混凝土預(yù)制構(gòu)件關(guān)鍵技術(shù)研究及成套裝備開(kāi)發(fā)

于明 任霞 劉興剛 李純鑄

摘 要：混凝土預(yù)制（PC）構(gòu)件工廠化生產(chǎn)是現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的混凝土預(yù)制構(gòu)件關(guān)鍵技術(shù)及成套裝備，北方重工集團(tuán)有限公司在PC構(gòu)件生產(chǎn)線工藝、關(guān)鍵技術(shù)及典型設(shè)備等領(lǐng)域進(jìn)行了自主研發(fā)，在原料制備、智能布料、多功能機(jī)械手、鋼筋網(wǎng)自動(dòng)化成型、分體式養(yǎng)護(hù)窯及生產(chǎn)線智能化控制等方面取得了顯著成果，并對(duì)生產(chǎn)線全部設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)及制造，從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)混凝土預(yù)制構(gòu)件成套裝備開(kāi)發(fā)、制造的國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。

關(guān)鍵詞：預(yù)制裝配建筑技術(shù) ?PC構(gòu)件 ?PC生產(chǎn)線 ?鋼筋成型系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU647 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（c）-0067-02

21世紀(jì)以來(lái)，預(yù)制裝配建筑技術(shù)成為國(guó)際建筑工業(yè)化的潮流，結(jié)合國(guó)外住宅產(chǎn)業(yè)化成功經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)建筑行業(yè)掀起了“建筑工業(yè)化”浪潮，混凝土預(yù)制（PC）構(gòu)件的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代[1]。PC制造的工廠化、高度自動(dòng)化，是預(yù)制裝配建筑技術(shù)的核心內(nèi)容，目前我國(guó)PC構(gòu)件生產(chǎn)設(shè)備主要依賴于進(jìn)口[2]，這成為我國(guó)預(yù)制裝配建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。

1 混凝土預(yù)制構(gòu)件技術(shù)及成套裝備發(fā)展?fàn)顩r

目前，歐美國(guó)家無(wú)論是PC工藝技術(shù)還是生產(chǎn)裝備方面均非常成熟，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了智能化控制、工廠化生產(chǎn)。代表性企業(yè)有Vollert、EBAWE、Elematic等公司。而國(guó)內(nèi)大多數(shù)PC構(gòu)件制造還是以人工加機(jī)械混合生產(chǎn)模式為主，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，究其原因在于PC工廠成套設(shè)備的自動(dòng)化、智能化水平偏低。代表性廠家有上海莊臣機(jī)械、河北新大地等公司。

2 北方重工集團(tuán)混凝土預(yù)制構(gòu)件技術(shù)

北方重工集團(tuán)于2013年全面進(jìn)入現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)化成套設(shè)備制造領(lǐng)域，研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的年產(chǎn)100萬(wàn)m2及以上規(guī)模的PC構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)線及成套裝備，替代進(jìn)口，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，解決了制約我國(guó)現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)“瓶頸”，使我國(guó)工業(yè)化混凝土預(yù)制構(gòu)件裝備技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

2.1 PC構(gòu)件工藝技術(shù)研究

根據(jù)PC工廠制品的年產(chǎn)量配比需要，托盤輪轉(zhuǎn)系統(tǒng)的循環(huán)狀態(tài)，自動(dòng)化控制水平的高低，我們開(kāi)發(fā)出3種滿足不同用戶需求的PC構(gòu)件生產(chǎn)線，即：全自動(dòng)化生產(chǎn)線、半自動(dòng)化生產(chǎn)線、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)線。

2.2 PC構(gòu)件關(guān)鍵技術(shù)研究

2.2.1 高效配料及智能混凝土構(gòu)件制備關(guān)鍵技術(shù)

混凝土原料配比優(yōu)化技術(shù)：混凝土原料配比是解決混凝土耐久性問(wèn)題的主要途徑。研究水泥、砂石、摻和料及外加劑的用量，找出原料配比中影響混凝土質(zhì)量的主要原料，確定其用量與混凝土質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立原料配比與混凝土等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。

