裝配式建筑施工智能建造技術(shù)與應(yīng)用研究

趙成恭

(中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司)

從20 世紀(jì)90 年代以來，建筑行業(yè)不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的建筑行業(yè)由于資源消耗大和環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，呈現(xiàn)出衰落的趨勢(shì)，已不能適應(yīng)社會(huì)不斷發(fā)展背景下人民對(duì)住房質(zhì)量的新要求。同時(shí)，由于傳統(tǒng)建筑行業(yè)對(duì)于新技術(shù)的應(yīng)用較少、勞動(dòng)效率低下的性質(zhì)，對(duì)年輕人的吸引力較低，行業(yè)從業(yè)人員呈現(xiàn)出老齡化嚴(yán)重的問題[1]。尤其在當(dāng)前面臨國(guó)土資源稀缺、勞務(wù)人工價(jià)格上漲、節(jié)能環(huán)保要求不斷提高的今天，迫切需要新型建造技術(shù)替代傳統(tǒng)建造方式，利用先進(jìn)工業(yè)化技術(shù)、智能管理模式改造自身，實(shí)現(xiàn)綠色化、智能化。針對(duì)以上問題，研究提出了將裝配式建筑施工方式與智能建造技術(shù)相結(jié)合的方式，提升建筑行業(yè)的施工質(zhì)量，改善行業(yè)生態(tài)。裝配式建筑是建筑行業(yè)工業(yè)化轉(zhuǎn)型的重要體現(xiàn)，它將大量傳統(tǒng)施工過程中需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的工作轉(zhuǎn)移到工廠內(nèi)進(jìn)行，極大地釋放施工現(xiàn)場(chǎng)的人員、環(huán)境等壓力，有效提高了建設(shè)效率。根據(jù)裝配式建筑施工的特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)提出了構(gòu)件精確對(duì)位技術(shù)、智能放樣技術(shù)、鋼筋自鎖連接技術(shù)，來提升裝配式建筑施工的效率與質(zhì)量；研究旨在借助新技術(shù)的引進(jìn)來改進(jìn)建筑行業(yè)污染嚴(yán)重、勞動(dòng)效率低等特點(diǎn)，以此提升行業(yè)對(duì)于年輕人的吸引力。研究通過將裝配式建筑施工技術(shù)與智能建造技術(shù)結(jié)合的方式，為建筑行業(yè)的發(fā)展方向提供新的思路并為未來的智能建造技術(shù)發(fā)展提供方向選擇與參數(shù)支持。

1.面向裝配式建筑施工的智能建造技術(shù)結(jié)合方法

1.1 適配裝配式建造工藝的智能建造關(guān)鍵技術(shù)

