基于智能信息化裝配式建筑混凝土澆鑄生產(chǎn)方法
——以廣州國際生物島標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)單元四期項目施工總承包工程為例

文｜廣州工程總承包集團有限公司 李光輝

相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土建筑，裝配式建筑具有施工工期短、質(zhì)量可控、綠色節(jié)能等優(yōu)點，在部分發(fā)達國家的建筑施工中得到了應(yīng)用。但由于缺少可靠的澆鑄生產(chǎn)方法，國內(nèi)依然主要采用現(xiàn)澆混凝土的作業(yè)方法，導(dǎo)致裝配式建筑僅占新建建筑的5%左右，與國際先進水平仍然存在較大差距。針對這一問題，需要加快引進智能化信息化技術(shù)推動裝配式建筑混凝土澆鑄生產(chǎn)方法的創(chuàng)新發(fā)展，為提高裝配式建筑生產(chǎn)技術(shù)水平提供支持。

1.裝配式建筑混凝土澆鑄生產(chǎn)技術(shù)問題研究基礎(chǔ)

為落實推動廣州建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級及企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重大戰(zhàn)略等系列政策要求，確保在2025年底使珠三角城市群達到裝配式建筑占新建建筑面積比例的35%以上的發(fā)展目標(biāo)，廣州工程總承包集團有限公司與廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司合作研發(fā)出了新型裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系。在該結(jié)構(gòu)體系中，預(yù)制的柱柱、梁柱、主次梁、暗柱與剪力墻等連接位置均采用鋼連接件，相較于傳統(tǒng)的套筒灌漿連接方法能夠提高施工可靠性和便利性，為節(jié)點質(zhì)量檢測提供有力支持。但實際運用該項技術(shù)將面臨一系列的混凝土澆鑄生產(chǎn)問題，將給技術(shù)的推廣應(yīng)用帶來限制。具體來講，就是當(dāng)前裝配式建筑工廠的生產(chǎn)設(shè)備的信息化程度依然不足，日常進行畫線定位、混凝土澆鑄、翻轉(zhuǎn)起吊等作業(yè)仍然需要人工輔助。而在無法實現(xiàn)生產(chǎn)與設(shè)計、施工工序協(xié)調(diào)的情況下，造成預(yù)制構(gòu)件澆鑄生產(chǎn)過程繁瑣，容易因人為失誤造成錯漏，如出現(xiàn)設(shè)計圖紙未及時更新、人工錄入數(shù)據(jù)錯誤等問題，最終導(dǎo)致新型裝配式技術(shù)體系存在設(shè)計用鋼量偏大、制作安裝偏差大、施工工藝不佳等問題，急需完成技術(shù)改進。

2.基于智能信息化裝配式建筑混凝土澆鑄生產(chǎn)方法與案例探討

2.1 智能信息化生產(chǎn)技術(shù)

針對各種生產(chǎn)技術(shù)問題，通過開展系列理論、試驗和工程實踐研究，最終提出了引進智能信息化技術(shù)實現(xiàn)裝配式建筑混凝土澆鑄生產(chǎn)的方法，能夠通過使預(yù)制構(gòu)件制作與設(shè)計、施工等環(huán)節(jié)保持信息交互和相互協(xié)調(diào)完成經(jīng)濟、高效、可靠的新型裝配式建筑技術(shù)體系打造。具體來講，就是引進BIM 技術(shù)進行新型裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)施工，能夠通過建立分析模型合理進行構(gòu)件設(shè)計，并通過模擬分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)組合節(jié)點，使設(shè)計、安裝等環(huán)節(jié)引發(fā)的偏差得到減小，以免因大量重復(fù)性作業(yè)的產(chǎn)生引發(fā)嚴重資源浪費[1]。應(yīng)用該方法，能夠利用BIM 技術(shù)完成工程項目施工過程模擬測試，通過碰撞檢查確認各類構(gòu)件能否得到較好組合。對澆鑄過程進行模擬，可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)問題，通過實時監(jiān)控優(yōu)化施工工藝。通過對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行智能化分析，能夠提出技術(shù)改進措施，提高裝配式建筑施工效率和質(zhì)量。通過反復(fù)利用BIM 技術(shù)模擬和開展現(xiàn)場試驗，最終提出了裝配式轉(zhuǎn)換層預(yù)制柱鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)施工技術(shù)、裝配式帶鋼牛腿鋼筒預(yù)制柱施工技術(shù)等創(chuàng)新性技術(shù)，生成了成套的了新型裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)施工管理技術(shù)，能夠保證混凝土澆鑄取得理想效果。

