預制立柱構件生產模塊化設計及加工

趙穎超 寧英杰 龔世文 孫 淦 黃祎涵 李 程

（1.浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.紹興市城投建筑工業化制造有限公司，浙江 紹興 312000；3.長安大學，陜西 西安 710000）

0 引言

為了減少建筑業對環境、資源的影響，將低碳、節能、綠色、生態和可持續發展等理念廣泛應用于建筑中。許多國家通過預制混凝土構件的方式減少環境污染，并且該方式具有一定的經濟優勢[1]。該建設模式不僅保證構件質量，而且有利于生產管理， 改善動力資源短缺等問題[2]。雖說預制構件生產有助于建筑行業的發展，但在預制施工技術、預制施工設備等方面還存在很多不足。在傳統的橋梁預制構件設計及加工中，胎架或模板往往只能對應單一型號的立柱預制，這將導致不同型號的胎架或模板在閑置期間將會占用大面積場地，造成空間浪費。因此為了提高生產效率，解決胎架和模板普適性不足所導致的空間資源浪費問題，該文提出一種預制構件模塊化生產技術。該技術適用于鋼筋骨架安裝、組合式鋼模板拼接、立柱澆筑平臺的設計及加工，可有效提高生產效率，降低生產成本，減少施工場地資源的占用。

1 預制構件研究現狀

1.1 預制構件裝配技術的發展

預制構件裝配技術最早由法國提出，當時主要應用于預制預應力混凝土橋梁的上/下部構件中，如預制預應力混凝土梁、預制鋼-混組合梁以及預制下部結構的混凝土構造。其中預制裝配技術有利于改善傳統分段現澆施工縫時可能出現的現澆條件受限、效率較低等施工問題，從而替換為分段預制后連接的施工技術，保證施工效率。如今，預制裝配工法通常采取標準化設計、工廠化生產、裝配化施工以及信息化管理[3]。

1.2 預制構件裝配技術的特點

預制裝配式橋梁具有標準化、重復性等特點，在預制期間內不受氣候影響，具有質量高、耐久性好等特點。此外工廠預制、現場裝配的施工裝配方式可大大減少現場施工時間，提高施工效率，縮短工期，降低生產成本。

預制裝配工法的適用對象包括上部結構、下部結構、附屬結構、路基等，預制橋梁裝配工法雖說在單位造價上略高于傳統工法，但考慮到該施工方式可有效縮短中、小項目的施工工期，減少施工期間交通環境的壓力，而且標準化生產，一定程度上避免了施工風險，保障工人施工安全[4]，實現整體造價的社會成本低于傳統工法，進而凸顯了預制裝配工法的優越性。

1.3 預制構件生產技術的挑戰

由于橋梁預制裝配技術避免了支架混凝土現澆，縮短施工工期，減少施工占用場地面積，減輕交通影響，因此該技術已被逐步應用于橋梁建設中[5-7]，保障了施工質量及施工安全，有助于建設文明施工的社會形象。但該預制技術在施工精度上要求很高，若精度不滿足要求，將會導致現場拼裝時無法有效安裝，嚴重影響施工進度。而在上海市嘉閔高架路的建設中，提出了一種對預制立柱制作的精度控制方法[8]，可有效控制預制立柱精度，解決了部分預制立柱精度問題，就預制立柱而言具有的現實意義。

2 預制立柱鋼筋骨架模塊化安裝方法

目前預制混凝土立柱生產還存在許多缺陷，針對目前的生產現狀，該文提出一種預制立柱鋼筋骨架模塊化[9]安裝方法，用以提高混凝土立柱的生產效率。

該方法主要采用模塊化立柱鋼筋骨架安裝技術，在定位板上設置鋼套頭，利用可調節胎架，可快速完成立柱鋼筋骨架的安裝，同時結合BIM軟件將傳統二維視圖轉化為三維，有效預防內部構件碰撞，精確收集鋼套頭箍筋數據，提高鋼筋尺寸精度，減少原材料浪費，達到預制立柱鋼筋骨架的工廠化、產品化的定位。

2.1 定位板的設計

一個定位板用于套筒底端定位，另一個定位板用于蓋梁預制套筒底端定位；每個定位板與套筒對應位置設置一個橡膠圓柱底塞，其大小和套筒內徑一致，用螺栓穿過圓柱中心和定位板預留孔，把圓柱底塞固定在定位板上。底板三維圖和現場存放圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 底板三維圖

