小型混凝土構件流水線生產技術應用研究

韓佳琦

摘要 傳統的預制工藝施工成品質量過于依賴工人的熟練程度，同時生產效率不高，傳統工藝在質量、經濟、效率方面已然無法滿足現代公路建設發展的需求，文章介紹了中交二公局文萊高速七標小構件自動化預制生產線的設計布局、技術參數、工藝工序及效率比對，根據傳統生產和實際流水線生產作業情況進行經濟性比對，通過初步比對與深入研究，進一步提升自動化生產水平，推動自動化向智能化轉型升級。

關鍵詞 小型混凝土構件;流水線;效率

中圖分類號 TU756 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0072-03

0 概述

小型混凝土預制構件廣泛用于高速公路邊坡、橋頭堆坡、邊溝等部位，其質量和外觀越來越受到業內的重視。傳統的預制工藝施工成品質量過于依賴工人的熟練程度，生產效率不高[1]。隨著人口紅利的消失，人工費不斷上漲，質量標準不斷提高，傳統工藝在質量、經濟、效率方面已然無法滿足現代公路建設發展的需求。而高標準預制場建設、標準化預制工藝、工廠化預制生產才是滿足現階段各方需求，確保小型預制構件質量的有效手段[2]，也是文萊高速七合同標準化施工的一項重要內容。

1 項目生產線介紹

1.1 廠區生產線簡介

文萊高速公路路橋工程七合同主線長12.14 km（起訖樁號：K70+700～K82+840）。主要工程內容包括：路基、橋涵、排水及防護工程。集中預制混凝土小構件有：錐坡六棱塊、鑲邊石、水溝蓋板、邊溝砌塊等，預制混凝土方量約4 500 m3。項目按照標準化手冊建設了小型混凝土構件預制廠，預制廠緊鄰主線，運輸便利，建設占地約2 500 m2，四周采用通透式圍欄，預制廠區采用封閉式彩鋼瓦結構建設，廠區內設置生產區、脫模區、養護區及成品堆放區。生產區內采用混凝土硬化，柔性隔離柵分區隔離，養護區采用單獨封閉區間，噴淋式自動養護可采用手機App控制。整條自動化流水生產線主要為縱向固定節拍流水生產，人工配合擺模，叉車縱橫向區間轉運，部分半成品預埋件與鋼筋結構提前加工完成。為節約占地，操作人員采用手持式遙控器完成開關、布料、傳輸等工作，并在布料口即擺模工人操作處設置緊急制動開關，確保安全生產。生產線主要動力為多臺電機驅動，廠區內設有專用供電線路，嚴格按照工地用電要求設置保護措施。自動生產線平面布置如圖1。

1.2 生產線設計原理

預制構件自動化生產線，主要根據小構件設計要求、各工序的作業量、生產線工人的熟練度、設備的功率等因素通過變頻設備將各工序按照一定的節拍在生產線上進行聯動，完成一個循環，形成流水化作業、工廠化管理[1]。

1.2.1 混凝土傳輸

生產線混凝土供給為項目混凝土場站集中拌合，水泥罐車運輸，生產線端頭處設置2 m3儲料倉，保證混凝土和易性，且儲存混凝土時間不宜超過30 min，儲存量不超過1.5 m3，其主要作用：一是為了確保混凝土供應，保證生產連續，二是為了保證通過螺旋定時輸料時，布料的均勻與方量的準確，混凝土進入料倉滿1 m3后，啟動螺旋輸料機，經過布料口流量監測入模，期間混凝土入倉與布料同時進行，混凝土罐車到場后及時檢測混凝土各項指標，根據塌落度及時調整布料速率。

1.2.2 模具

構件模具采用ABS塑料模具，輕便耐磨、方便工人轉移，模具內均勻涂刷環保型脫模劑（提前完成），工人將模具擺放于布料口下方，混凝土通過變頻定時設備分批次定量注入放置好的模具中，若存在鋼筋結構或預埋件，提前設置混凝土流量與批次，留足安裝鋼筋或預埋件的間隙時間，由另一名工人完成安裝，擺放模具與安裝鋼筋預埋件的速率直接影響整個流程的效率，可根據工人的熟練度和勞動強度調整傳輸速度。

1.2.3 振搗與轉移

按照各類構件提前設計好的布料程序完成布料后，由布料口的輸送帶將裝構件傳輸到振動平臺，平臺長3 m等間距設置4臺振動器，分2個振動區段，振動區設計為傳輸振動一體式結構，傳輸過程中持續振動，布料口傳輸帶與振動平臺傳輸分別設置不同的動力器，需根據工人勞動強度和構件設計要求分別調整，傳輸振動不影響前一道工序，經充分振動后（振動時間根據試驗確定，不同構件時間不同），由兩名工人將振搗完成的構件移至與輸送振動帶末端等高的升降叉車底板上，每層構件之間鋪設竹膠板，每鋪筑一層升降叉車下降至輸送帶等高位置，待裝滿4層后，由另外一臺運輸叉車移運至養護區，升降叉車再次升高至傳輸帶等高位置鋪設好底板，此為一個循環完成[2]。

1.2.4 資源配置

每一個循環過程中運輸叉車僅在預制構件裝滿后進行移用，其余時間負責補充模板與鋼筋，同時不占用生產線上的時間。生產線需配備工人6人，管理人員1人，其中擺模與數控定時操作1人，搬運至轉運底板2人、叉車駕駛1人、輔助工人1人、廠區整體管理1人。