隨著時(shí)代的發(fā)展，傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)由于環(huán)境污染、自然資源消耗大等問題，逐漸不能適應(yīng)當(dāng)下的社會(huì)需要。建筑施工智能化的呼聲愈發(fā)迫切，裝配式建筑施工的方法因其施工污染小，施工流程化的特點(diǎn)，能夠很好的契合建筑施工智能化的需求。同時(shí)根據(jù)裝配式施工的部件安裝、現(xiàn)場(chǎng)放樣和鋼筋連接三個(gè)技術(shù)關(guān)鍵，研究提出了構(gòu)件精確對(duì)位技術(shù)、智能放樣技術(shù)、鋼筋同時(shí)自鎖連接技術(shù)[2]。這些方法的提出，能夠提升裝配式建筑施工的工作效率與施工質(zhì)量。裝配式建筑施工過程存在安裝誤差大、效率低下、成本偏高等問題，研究設(shè)計(jì)了設(shè)備智能就位和構(gòu)件智能對(duì)位結(jié)合的精準(zhǔn)對(duì)位技術(shù)來解決這個(gè)問題。該器械由電磁鐵、壓力傳感器和可調(diào)節(jié)推動(dòng)板組成，工人可通過調(diào)節(jié)電流大小實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的構(gòu)件提取工作。同樣的為了提升放樣工作的精準(zhǔn)度，避免傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)放樣過程中，放樣不精準(zhǔn)、放樣效率低等問題，研究采用BIM 模型、3D 激光掃描等技術(shù)實(shí)現(xiàn)放樣智能化。智能放樣技術(shù)能夠以二維設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)，經(jīng)過碰撞檢測(cè)與分析復(fù)核后輸出深化設(shè)計(jì)模型，放樣機(jī)器人通過對(duì)設(shè)計(jì)模型自動(dòng)檢測(cè)放樣。最后，在鋼筋連接與線路安裝等施工工藝中，傳統(tǒng)的安裝手法依賴于工人的施工經(jīng)驗(yàn)，具有較大的偏差，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性產(chǎn)生了較大的隱患。研究開發(fā)了一種鋼筋自鎖、自連接裝置以解決傳統(tǒng)手工工藝中的各種問題。該裝置的連接步驟為：通過將提前設(shè)計(jì)并經(jīng)過測(cè)量的卡盤套在經(jīng)過加工的鋼筋上，并在重力與外力的共同作用下，實(shí)現(xiàn)多鋼筋連接。該裝置最多可同時(shí)實(shí)現(xiàn)20 根鋼筋的同時(shí)連接，同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)的特性該連接裝置可通過套筒內(nèi)的彈性鍵槽，在鎖止后之間逼近中間隔層位置，當(dāng)卡盤的凹凸塊完全咬合后具有極高的強(qiáng)度且不可逆。為了全面地體現(xiàn)裝配式智能建造技術(shù)的可行性，研究以樓梯裝配施工與陽(yáng)臺(tái)裝配施工為例，分析了裝配式建筑的工藝關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并將這些工藝節(jié)點(diǎn)與智能建造方法相結(jié)合，以求將智能裝配式建造與實(shí)際施工結(jié)合起來。

1.2 基于智能建造技術(shù)的裝配式建筑關(guān)鍵工藝節(jié)點(diǎn)

裝配式建筑方法因其獨(dú)特的施工特點(diǎn)，使得該建筑方法與智能化具有更高的相性。智能建造技術(shù)能夠強(qiáng)化施工工藝的流程化與標(biāo)準(zhǔn)化，從而增強(qiáng)建筑質(zhì)量并減短工期。以裝配式建筑中的墻板、樓梯、陽(yáng)臺(tái)板等模塊的構(gòu)建過程為例，分別對(duì)其施工流程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并分析工藝流程中的主要節(jié)點(diǎn)。以便引入相關(guān)設(shè)備與技術(shù)提高工藝的標(biāo)準(zhǔn)化和流程化。樓梯作為裝配式建筑中常用構(gòu)件，其具體的修建過程是在構(gòu)件廠預(yù)制后送至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝[3]。該方法具有高質(zhì)高效、環(huán)境污染小的特點(diǎn)。預(yù)制樓梯的施工過程如圖1 所示。

圖1 中，對(duì)預(yù)制樓梯的施工方式進(jìn)行了闡述，在實(shí)際的施工過程中，還有五點(diǎn)需要注意，分別為吊裝作業(yè)、安裝精度、灌漿施工、成品保護(hù)和分片樓梯施工技術(shù)。安裝精度的保障需要在施工期間時(shí)刻關(guān)注施工天氣的變化，防止風(fēng)力因素影響預(yù)制樓梯的施工，在風(fēng)力達(dá)到6 級(jí)以上時(shí)，嚴(yán)禁進(jìn)行施工，在安裝完畢后還需要向梯梁縫隙處填塞砂漿，避免后期位移影響精度。在灌漿施工的過程中，要用清水將梯梁縫隙清理干凈，并使用1:1 的水泥砂漿填縫密實(shí)。在成品保護(hù)階段，需要對(duì)踏步平面鋪設(shè)木膠板保護(hù)，樓梯側(cè)向貼附播磨保護(hù)。在分片樓梯的施工過程中，為了保證更好的施工質(zhì)量同時(shí)縮短工期，需要大跨度梯段板進(jìn)行分片預(yù)制，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝，通過這種方式在提升施工效率的同時(shí)保障了施工質(zhì)量。在對(duì)預(yù)制樓梯的施工作業(yè)中的取件、放件和構(gòu)件連接工作中，摒棄了傳統(tǒng)的人工施工，采用了智能建筑技術(shù)，以提升工序的精準(zhǔn)度。與預(yù)制樓梯類似，在一般的房屋施工過程中，陽(yáng)臺(tái)板作為較為常見的構(gòu)件之一，被研究納為了智能建造技術(shù)的關(guān)鍵控制點(diǎn)之一。作為懸挑構(gòu)件，預(yù)制式陽(yáng)臺(tái)板對(duì)施工安全的要求更高，其具體的安裝工藝如圖2 所示。

