新型预制混凝土构件生产技术研究及工艺装备开发

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放大字体  缩小字体    发布日期:2019-07-07  浏览次数:622
核心提示:工业化建造方式的不断创新已成为当今世界建筑技术发展的主要热点,建筑工业化程度逐渐成为衡量国家和地区建筑业发展水平的重要标志。装配式混凝土结构、装配式钢结构、装配式木结构成为装配式建…

工业化建造方式的不断创新已成为当今世界建筑技术发展的主要热点,建筑工业化程度逐渐成为衡量国家和地区建筑业发展水平的重要标志。装配式混凝土结构、装配式钢结构、装配式木结构成为装配式建筑的主要应用体系,同时建筑工业化也促进了装配式结构在公路、铁路、管道、隧道、桥梁、机场、园林景观等其他土木工程领域的应用(如图1所示),新型预制混凝土构件开始应用在各种工程中。

装配式技术应用

图1 装配式技术应用

1、国外预制混凝土构件技术及应用发展情况

德国、芬兰等欧洲发达国家混凝土预制构件技术起步较早,建筑装配率在50%以上。德国提出的发展零能耗被动式建筑,均为装配式建筑形式。美国能源危机期间开始实施构配件化施工和机械化生产。日本在装配式住宅方面制定了一系列政策,形成统一的技术体系及模数标准。新加坡、香港等开发高层单元化卫生间和PC住宅,通过平面布局、部件尺寸和安装节点的重复性来实现标准化,装配率可达70%。纵观国外发达国家,已基本解决标准化、批量生产和多样化需求的矛盾,保证了住宅内部结构的可变,同时适应多样化需求。

上世纪五六十年代,城市高架道路等工程的装配化施工开始萌芽。目前装配技术在城市高架道路等市政工程应用比较广泛,包括大型桥梁工程也逐渐发展装配式技术,日本多多罗大桥、东京湾大桥都采用预制装配式建造方式,施工技术国际领先。美国交通机构广泛使用快速施工技术(ACT),包括预制桥梁构件和施工工艺。欧洲专门成立了研究发展项目,项目总体目标是发展一种新型的节约成本和时间的稳定桥梁结构,使预制桥梁更具竞争力,欧洲和美国的经验对快速桥梁建设(ABC)和预应力桥梁构件的使用和普及起到了推动作用。

2、国内预制混凝土构件技术及应用发展情况

2.1、建筑工程领域

我国传统的装配式建筑预制构件生产以固定模台、人工操作生产方式为主,自动化程度低。随着预制构件需求量的增加,预制构件生产工艺、设备也在不断改进,生产能力不断提升,传统的生产方式正逐步被智能化设备生产方式所代替。通过各设备之间的联动,预制构件生产的各项工序更加便捷、快速。常见预制构件生产线包括模台移动式生产线、模台固定装备移动式生产线、长线台座生产线等(如图2所示)。

预制构件主要生产线

图2 预制构件主要生产线

但是,近几年建筑预制构件生产管理、技术工艺、预制构件设计理念、装配施工等脱节较为严重,其智能化生产技术、高效智能装备引进及开发明显水土不服,缺乏协同适用的标准化、协同化、工具化的支撑体系,造成投入产出不平衡,不少企业陷入了进退两难的困境。因此对新型预制混凝土构件生产工艺技术的研究及新型工艺装备的开发有必要进行系统的总结和反思。

2.2、大型土木工程领域

2.2.1、市政工程

预制混凝土构件在城市轨道交通、高架桥、城际客运专线大型基础设施和地下空间开发和应用发展十分迅速,体量巨大。一些大型城市的高架道路建设借鉴装配化理念,采用大型立柱、盖梁、箱梁构件的预制装配式施工,高架道路上部防护结构也进行分块预制安装,技术体系相当成熟和完备,相关构件应用领域如图3所示。

市政构件工程应用

图3 市政构件工程应用

2.2.2、大型桥梁铁路工程

大型桥梁工程较多采用预制装配式建造方式,国内比较典型的工程包括高铁、东海大桥、港珠澳跨海大桥、苏通大桥等,例如港珠澳跨海大桥上部结构为钢梁节段拼装,沉管隧道由33节预制钢筋混凝土结构沉管对接而成;在建的乐清湾大桥工程采用的是大体量节段梁装配式建造(如图4所示)。铁路建设更持续强化项目建设的机械化、工厂化、专业化和信息化四个支撑手段,巩固既有成果,努力将建设项目标准化管理提升到一个更高的水平,走向世界,使我国大型预制构件的生产工艺、现场安装技术以及机械吊装设备等取得创新性进步。

乐清湾大桥工程节段梁预制现场与装配施工现场

图4 乐清湾大桥工程节段梁预制现场与装配施工现场

3、上海建工预制技术新进展

上海建工为全面开启装配式建筑新历程做出多方面努力,在预制构件技术创新发展方面不断尝试、探索、研究,在建筑预制构件、轨道交通、城市高架桥等市政构件各类专业领域的专用预制构件方面进行了大量的探索和实践。