2.2 混凝土澆鑄生產(chǎn)實踐

2.2.1 工程概況

廣州國際生物島標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)單元四期項目施工總承包工程位于廣州生物島寰宇一路以北，總建筑面積85083.8m2，包含四棟塔樓，地上2～12 層，地下1 層，地上部分約70460.0m2，地下部分約14623.8m2。工程采用框剪結(jié)構(gòu)，M3 棟建筑為裝配式結(jié)構(gòu)，屬于工業(yè)研發(fā)生產(chǎn)用房，高60.2m，建筑面積為13391.6m2，額外建設(shè)屋面層和屋架層。建筑±0.00 以上主體為裝配式結(jié)構(gòu)，首層高6.05m，二層高4.8m，3 層及以上層高4.5m，屋面層高3.6m，需要完成預(yù)制柱、預(yù)制疊合板、預(yù)制疊合梁和分布墻四類裝配式預(yù)制構(gòu)件的澆鑄生產(chǎn)。為保證預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)效率和質(zhì)量，決定采用BIM 實現(xiàn)構(gòu)件設(shè)計、制造、安裝等環(huán)節(jié)的智能信息化管理，實現(xiàn)設(shè)計-加工-裝配的一體化協(xié)同控制。

圖1 預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)柱BIM 模型深化設(shè)計圖

2.2.2 預(yù)制構(gòu)件設(shè)計

在預(yù)制構(gòu)件設(shè)計環(huán)節(jié)，可知需要利用BIM 技術(shù)完成模數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化分析，生成預(yù)制梁、預(yù)制柱等族庫，實現(xiàn)信息化管理[2]。對不同結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，可以從中選擇標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件生成三維可視化模型，通過深化設(shè)計保證結(jié)構(gòu)合理。以預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)柱為例，采取新型裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，生成的模型如圖1所示，主要豎向節(jié)點均采用帶鋼牛腿鋼筒連接方式，可以降低對灌漿料和套筒的要求，輕松實現(xiàn)節(jié)點質(zhì)量檢測。

表1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量及重量

根據(jù)模型自動生成設(shè)計圖紙，能夠?qū)︻A(yù)制構(gòu)件制作工程量進行計算，如式（1）所示：

A=V×（1+δ）

式中，A 指的是混凝土預(yù)制構(gòu)件制作工程量，B 為件數(shù)，δ 則為構(gòu)件損耗系數(shù)，需要根據(jù)構(gòu)件類型取值，通常預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件取1.5%，其他構(gòu)件取0.5%。根據(jù)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計圖實際體積，能夠完成各樓層構(gòu)件工程量計算，如表1所示為標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量及重量。通過對各樓層數(shù)據(jù)進行匯總，可知建筑多數(shù)結(jié)構(gòu)采用預(yù)制構(gòu)件，僅在梁與柱連接節(jié)點等局部位置現(xiàn)澆鋼筋混凝土，裝配率能夠達到85%，現(xiàn)澆率為15%。

2.2.3 預(yù)制構(gòu)件制作

在預(yù)制構(gòu)件制作階段，需要將BIM模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到生產(chǎn)輔助加工系統(tǒng)和工廠信息化管理系統(tǒng)中，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、無誤，避免偏差的產(chǎn)生。在生產(chǎn)實踐中，應(yīng)根據(jù)圖紙尺寸要求對鋼筋骨架、吊點和預(yù)埋型鋼的位置進行確認，然后進行焊接固定，放入尺寸與之相符的鋼模板。對預(yù)留的螺栓洞口進行填塞后，能夠進行混凝土澆鑄。如圖2所示，為標(biāo)準(zhǔn)層預(yù)制柱制作流程，在生產(chǎn)實踐中需要選用HRB400、HRB400E 級鋼筋和Q345B 鋼板等材料，模具則采用Q235b 的定型鋼模生產(chǎn)，連接螺栓使用Q235b 型號的高拉力六角螺栓。確認各種材料和模板質(zhì)量合格后，才能進行各部分結(jié)構(gòu)安裝連接。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層預(yù)制柱制作流程圖

在混凝土澆鑄期間，應(yīng)按照各構(gòu)件強度等級進行混凝土配合比設(shè)計，如表2所示為建筑不同部位各種預(yù)制構(gòu)件設(shè)計強度等級。對照數(shù)據(jù)開展配合比試驗，確認試件強度、抗彎性能等符合要求后，才能進行混凝土拌合，期間應(yīng)加強坍落度、凝結(jié)時間等各項指標(biāo)控制，保證混合料質(zhì)量合格后才能進行構(gòu)件澆鑄[3]。在澆鑄過程中，應(yīng)做到充分振搗，確認不存在氣泡、骨料沉落等現(xiàn)象。結(jié)束澆鑄后，應(yīng)使用塑料薄膜覆蓋，然后在拆模后進行灑水養(yǎng)護，確認構(gòu)件抗壓強度達到設(shè)計值的75%后才能進行吊裝。