圖2 預(yù)制陽(yáng)臺(tái)板的施工工藝

圖2 中，對(duì)預(yù)制陽(yáng)臺(tái)板的施工工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)述，在陽(yáng)臺(tái)板施工的過程中，測(cè)量放線、吊裝作業(yè)、后澆鋼筋綁扎、后澆區(qū)域混凝土澆筑和后澆區(qū)域裂縫控制是較為重要的五個(gè)部分。其中，測(cè)量放線步驟保證了構(gòu)件的安裝精度，要求遵守先局部后整體的安裝順序，不得采用次控制線。之后進(jìn)行的吊裝作業(yè)，主要是根據(jù)設(shè)置實(shí)際情況設(shè)置4 到6 個(gè)吊點(diǎn)，并且起吊前還需要對(duì)吊索長(zhǎng)度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，避免出現(xiàn)構(gòu)件受力不均勻、安裝不精準(zhǔn)或構(gòu)件損壞等問題，吊索與框式吊裝梁的夾角不宜太小，不能小于60 度。在完成了臺(tái)面安裝后，對(duì)預(yù)制陽(yáng)臺(tái)板的預(yù)留鋼筋與現(xiàn)澆梁鋼筋進(jìn)行焊接?；炷翝仓ぷ魈貏e需要注意澆筑過程的安全，保證澆筑的質(zhì)量。在澆筑前要檢查支撐系統(tǒng)是否牢固，標(biāo)高是否符合要求；在澆筑過程中需要對(duì)澆筑區(qū)域的振搗情況進(jìn)行考察，查看是否由漏漿線性，并根據(jù)當(dāng)日氣溫決定是否進(jìn)行刮平處理。同時(shí)，由于后澆區(qū)域的上部受拉力較大，在施工過程中需要避免混凝土裂縫產(chǎn)生，要綜合氣候、氣溫等因素采取相應(yīng)的措施，同時(shí)在澆筑工作前要檢查后澆區(qū)域混凝土是否達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度。在結(jié)合上述施工要求的同時(shí)，采用智能建筑技術(shù)，優(yōu)化工藝流程中的取件，放件部分。通過智能建筑設(shè)備能夠大幅降低構(gòu)件在運(yùn)輸途中出現(xiàn)損耗的可能性，并提升構(gòu)件對(duì)接的精準(zhǔn)度。在構(gòu)件連接步驟中，采用智能建造技術(shù)中的鋼筋連接方式，能夠增強(qiáng)連接強(qiáng)度，減少工人施工工序，同時(shí)強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。裝配式建筑智能施工技術(shù)，通過分析各類裝配式構(gòu)件的關(guān)鍵工藝流程，將這些關(guān)鍵點(diǎn)與智能施工技術(shù)相結(jié)合，以提升在關(guān)鍵步驟中的施工精度與施工效率。