3.1、建筑构件

上海建工从2003年投入新一轮预制技术研究和产业化推广应用,生产的PC阳台板等预制构件出口日本等国,通过了日本JIS、PCN认证。目前已研发形成如长效节能装配式建筑体系、螺栓连接剪力墙体系、可扩展组合式长线台座预制构件生产线系统、装配式建筑标准化施工和高效安装、标准化系列化模块化建筑安装、装饰部品构件的开发和安装、BIM深化设计和模具数字化设计制造等集群式核心技术。预制梁、柱、剪力墙板、外挂墙板、叠合板、飘窗、楼梯板、阳台板、预制空调板、双T板等预制构件产品及体系在众多工程中得到应用,如周康航基地C-04-01地块项目、浦江镇128-3地块项目、临港重装备产业区H36-02地块项目等(如图5所示)。

装配式建筑项目工程

图5 装配式建筑项目工程

最新的上海建工建筑构件产业化2号基地拥有四个生产线车间,其新型可扩展组合式长线台座预制构件自动化流水线主要设备自德国索玛公司引进,结合上海建工对构件生产技术工艺体系的长期积累,整合集成固定模台特征、热模台养护技术、信息化管理技术等新型生产线。该PC智能化流水线生产系统的主要技术特征是基于全柔性生产技术、平面矩阵式布局、台模可原位侧翻及热台模养护、关键装备可纵横向自行移动的集成化无线数码控制技术,具有智能化水平高、可扩展性强、适应性强和能耗低的优势。该流水线主要智能化装备如图6所示,具体包括:生产轨道及振动侧翻一体式热养护固定模台,纵横向自行移动式清扫划线脱模剂喷涂一体化集成装置,中央行走平台装置,物料输送平台,桥式混凝土料罐,纵横向自行移动式混凝土布料机,纵横向自行移动式振动侧翻装置,旋翼式抹平装置,蒸汽养护覆盖装置。基于固定模台生产方式,结合流水线中高效的单元装备,通过在轨道上自行移动,这些装备在固定模台上进行工作,形成一种全新的生产方式。

 流水线关键装备

图6 流水线关键装备

3.2、市政构件

市政工程建设方面已在城市高架、轨道交通、综合管廊、园区景观部品等采用装配式建造形式,大型构件开始向节段化、轻量化方向发展。

全预制拼装适用于交通繁忙路段城市高架道路建设,立柱、盖梁及路面箱梁、防撞墙全部采用工厂化生产现场拼装方式建造,缓解了传统现浇施工造成的交通障碍和环境噪音的干扰。全预制拼装高架装配施工现场采用大型起吊机械进行安装,立柱、盖梁、箱梁的预制技术以及相关的工艺设备发展逐步成熟(如图7所示)。上海建工通过持续创新,开发出可三向移动的盖梁、箱梁内外模系统,研制出立柱翻转以及可精确定位钢筋的钢筋笼成型胎架等工装系统。

城市全预制高架构件

图7 城市全预制高架构件

在城市轨道交通工程方面,主要应用的构件类型有U型梁、节段梁、管片、地下通道管节、城市综合管廊等。节段梁的预制方式包括长线法和短线法两种,图8为长线法节段预制工艺,上海建工为进一步优化生产方案,最大效率地使用生产场地缩短工期,自主创新应用同向双流水新型长线法节段梁技术工艺。该工艺在上海地铁轨道交通5号线南延伸段工程应用,获得非常好的效果。

同步同向流水组织长线法节段梁预制工艺及工程应用

图8 同步同向流水组织长线法节段梁预制工艺及工程应用

地铁管片是应用最为广泛、形式比较简单、但精度要求很高的市政工程预制构件,目前管片生产已实现流水生产模式。上海建工仍然不断进行探索和创新,积极开发承插快装自锁式管片、(椭圆)矩形管片等,研发管片关键生产工位智能化生产装备,如抹面机器人、模具自动拆装清洗涂油系统、降噪振动房系统及清洁能源养护系统等(如图9所示)。

关键生产工位智能装备

图9 关键生产工位智能装备

3.3、其他产品

除上述产品,其他产品工程应用如图10所示,许多装饰性混凝土结构同样可采用预制构件的形式进行加工制作并安装。典型的应用产品包括上海远香湖桥墩的装饰立面、上海野生动物园光影成像装饰混凝土构件的制作、装饰性景观透光混凝土预制构件的制作以及迪士尼预制集水井等。

其他构件产品的工程应用

图10 其他构件产品的工程应用

3.4、构件钢筋加工技术

许多构件生产线普遍存在钢筋加工效率低、投入人力多以及台座占用时间长等问题。针对提升生产线整体工业化水平效能的问题,钢筋设计应该创新思维,采用离散化、集成化、网片化等设计,以适应钢筋数控化加工和钢筋笼制作。目前,钢筋自动化加工技术有了较高水平,钢筋弯曲、剪切都采用全自动机械加工,从数控机械加工发展到联动模式的钢筋笼大型液压成型设备工装系统,同时推动了对钢筋笼焊接机械手、智能机器人辅助成型技术研究的发展步伐。