1.2.5 其他設置

該生產線主要特點是使用變頻編程自動化操作程序，可根據構件設計特點，通過后臺程序自行設置傳輸皮帶運行停頓間隔、速度，靈活調整可滿足多種小構件預制需求，同時布料口安裝流量監控器，監測混凝土使用方量，及時核算成本。在操作過程中根據不同階段外界條件的變化、工人體能變化、熟練程度等因素均可隨時調整變頻時間。

1.3 主要技術參數

生產線細部構造如圖2所示，主要動力驅動系統為配有變速器的一體式電機，振搗動力由振動鋼梁上的4臺振動機提供，電機具體參數見表1。

為確保有保護層要求的鋼筋混凝土構件，在振動過程中，鋼筋下沉量滿足要求，分別進行了不同塌落度混凝土的分批布料體積試驗，再根據螺旋輸料電機功率，確定自動布料間隔時間，在生產過程中只需要根據不同塌落度的混凝土調節自動布料時間即可，節省了人工操作時間，提高了生產效率，在模具擺放上設計了專用的自動擺模輸送帶，因成本與工程量原因未進行設置。

2 生產效率分析

2.1 生產線效率比較計算

目前生產線主要控制節拍是布料口布料，根據外界條件及預制構件種類的不同，主要調節時間為布料節拍。以邊溝蓋板預制為例（所有工序按最快速度計算），主要工序為A擺模3 s、B一次布料2 s、C放置鋼筋網片2 s、D第二次布料4 s、E運輸至振動臺3 s、F一階段流動振搗3 s、G終段振搗3 s、H堆放移運（每預制8塊進行移運，兩臺叉車配合僅計算叉車降低與擺放底板時間為4 s），最終完成養護（在進行完成E工序的同時進入第二個循環開始A工序）。其中擺模與放置鋼筋網片，為工人配合完成，該工序簡單易于接受，不影響整個工序時間，按照無多余間隙的流水計算每生產8塊邊溝蓋板的時間：T=每板之間的時間間隔和+最后一塊板的施工流水節拍和+要求間歇和，其中模板涂刷脫模劑8塊板按照32 s計算，T=（8-1）×14+20+4+30=152 s。

傳統工藝生產，同樣以邊溝蓋板為例，主要工序A擺模3 s、B一次加料5 s、C放置鋼筋網片2 s、D第二次加料5 s、E振搗8 s、H移運4 s。傳統工藝按照1個班組作業計算，每個班組需要5人，每生產8塊邊溝蓋板的時間：T=每板生產時間×板數+要求間隙和，其中模板涂刷脫模劑8塊板按照32 s計算;T=8×27+32=248 s。

在生產8塊邊溝蓋板上自動化生產線較傳統工藝節省了96 s，而自動化生產線在每個循環之間也存在著搭接，模具及鋼筋準備按照提前一天計算，當天生產按8塊板一個循環計算，循環之間的間隔節拍為4+14，模具按照400塊一個大循環使用計算T=49×18+118的大批量生產時，效率更加卓越。在持續生產中工人勞動強度低，自動化振搗工藝成熟，質量有保障。

2.2 經濟性對比分析

根據以上工藝時間統計從功效上對比（如表2）。

通過投入對比，此設備按生產20 000 m3報廢處理，生產設備合價7萬元，電費按現場統計計算（如表3）。

通過表3對比，首先在工藝對比分析上，使用此類自動化生產線，既能提高生產效率，同時保證了施工質量，通過機械化、自動化代替傳統施工工藝，節省了勞動力;其次自動化生產線雖看似前期一次性投入成本較高，但生產過程中大大節省了人工費，按2 000 m3生產單元，每方節省153.13-44.02=109.11元，規模及體量更大的項目節約成本更為可觀，現階段工程建設項目周期較短，大量的人工勞作無形中增加了管理難度與管理成本，而通過流水線式的工廠化加工，明確了各工種的職責，減少管理人員投入，初步實現了自動化減人。同時以此自動化流水線為雛形，深入研發自動化預制，在布料與轉移運輸上減少人員投入，實現預制生產與操控管理完全分離，通過工廠化集約生產有效提升標準化工藝水平，自動化減人也進一步降低了安全風險。

3 結束語

隨著國家及行業對構件質量、標準及信息化管理要求的不斷提高，基礎設施建設中，裝配式結構得到廣泛應用，生產體量將逐步增大，這也對混凝土構件預制工藝提出了更高要求，混凝土構件自動化、集約化預制生產將成為新的發展趨勢。也需要通過小構預制自動化的研究及拓展應用，提升各種混凝土預制構件的自動化生產線的開發與研究。該文提到的創新型自動化生產線也是尋求發展創新、轉型升級的一種嘗試。隨著信息技術的發展及社會的需求，自動化生產將進一步朝智能化制造轉型升級。未來可分別將BIM模塊技術、GPS定位系統、RFID芯片植入等信息化技術運用到構件生產環節，最終實現智能化制造，集約化生產。

參考文獻

[1]倪雪峰. 預制混凝土構建自動化流水線研究[J]. 綠色建筑， 2017（1）： 36.

[2]李永敢. 裝配式建筑預制混凝土構件自動化生產線設計配置技術[J]. 施工技術， 2018（4）： 47-51.