智能布料技術(shù)：在布料機(jī)上設(shè)置若干個(gè)小的布料口，每個(gè)布料口包含一個(gè)螺旋輸送機(jī)，輸送機(jī)的工作速度由軟件控制。對(duì)于PC構(gòu)件來(lái)說(shuō)，有些構(gòu)件形狀不唯一，如構(gòu)件中有門和窗的區(qū)域，在這些區(qū)域中，布料口就需要關(guān)閉。對(duì)于小尺寸的構(gòu)件，在構(gòu)件尺寸外的區(qū)域需要關(guān)閉布料口。因此，分布式控制各個(gè)小布料口啟閉及布料速度，使布料機(jī)適應(yīng)不同尺寸和厚度的構(gòu)件十分重要。

高效密實(shí)技術(shù)：混凝土密實(shí)實(shí)際上是在振動(dòng)臺(tái)上對(duì)邊模中澆注好的混凝土進(jìn)行振動(dòng)，以消除其中的氣泡，增強(qiáng)構(gòu)件的強(qiáng)度，同時(shí)又要求不讓粗骨料下沉，造成骨料分布不均勻，影響構(gòu)件的整體性能。對(duì)于雙面澆注的構(gòu)件，不能因?yàn)檎駝?dòng)破壞了養(yǎng)護(hù)好一側(cè)的結(jié)構(gòu)。因此，選擇最優(yōu)的振動(dòng)頻率和振幅，既關(guān)系到混凝土密實(shí)的效率和骨料的均勻性，也關(guān)系到雙面澆注預(yù)制構(gòu)件強(qiáng)度的均勻性，最終關(guān)系到PC構(gòu)件的整體性能。

2.2.2 多功能機(jī)械手集成關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)械手縱向在大梁上運(yùn)行，橫向在橫梁上運(yùn)行。通常劃線機(jī)械手和置模機(jī)械手合二為一，這就需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對(duì)機(jī)械手進(jìn)行集成，使機(jī)械手具有多種功能。機(jī)械手需要將輸入的PC構(gòu)件尺寸轉(zhuǎn)化為在托盤上的劃線動(dòng)作，畫(huà)出構(gòu)件輪廓尺寸。劃線完畢后，機(jī)械手需要將邊模從輸送裝置上取下，準(zhǔn)確快速地放置在畫(huà)好的構(gòu)件輪廓尺寸線上，在邊模對(duì)接處，機(jī)械手需要將兩塊邊模按照尺寸對(duì)齊，對(duì)齊縫隙滿足工藝要求，置模速度和精準(zhǔn)度對(duì)其工作效率有很大的影響。

2.2.3 混凝土預(yù)制構(gòu)件鋼筋網(wǎng)全自動(dòng)生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)

鋼筋網(wǎng)全自動(dòng)生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝規(guī)劃：結(jié)合PC構(gòu)件生產(chǎn)流程需要，研究鋼筋網(wǎng)全自動(dòng)生產(chǎn)線工藝，制定生產(chǎn)線框圖，根據(jù)各工藝特點(diǎn)與時(shí)效，進(jìn)行工藝路線優(yōu)化。開(kāi)發(fā)出鋼筋網(wǎng)全自動(dòng)生產(chǎn)線虛擬樣機(jī)平臺(tái)，進(jìn)行全自動(dòng)化生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模擬制造。研究全自動(dòng)生產(chǎn)線的多通道協(xié)調(diào)控制技術(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)可靠性研究，開(kāi)發(fā)出生產(chǎn)保護(hù)系統(tǒng)及在線監(jiān)控與管理系統(tǒng)。