2.裝配式建筑的智能建造施工技術(shù)性能分析

智能建造技術(shù)對(duì)于裝配式建筑的結(jié)合，能夠提升施工精度與建筑質(zhì)量，降低工作難度。但是想要具體量化智能建造技術(shù)為裝配式建筑帶來的強(qiáng)化幅度，還需要對(duì)施工效果進(jìn)行定量的統(tǒng)計(jì)與分析。為了展示智能建造技術(shù)的裝配性能，研究以預(yù)制墻板的裝配流程為例，對(duì)裝配工作的裝配效率與裝配質(zhì)量進(jìn)行研究。預(yù)制墻板可分為兩類，分別是重質(zhì)構(gòu)件：外墻板和內(nèi)隔墻板，輕質(zhì)構(gòu)件，PCF 板。在墻板施工安裝的關(guān)鍵流程節(jié)點(diǎn)有：預(yù)留插筋定位、鋼墊片找平、臨時(shí)支撐調(diào)整、鋼筋綁扎、模板支設(shè)與拆除、坐漿料分倉(cāng)、灌漿料拌制和試塊留置共計(jì)八個(gè)步驟。采用智能建造技術(shù)能夠提升預(yù)留插筋定位、鋼墊片找平、臨時(shí)支撐調(diào)整、鋼筋綁扎和模板支設(shè)與拆除前五個(gè)工序的構(gòu)件對(duì)位精度與鋼筋連接強(qiáng)度，從而增強(qiáng)墻板的整體強(qiáng)度。最后測(cè)定修筑的裝配式建筑的實(shí)際偏差距離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輕質(zhì)構(gòu)件與重質(zhì)構(gòu)件的地偏差頻數(shù)分布直方圖與對(duì)數(shù)正態(tài)分布曲線基本吻合，具體的正態(tài)分布曲線如圖3 所示。

圖3 中，輕質(zhì)構(gòu)件的偏差多分布在[3,7]之間，其中在5mm 處的頻數(shù)最大。偏差平均值為5.76mm，標(biāo)準(zhǔn)差為3.32。重質(zhì)構(gòu)件的偏差多分布在[2，8]之間，其中在4mm 處的頻數(shù)最大。偏差平均值為5.81mm，標(biāo)準(zhǔn)差為2.87。數(shù)據(jù)表明，智能施工技術(shù)修建的建筑基本能夠滿足規(guī)范的偏差要求。同時(shí)，為了具體呈現(xiàn)智能施工技術(shù)的施工合格率，研究分析統(tǒng)計(jì)了輕質(zhì)構(gòu)件墻板與重質(zhì)構(gòu)件墻板的累計(jì)合格率，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 中，在規(guī)范允許的偏差范圍內(nèi)，智能施工技術(shù)的施工合格率能夠達(dá)到82.26%，當(dāng)應(yīng)用1.5 倍允許偏差時(shí)，合格率能夠達(dá)到94.07%，當(dāng)允許偏差選取8，10mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)合格率分別能夠達(dá)到80%與90%。與國(guó)標(biāo)（GB50204-2002）的混凝土建筑合格率90%相比，裝配式智能施工技術(shù)提升了施工質(zhì)量、縮短了施工步驟、降低了施工人力成本與施工難度，提升了工程的效率與工程的質(zhì)量，對(duì)于未來的裝配式智能施工技術(shù)發(fā)展，提供了方法思路與參數(shù)參考。

表1 不同實(shí)測(cè)偏差下的累計(jì)合格率

3.結(jié)論

為了促進(jìn)建筑行業(yè)向高質(zhì)量方向發(fā)展，我國(guó)相繼出臺(tái)了各種政策。鑒于傳統(tǒng)建筑行業(yè)由于污染大、勞動(dòng)效率低下等問題，研究提出將裝配式施工與智能建造技術(shù)相結(jié)合，改善行業(yè)生態(tài)。研究結(jié)果表明，在規(guī)范允許的偏差范圍內(nèi)，智能施工技術(shù)的施工合格率能夠達(dá)到94.07%，當(dāng)允許偏差選取8，10mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)合格率分別能夠達(dá)到80%與90%。以傳統(tǒng)施工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)標(biāo)（GB50204-2002）的混凝土建筑合格率90%相比，此次研究結(jié)果滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。裝配式智能施工技術(shù)大幅提升了施工的質(zhì)量，縮短了施工步驟。由于客觀原因的影響，研究未對(duì)其他裝配流程進(jìn)行精準(zhǔn)分析，因此未能全面反映智能建造技術(shù)的優(yōu)越性，這可以作為未來的研究方向。