三、模具檢測及成品驗收工藝

（一）模具驗收

在完成模具設(shè)計制作工作后，在正式進入模具使用和構(gòu)件生產(chǎn)之前，模具的驗收工作是相當有必要的，模具的驗收工作需要遵循先外觀目測，后檢測測量的原則，檢測測量先外后內(nèi)，從外框尺寸檢查到細部配件定位檢查，再到配件自身的尺寸檢查。

模具外觀的檢測，應(yīng)該首先對模具的底架、臺模、邊模等焊接部位的焊接情況進行檢驗，其次檢查模具所用材料和配件的規(guī)格是否符合設(shè)計圖紙的要求，還需要檢查部件之間的連接是否牢固，以及預(yù)制構(gòu)件上的預(yù)埋件、預(yù)留孔位等是否固定可靠等。

在模具外觀滿足以上要求后，再進行模具的內(nèi)部尺寸檢驗，首先檢測模具的整體尺寸、扭翹、側(cè)彎等情況，然后檢測模具內(nèi)預(yù)留線盒、孔洞、埋件等配件的位置與尺寸。

（二）模具清理及組裝

在模具驗收完成后，對于新制的模具，在正式使用之前，還需要使用拋光機進行打磨拋光處理，目的是除去模具內(nèi)腔表面的雜物和浮銹。打磨時需要把模具拆開，內(nèi)腔向上，從一個模具邊角開始向外逐步打磨，保證打磨均勻全面，不允許跳躍打磨和漏打磨。在模具清理干凈后，才可以對模具進行組裝。

（三）鋼筋和預(yù)埋件的安裝

驗收合格的鋼筋骨架，使用龍門吊進行整體吊裝，將其吊至模具內(nèi)，吊裝過程中需要保證鋼筋骨架的水平平行，并且要防止鋼筋變形，線盒等預(yù)埋件需要嚴格按照圖紙設(shè)計用螺栓固定于模板和壓杠上。

（四）混凝土澆筑、振搗

在混凝土澆筑之前，必須先進行嚴格的混凝土質(zhì)量檢測，通常是在現(xiàn)場進行混凝土坍落度測試，控制坍落度在120 mm-160 mm。在混凝土的澆筑過程中，振動棒須避免與預(yù)埋件等接觸，以防產(chǎn)生較大位移，對于樓梯、梁、柱等構(gòu)件，應(yīng)該采用分層振搗，一般以300mm每層比較適宜。最后，在澆筑振搗完成后，需要將多余的混凝土刮去，厚度偏差需要控制在0 mm-3 mm[5]。

（五）成型養(yǎng)護

構(gòu)件澆筑成型后要進養(yǎng)護窖養(yǎng)護，通常的養(yǎng)護過程為：

(1)靜停 1-2h；

(2)升溫2h，升溫速度通?？刂圃?5℃/h；

(3)恒溫最高溫度控制在60℃；

(4)降溫，以15℃/h的速度降至與大氣溫度溫差小于20℃。

（六）脫模起吊

在PC構(gòu)件的脫模起吊過程中，吊點的選擇是重要的，需要盡量依據(jù)構(gòu)件的重心來選擇，否則可能因為構(gòu)件荷載偏向某一方向?qū)е掳踩鹿?，由于?gòu)件幾何形狀的不規(guī)則性和體積重量的特殊性，通常只能用理論計算的方法來確定它的重心[6]。即將構(gòu)件假設(shè)為無數(shù)個基礎(chǔ)單元的組合體，并將任意一個單元的位置和密度表述為：（x，y，z）和 ρ（x，y，z），整個構(gòu)件質(zhì)量定義為 m，則可以算出對于平板型構(gòu)件P，其重心位置可以表達為：對于不規(guī)則構(gòu)件體 V，其重心位置可表達為：

脫模起吊工作的起吊點須盡量接近于以上方法計算所得的重心，以避免造成安全事故[7]。

（七）構(gòu)件表面修整和驗收

構(gòu)件在脫模后在一定程度上會有一些瑕疵，在經(jīng)過工程師鑒定此瑕疵不影響結(jié)構(gòu)受力的前提下，可以對這些瑕疵進行修整，修整后的混凝土構(gòu)件應(yīng)該采取措施進行保溫保濕養(yǎng)護。建筑構(gòu)件的驗收原則與構(gòu)件模具驗收原則相似，遵循“先外觀目測，后檢測測量”的原則[8]。

PC構(gòu)件的模具設(shè)計以及生產(chǎn)工藝是現(xiàn)代建筑技術(shù)的關(guān)鍵領(lǐng)域。在PC構(gòu)件的生產(chǎn)過程中，從構(gòu)件生產(chǎn)模具的設(shè)計開始到生產(chǎn)后的構(gòu)件吊裝，都要嚴格按照要求，所生產(chǎn)的PC構(gòu)件才能在強度、抗壓等方面達到建筑設(shè)計要求。