混凝土預制構件關鍵技術研究及成套裝備開發

于明 任霞 劉興剛 李純鑄

摘 要：混凝土預制（PC）構件工廠化生產是現代建筑產業發展的需要，國內目前尚無具有自主知識產權的混凝土預制構件關鍵技術及成套裝備，北方重工集團有限公司在PC構件生產線工藝、關鍵技術及典型設備等領域進行了自主研發，在原料制備、智能布料、多功能機械手、鋼筋網自動化成型、分體式養護窯及生產線智能化控制等方面取得了顯著成果，并對生產線全部設備進行設計及制造，從而實現了工業混凝土預制構件成套裝備開發、制造的國產化和產業化。

關鍵詞：預制裝配建筑技術 ?PC構件 ?PC生產線 ?鋼筋成型系統

中圖分類號：TU647 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0067-02

21世紀以來，預制裝配建筑技術成為國際建筑工業化的潮流，結合國外住宅產業化成功經驗，我國建筑行業掀起了“建筑工業化”浪潮，混凝土預制（PC）構件的發展進入了一個嶄新的時代[1]。PC制造的工廠化、高度自動化，是預制裝配建筑技術的核心內容，目前我國PC構件生產設備主要依賴于進口[2]，這成為我國預制裝配建筑產業發展的瓶頸問題。

1 混凝土預制構件技術及成套裝備發展狀況

目前，歐美國家無論是PC工藝技術還是生產裝備方面均非常成熟，整個過程實現了智能化控制、工廠化生產。代表性企業有Vollert、EBAWE、Elematic等公司。而國內大多數PC構件制造還是以人工加機械混合生產模式為主，難以實現自動化，究其原因在于PC工廠成套設備的自動化、智能化水平偏低。代表性廠家有上海莊臣機械、河北新大地等公司。

2 北方重工集團混凝土預制構件技術

北方重工集團于2013年全面進入現代建筑產業化成套設備制造領域，研發了具有自主知識產權的年產100萬m2及以上規模的PC構件自動化生產線及成套裝備，替代進口，填補國內空白，解決了制約我國現代建筑產業發展的技術“瓶頸”，使我國工業化混凝土預制構件裝備技術達到世界先進水平。

2.1 PC構件工藝技術研究

根據PC工廠制品的年產量配比需要，托盤輪轉系統的循環狀態，自動化控制水平的高低，我們開發出3種滿足不同用戶需求的PC構件生產線，即：全自動化生產線、半自動化生產線、國內標準化生產線。

2.2 PC構件關鍵技術研究

2.2.1 高效配料及智能混凝土構件制備關鍵技術

混凝土原料配比優化技術：混凝土原料配比是解決混凝土耐久性問題的主要途徑。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量的主要原料，確定其用量與混凝土質量的對應關系，建立原料配比與混凝土等級對應關系數據庫。

智能布料技術：在布料機上設置若干個小的布料口，每個布料口包含一個螺旋輸送機，輸送機的工作速度由軟件控制。對于PC構件來說，有些構件形狀不唯一，如構件中有門和窗的區域，在這些區域中，布料口就需要關閉。對于小尺寸的構件，在構件尺寸外的區域需要關閉布料口。因此，分布式控制各個小布料口啟閉及布料速度，使布料機適應不同尺寸和厚度的構件十分重要。

高效密實技術：混凝土密實實際上是在振動臺上對邊模中澆注好的混凝土進行振動，以消除其中的氣泡，增強構件的強度，同時又要求不讓粗骨料下沉，造成骨料分布不均勻，影響構件的整體性能。對于雙面澆注的構件，不能因為振動破壞了養護好一側的結構。因此，選擇最優的振動頻率和振幅，既關系到混凝土密實的效率和骨料的均勻性，也關系到雙面澆注預制構件強度的均勻性，最終關系到PC構件的整體性能。

2.2.2 多功能機械手集成關鍵技術

機械手縱向在大梁上運行，橫向在橫梁上運行。通常劃線機械手和置模機械手合二為一，這就需要在結構設計上對機械手進行集成，使機械手具有多種功能。機械手需要將輸入的PC構件尺寸轉化為在托盤上的劃線動作，畫出構件輪廓尺寸。劃線完畢后，機械手需要將邊模從輸送裝置上取下，準確快速地放置在畫好的構件輪廓尺寸線上，在邊模對接處，機械手需要將兩塊邊模按照尺寸對齊，對齊縫隙滿足工藝要求，置模速度和精準度對其工作效率有很大的影響。

2.2.3 混凝土預制構件鋼筋網全自動生產線關鍵技術

鋼筋網全自動生產線結構設計與工藝規劃：結合PC構件生產流程需要，研究鋼筋網全自動生產線工藝，制定生產線框圖，根據各工藝特點與時效，進行工藝路線優化。開發出鋼筋網全自動生產線虛擬樣機平臺，進行全自動化生產線結構設計與模擬制造。研究全自動生產線的多通道協調控制技術，進行系統可靠性研究，開發出生產保護系統及在線監控與管理系統。