自動(dòng)焊接技術(shù)：研究鋼筋網(wǎng)電渣壓力焊工藝技術(shù)及自動(dòng)焊接交直流電源系統(tǒng)，進(jìn)行不同類型、不同尺寸鋼筋網(wǎng)焊接頭專用夾具的模塊化設(shè)計(jì)與分析;開(kāi)發(fā)出電渣壓力焊在線質(zhì)量檢測(cè)與管理技術(shù);電渣壓力焊進(jìn)料速度、焊接頻率工藝參數(shù)優(yōu)化與工藝數(shù)據(jù)庫(kù);電渣壓力焊焊接設(shè)備故障診斷與數(shù)據(jù)采集技術(shù);開(kāi)發(fā)出鋼筋網(wǎng)電渣壓力焊系統(tǒng)全自動(dòng)控制與管理系統(tǒng)。

2.2.4 混凝土預(yù)制構(gòu)件工藝多智能體控制關(guān)鍵技術(shù)

多智能體控制系統(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的神經(jīng)中樞，具有中央控制、視頻監(jiān)控、警示、節(jié)拍控制等功能，對(duì)整個(gè)PC工廠的生產(chǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。中控系統(tǒng)通過(guò)向各個(gè)獨(dú)立控制系統(tǒng)發(fā)送指令，掌握、監(jiān)控各個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)，對(duì)存在隱患和發(fā)生故障的設(shè)備及時(shí)報(bào)警，自動(dòng)故障診斷，進(jìn)行故障處理，保障生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。構(gòu)建基于多智能體的PC構(gòu)件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)配料攪拌控制、混凝土澆注密實(shí)控制、PC構(gòu)件養(yǎng)護(hù)脫?？刂?、鋼筋加工結(jié)網(wǎng)控制和劃線置?？刂?。

2.2.5 混凝土預(yù)制構(gòu)件分布式養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

養(yǎng)護(hù)室設(shè)計(jì)成分體式蒸養(yǎng)格柵，對(duì)不同尺寸PC構(gòu)件實(shí)行單獨(dú)蒸養(yǎng)，養(yǎng)護(hù)室中的不同位置，不同時(shí)間段，有不同的溫度和濕度環(huán)境，為了獲得最優(yōu)預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)效率，確定了PC構(gòu)件在養(yǎng)護(hù)室中的最優(yōu)參數(shù)，即養(yǎng)護(hù)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)溫度、濕度、構(gòu)件強(qiáng)度之間的最優(yōu)關(guān)系，通過(guò)傳感器監(jiān)控每個(gè)養(yǎng)護(hù)格柵的情況，提高設(shè)備自動(dòng)化程度，縮短系統(tǒng)反應(yīng)周期，建立動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模式，保證預(yù)制件的蒸養(yǎng)效果和效率，減少養(yǎng)護(hù)室開(kāi)合時(shí)的熱量損失，降低生產(chǎn)線能耗。

3 北方重工集團(tuán)PC構(gòu)件成套裝備開(kāi)發(fā)

3.1 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線典型裝備

3.1.1 混凝土運(yùn)料系統(tǒng)

混凝土運(yùn)料系統(tǒng)以運(yùn)輸車為主體，做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，用于原料制備車間與PC構(gòu)件生產(chǎn)車間的混凝土自動(dòng)化輸送，具有速度快、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)輸車具備起重、輸送、空中貯存組織生產(chǎn)和坡度運(yùn)輸?shù)墓δ?，可?shí)現(xiàn)變頻調(diào)速、故障報(bào)警與診斷、自動(dòng)認(rèn)址、生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)等輔助功能。

3.1.2 混凝土布料機(jī)

混凝土布料機(jī)把混凝土均勻地澆注到底模托盤上?？稍谒椒较蚯昂蟆⒆笥乙苿?dòng)。布料機(jī)由計(jì)量螺旋輸送裝置，稱重裝置，多個(gè)可自由控制閥門等組成，為全自動(dòng)或半自動(dòng)。為方便清洗，料斗底部可打開(kāi)?？深A(yù)先設(shè)置代碼，混凝土排放閥門的開(kāi)關(guān)可通過(guò)代碼來(lái)編程，操作工人通過(guò)代碼可以打開(kāi)或關(guān)閉不同的排放閥門。