表2 M3 棟預(yù)制混凝土構(gòu)件強度等級表

2.2.4 預(yù)制結(jié)構(gòu)施工

在完成各種預(yù)制構(gòu)件制作后，需要對構(gòu)件連接點進行澆鑄，形成各種結(jié)構(gòu)組合體系，在保證結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的同時，加快現(xiàn)場施工效率。運用BIM 技術(shù)，能夠通過在構(gòu)件中預(yù)埋芯片或二維碼對構(gòu)件吊運、裝配的全過程進行信息化管控，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時跟蹤和反饋，保證生產(chǎn)澆鑄過程得到有效管控。根據(jù)工程生產(chǎn)計劃，需要分層分批進行預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)，遵循“先安裝、先進場”的原則進行裝配式結(jié)構(gòu)吊裝和安裝施工。根據(jù)構(gòu)件重量、尺寸等信息，需要選用QTZ250 塔吊、120T 汽車吊和35T 汽車吊等設(shè)備，并準(zhǔn)備氣焊機、電焊機、鋼絲繩、經(jīng)緯儀等各種器具。在現(xiàn)場施工實踐中，梁、板、柱等構(gòu)件均進行平放運輸，并在車廂底部設(shè)置支撐和減震措施。構(gòu)件進場后，需在指定位置卸下和放置，現(xiàn)場禁止堆放柱構(gòu)件，疊合梁不允許疊加堆放，需在地下室頂部堆放以完成二次吊裝，需做到分散堆放，疊合板不超7 塊。

完成施工準(zhǔn)備后，需要根據(jù)各種結(jié)構(gòu)件的特點確定施工流程。建筑物南側(cè)布置塔吊，對4 層及以上構(gòu)件進行吊裝。建筑1～3 層構(gòu)件界面大、重量重，需采用北側(cè)和西側(cè)的吊車吊裝。在設(shè)備在指定吊裝作業(yè)區(qū)就位后，針對預(yù)制柱進行安裝，應(yīng)先做好標(biāo)高、軸線偏差調(diào)整，然后將短鋼條與上下鋼筒進行臨時焊接固定，完成臨時支撐安裝。確認安裝牢固后，可以將吊具脫鉤，完成上下鋼筒接縫焊接，然后通過預(yù)留的孔洞節(jié)點進行混凝土澆鑄和養(yǎng)護。在轉(zhuǎn)換層預(yù)制柱構(gòu)件組合施工中，完成標(biāo)高、軸線等偏差調(diào)整后，需利用H 型鋼進行焊接連接。在吊具脫鉤后進行預(yù)留鋼筋搭接焊縫連接后，應(yīng)進行底部后澆區(qū)箍筋綁扎和驗收，最后進行混凝土澆鑄。對照BIM 信息加強各構(gòu)件安裝管理，能夠把握結(jié)構(gòu)施工要點，保證安裝質(zhì)量符合要求。

3.項目成效

應(yīng)用BIM 技術(shù)進行裝配式建筑混凝土澆鑄生產(chǎn)，通過模擬澆鑄過程進行構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計，可以預(yù)防各質(zhì)量問題發(fā)生，保證各類構(gòu)件在現(xiàn)場順利組合，在提高施工質(zhì)量和效率的同時，通過減少返工、重工的發(fā)生節(jié)省施工成本。從工程施工成效來看，M3 棟裝配式建筑在125 個日歷天內(nèi)完成了預(yù)制混凝土構(gòu)件的吊裝施工，平均每9 天完成1 層結(jié)構(gòu)體系施工，同時一次性通過了工程質(zhì)量驗收。因此通過采用智能信息化手段實現(xiàn)混凝土澆鑄生產(chǎn)管理，可以充分凸顯新型裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系的效率高、質(zhì)量可靠等優(yōu)勢，為工程樹立良好形象。

4.結(jié)論

運用智能信息化技術(shù)，能夠為裝配式建筑施工創(chuàng)造有利環(huán)境，確保企業(yè)在預(yù)制混凝土構(gòu)件澆鑄生產(chǎn)方面結(jié)合新型裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系特點探索新的生產(chǎn)管理模式，為提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量提供技術(shù)保障。在裝配式建筑施工實踐中，還應(yīng)運用BIM 技術(shù)使預(yù)制混凝土構(gòu)件的設(shè)計、制作、吊裝等過程保持協(xié)同，根據(jù)構(gòu)件設(shè)計圖加強澆鑄生產(chǎn)過程管理，保證各構(gòu)件能夠精準(zhǔn)組合裝配，為后續(xù)工程施工提供便利的同時，提升裝配式建筑工程的施工技術(shù)水平。