圖2 底板現場圖

2.2 胎架的普適性設計

立柱的鋼筋籠胎架由定位板支架、主筋掛片架立支架、定位板支架組成，后續將連接套筒的定位板安裝在定位板支架上（如圖3），其中套筒定位板主要是用于確定灌漿套筒位置，同時也可用于確定立柱縱筋的空間位置。此外，可在主筋掛片架立支架上安裝上下緣主筋掛片、左右緣主筋掛片以及下緣箍筋掛片，其中掛片主要用于主筋以及箍筋定位安裝，掛片具體如圖4和圖5所示。

圖3 鋼筋籠胎架三維立體圖

圖4 掛片示意圖

圖5 掛片示意圖

鋼筋籠胎架支架與底座的連接采用滑輪可移動式組合，支架通過在底座前后滑動調整距離，來固定要預制的鋼筋籠，支架也可以左右調節尺寸，根據預制立柱的截面尺寸來匹配。臺架可根據當天的生產型號來進行調節安裝，相比固定尺寸的胎架大大節約生產時間，也減少場地的占用，提高了生產效率。臺架現場圖和三維圖分別見圖6和圖7。

圖6 胎架現場圖

圖7 胎架三維圖

3 組合式鋼模板的模塊化設計

3.1 鋼模板的組成

立柱模板由側模、底模（定位板）、操作平臺等部分組成。模板三維圖和模板現場圖分別如圖8和圖9所示。

圖8 模板三維圖

圖9 模板現場圖

3.2 鋼模板的制作

面板采用8mm厚鋼板，豎向和橫向龍骨鋼楞采用200mm×100mm×8mm方管（面板尺寸根據立柱截面尺寸確定）。為了確保鋼模板的靈活調配使用，每節鋼模板都要進行精加工，確保任意一節鋼模板能完全對接密封。

3.3 鋼模板的連接

相鄰之間的鋼模板采用精軋螺紋鋼連接。精軋螺紋鋼連接相較于普通的螺桿連接，具有2個優點：第一，剛度比普通螺桿大，不容易斷裂；第二，連接方便，普通螺桿為確保連接剛性，采用短的雙螺帽。施工時，容易漏裝1個螺帽，造成鋼模板爆模。而精軋螺紋鋼螺帽具有固定的長度，比普通雙螺帽長，能確保連接剛度。

4 立柱澆筑平臺的模塊化設計

該文提出一種預制立柱鋼筋骨架模塊化澆筑設計方法，用以提高混凝土立柱的生產效率。該方法采用組合式鋼模板，減少模板浪費，節約生產成本，提高生產效率，同時結合翻轉胎架技術及可調節澆筑平臺，增加澆筑設計的普適性，節約工程成本，減少施工場地資源的占用。

4.1 翻轉臺座的設計

翻轉平臺采用滑輪式軌道設計，根據預制立柱的高度、翻轉承臺在軌道進行滑動調節匹配?？v向移動模板，將底模推入翻轉架，底模與翻轉架采用螺栓連接。

4.2 可調節式澆筑平臺設計

澆筑操作平臺采用[10和[6槽鋼作為骨架，通道寬0.6m，四周設置1.2m高欄。平臺支撐在立柱模板頂層橫肋上。

澆筑平臺具有優越性及先進性，可根據預制立柱型號尺寸前后左右調節尺寸，匹配放置到合模后的立柱頂端。跟傳統的澆筑平臺相比，解決了不同型號尺寸立柱需要對應不同的澆筑平臺的問題。在施工效率上節省了時間，同時也減少了場地的占用。

4.3 澆筑臺座的設計

澆筑臺座采用定制的工字鋼，并排放置間距4cm，長度40m，單條生產線雙排共24個澆筑位置，其具有通用性即適用任何型號底板，底板以卡扣的形式固定于工字鋼槽內，做到4個截面有效且穩固地安裝在澆筑臺座之上。

5 結論

裝配式橋梁建筑與傳統現澆橋梁建筑相比，主要體現在“四節”，即節水、節能、節地和節材4個方面所產生的經濟效益以及通過提高勞動生產率、縮短建設工期所產生的間接經濟效益。

傳統現澆施工通常是露天施工，受到天氣、交通等客觀條件的約束，難以把控施工的質量，給建筑驗收帶來困難，而工廠預制立柱具有作業環境良好、預制工序自動化、構件生產高效等特點。同時構件預制的標準化和自動化，較傳統施工模式而言，節省了大量的人力資源和生產原料，并保證預制產品的質量[9]。此外，預制構件的良好環境可加快支模、拆模流程，縮短混凝土養護的時間，提升施工速度，增加經濟效益。同時預制廠的立柱工藝生產創新點及臺架的設計、鋼模板的設計、翻轉平臺的設計以及澆筑平臺的設計，都提高了生產效率，加快施工的進度，每個創新點都合理有效地解決了廠區場地的占地資源浪費等問題。