3.1.3 組合振搗設(shè)備

組合振搗設(shè)備用于對(duì)新澆注的PC構(gòu)件在水平方向和垂直方向同時(shí)進(jìn)行振動(dòng)密實(shí)。高頻振動(dòng)器頻率由頻率調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)整，用于壓實(shí)混凝土，消除內(nèi)部氣泡，確?；炷亮己玫念w粒分布。振搗設(shè)備可以產(chǎn)生X、Y、Z3個(gè)方向振動(dòng)，激振力大，振搗部分與基體分離，參振質(zhì)量小，振搗效果更加，確保產(chǎn)品質(zhì)量，可節(jié)省水泥10%，年節(jié)約材料成本200萬(wàn)。

3.1.4 堆垛機(jī)

堆垛機(jī)將底模托盤及預(yù)制構(gòu)件從生產(chǎn)線移送到養(yǎng)護(hù)室，或?qū)B(yǎng)護(hù)好的預(yù)制板同底模托盤從養(yǎng)護(hù)室移出，重新放入生產(chǎn)線。提升裝置緩慢地把起重梁架提起，精確地放置在養(yǎng)護(hù)室的格架層面上。養(yǎng)護(hù)室格架前的定位是通過(guò)機(jī)械調(diào)整的。整個(gè)過(guò)程由主機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)控制，操作臺(tái)上的屏幕可以看到底模托盤在堆垛機(jī)及養(yǎng)護(hù)室格架上的位置，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化控制，激光測(cè)距，X、Y坐標(biāo)準(zhǔn)確定位。

3.2 鋼筋成型成套裝備

3.2.1 鋼筋網(wǎng)全自動(dòng)加工生產(chǎn)線及置放系統(tǒng)

鋼筋網(wǎng)全自動(dòng)加工生產(chǎn)線可以生產(chǎn)各不同長(zhǎng)度、寬度和形狀的預(yù)制構(gòu)件用焊網(wǎng);具有產(chǎn)量大、精度高、改型方便、操作故障率低、質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)備可對(duì)熱軋鋼筋、冷軋鋼筋等進(jìn)行高質(zhì)量的交叉焊接。生產(chǎn)線主要包括橫縱筋供料裝置、矯直切割設(shè)備、鋼筋傳輸及喂料系統(tǒng)、自動(dòng)焊接設(shè)備、網(wǎng)片拉拽輸送設(shè)備、傾翻設(shè)備以及折彎運(yùn)輸設(shè)備等。

3.2.2 鋼筋桁架全自動(dòng)生產(chǎn)線及置放系統(tǒng)

鋼筋桁架全自動(dòng)生產(chǎn)線可以替代傳統(tǒng)人工焊接的方法生產(chǎn)出高質(zhì)量的鋼筋桁架。生產(chǎn)線主要包括：鋼筋放線架、矯直機(jī)、拱架機(jī)、桁架焊接機(jī)、剪切機(jī)及桁架自動(dòng)收集機(jī)構(gòu)。為了滿足生產(chǎn)工藝的要求，還配置有全自動(dòng)桁架存儲(chǔ)、對(duì)焊、切割及放置設(shè)備，主要包括：平板式格構(gòu)梁儲(chǔ)存設(shè)備、自動(dòng)側(cè)位喂料機(jī)、對(duì)焊機(jī)、切割剪、桁架輸出系統(tǒng)、桁架放置機(jī)械手。整個(gè)操作流程由計(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制完成，極大的提高了生產(chǎn)效率和操作的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

用工業(yè)化生產(chǎn)的方式來(lái)建造住宅，是建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然趨勢(shì)?；炷令A(yù)制構(gòu)件關(guān)鍵技術(shù)及成套裝備作為建筑工業(yè)化的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其研究和開(kāi)發(fā)將為實(shí)現(xiàn)我國(guó)建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和構(gòu)件制造工廠化提供專業(yè)的技術(shù)及設(shè)備保障。

參考文獻(xiàn)

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[2] 李鵬.預(yù)制構(gòu)件外墻模的工廠化生產(chǎn)技術(shù)[J].建筑施工，2014，36（1）：67-68.