自動焊接技術：研究鋼筋網電渣壓力焊工藝技術及自動焊接交直流電源系統，進行不同類型、不同尺寸鋼筋網焊接頭專用夾具的模塊化設計與分析;開發出電渣壓力焊在線質量檢測與管理技術;電渣壓力焊進料速度、焊接頻率工藝參數優化與工藝數據庫;電渣壓力焊焊接設備故障診斷與數據采集技術;開發出鋼筋網電渣壓力焊系統全自動控制與管理系統。

2.2.4 混凝土預制構件工藝多智能體控制關鍵技術

多智能體控制系統是整個自動化生產線的神經中樞，具有中央控制、視頻監控、警示、節拍控制等功能，對整個PC工廠的生產進行協調控制。中控系統通過向各個獨立控制系統發送指令，掌握、監控各個系統設備的工作狀態，對存在隱患和發生故障的設備及時報警，自動故障診斷，進行故障處理，保障生產線的正常運行。構建基于多智能體的PC構件控制系統結構模型，實現配料攪拌控制、混凝土澆注密實控制、PC構件養護脫模控制、鋼筋加工結網控制和劃線置模控制。

2.2.5 混凝土預制構件分布式養護關鍵技術

養護室設計成分體式蒸養格柵，對不同尺寸PC構件實行單獨蒸養，養護室中的不同位置，不同時間段，有不同的溫度和濕度環境，為了獲得最優預制構件質量和養護效率，確定了PC構件在養護室中的最優參數，即養護時間、養護溫度、濕度、構件強度之間的最優關系，通過傳感器監控每個養護格柵的情況，提高設備自動化程度，縮短系統反應周期，建立動態調節模式，保證預制件的蒸養效果和效率，減少養護室開合時的熱量損失，降低生產線能耗。

3 北方重工集團PC構件成套裝備開發

3.1 預制構件生產線典型裝備

3.1.1 混凝土運料系統

混凝土運料系統以運輸車為主體，做往復式運動，用于原料制備車間與PC構件生產車間的混凝土自動化輸送，具有速度快、可靠性高、成本低等優點。運輸車具備起重、輸送、空中貯存組織生產和坡度運輸的功能，可實現變頻調速、故障報警與診斷、自動認址、生產計劃下達等輔助功能。

3.1.2 混凝土布料機

混凝土布料機把混凝土均勻地澆注到底模托盤上。可在水平方向前后、左右移動。布料機由計量螺旋輸送裝置，稱重裝置，多個可自由控制閥門等組成，為全自動或半自動。為方便清洗，料斗底部可打開。可預先設置代碼，混凝土排放閥門的開關可通過代碼來編程，操作工人通過代碼可以打開或關閉不同的排放閥門。

3.1.3 組合振搗設備

組合振搗設備用于對新澆注的PC構件在水平方向和垂直方向同時進行振動密實。高頻振動器頻率由頻率調節器來調整，用于壓實混凝土，消除內部氣泡，確保混凝土良好的顆粒分布。振搗設備可以產生X、Y、Z3個方向振動，激振力大，振搗部分與基體分離，參振質量小，振搗效果更加，確保產品質量，可節省水泥10%，年節約材料成本200萬。

3.1.4 堆垛機

堆垛機將底模托盤及預制構件從生產線移送到養護室，或將養護好的預制板同底模托盤從養護室移出，重新放入生產線。提升裝置緩慢地把起重梁架提起，精確地放置在養護室的格架層面上。養護室格架前的定位是通過機械調整的。整個過程由主機控制系統來控制，操作臺上的屏幕可以看到底模托盤在堆垛機及養護室格架上的位置，整個過程實現了全自動化控制，激光測距，X、Y坐標準確定位。

3.2 鋼筋成型成套裝備

3.2.1 鋼筋網全自動加工生產線及置放系統

鋼筋網全自動加工生產線可以生產各不同長度、寬度和形狀的預制構件用焊網;具有產量大、精度高、改型方便、操作故障率低、質量高等優點，設備可對熱軋鋼筋、冷軋鋼筋等進行高質量的交叉焊接。生產線主要包括橫縱筋供料裝置、矯直切割設備、鋼筋傳輸及喂料系統、自動焊接設備、網片拉拽輸送設備、傾翻設備以及折彎運輸設備等。

3.2.2 鋼筋桁架全自動生產線及置放系統

鋼筋桁架全自動生產線可以替代傳統人工焊接的方法生產出高質量的鋼筋桁架。生產線主要包括：鋼筋放線架、矯直機、拱架機、桁架焊接機、剪切機及桁架自動收集機構。為了滿足生產工藝的要求，還配置有全自動桁架存儲、對焊、切割及放置設備，主要包括：平板式格構梁儲存設備、自動側位喂料機、對焊機、切割剪、桁架輸出系統、桁架放置機械手。整個操作流程由計算機全自動控制完成，極大的提高了生產效率和操作的穩定性。

4 結語

用工業化生產的方式來建造住宅，是建筑業轉型升級的必然趨勢。混凝土預制構件關鍵技術及成套裝備作為建筑工業化的基礎環節，其研究和開發將為實現我國建筑設計標準化和構件制造工廠化提供專業的技術及設備保障。

參考文獻

[1] 鐘志強.淺談住宅產業化與建筑工業化[J].住宅產業，2011（3）：49-50.

[2] 李鵬.預制構件外墻模的工廠化生產技術[J].建筑施工，2014，36（1）：67-68.