4、预制技术发展趋势及主要特点

总结预制技术及应用方向,未来可预见的发展点包括:设计、生产、施工一体化,结构功能装饰一体化设计,高精度构件模具,混凝土高性能化,节能环保清洁生产,信息化应用,数字化制造技术及装备等。

4.1、设计、生产、施工一体化

建筑工业化极大地推动了预制构件产业的发展,但由于设计与实际生产的脱节,造成构件生产标准化程度低、资源消耗大、成本较高的问题。上海建工为解决这一问题,较好地整合建筑产业链,通过前期融合,使得生产、施工与设计三位一体,充分发挥开发、设计、构配件生产与施工全产业链的优势。

4.2 产品尺寸及模具高精度

高精度是现代预制混凝土技术的主要特点之一,而开发更高精度的预制混凝土模具是关键。高精度预制混凝土构件的钢模应具备足够的强度、刚度和稳定性,采用高精度模具加工设备对单一零件进行放样切割,后进行试拼装。计算机辅助设计在预制模具设计中得到广泛应用,上海建工正在开发计算机虚拟模具制造技术以应对高精度复杂预制构件的生产。钢筋笼按照模具规格安装定位,预埋件采用模具上工装整体定位,研制高精度钢筋笼胎架,高精度工装定位装置如图11所示。随着施工现场安装精度的提升,各类预埋件的精确定位技术包括绝对定位法和相对定位法得到发展,各类高精度在线测量仪器在预制构件的测量和定位中得到应用。

 高精度工装定位装置

图11 高精度工装定位装置

4.3 结构功能装饰一体化

传统的装饰形式已经难以满足人们日益增长的对构件品味的追求,人们开始逐渐追求对构件结构功能装饰效果一体化(如图12所示)。表面纹理、露骨料、彩色混凝土、清水混凝土、外饰面铺贴面砖石材或涂层等装饰预制构件具有大好的发展前景。通过研究装饰形式的实现技术,可降低该系列预制构件制作的成本。装饰混凝土将装饰与功能结合为一体,使结构施工和装饰同时进行,充分利用了混凝土材料的构成特点和良好的可塑性,减少了现场装修作业,缩短了工期。

 构件功能装饰一体化工程应用

图12 构件功能装饰一体化工程应用

4.4 混凝土高性能化

高性能混凝土技术的应用开始被关注。美国纽约州开发出一种全预制波特兰水泥混凝土面板,采用高性能混凝土UHPC,抗压强度可达200MPa。目前国内UHPC研究也取得了很大突破。预制混凝土基于高效生产的要求,对早期强度要求比较高,需要采用早强型的矿物、化学外加剂和蒸汽养护等工艺。

4.5、信息化与工业化融合的数字化制造

信息化时代的装配式建筑预制构件生产将转向信息化数字化生产模式,实现信息化与工业化的紧密联合,通过模型与生产、装配信息相关联,信息数据自动归并和集成,实现对信息的识别和预制构件的自动化辅助加工。

设计全过程有必要采用BIM技术,形成设计为龙头的装配式建筑BIM技术的广泛应用,实现协同化、可视化设计、数字化设计及通用预制构件库等,为后期预制构件的生产、施工以及运营提供设计模型及技术支撑,综合考虑构件形式、制造、运输、组装的数字化建造过程。

生产线的发展,要适应产品设计、预制构件库的选择、模具的设计加工、构件的数字化生产一体化,从而初步实现预制构件的信息化生产与数字化建造的能级提升需求,使生产线具有生产设施和装备可扩展布置和有机组合,构件生产机械化程度高、产品适应性强、投资少等特点。

目前正在投入开发适合复杂构件流水线的抹面机器人、钢筋笼焊接机器人、模具自动拆装及清洗系统、振动模位降噪系统等。

4.6、节能环保技术

节能环保和新材料技术的应用具有十分重要的社会意义和经济效益。混凝土预制构件的常规蒸汽养护方式需消耗大量不可再生能源,不符合绿色清洁生产理念。借鉴清洁能源在其他行业的发展和应用,研究应用太阳能和空气能耦合的热能系统将为预制工厂提供清洁能源,在节能环保方面取得突破。此外,免蒸养混凝土技术及自动温控技术在构件养护中的应用,也将减少能源的浪费。

结语

大力发展装配式建筑是建筑业生产方式的多样化之选,顺应绿色发展的理念。建筑工业化相关技术的创新研究与发展将推进建筑产业逐渐向标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用的方向转变。其中,预制构件产业应向绿色、节能、环保、工业化与信息化融合的数字化制造(智造)模式探索和发展,不断开发出新的产品和工艺装备,培育新产业新动能,提升建筑工程品质。

 

本文标题: 新型预制混凝土构件生产技术研究及工艺装备开发

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