基于TRI Z理論的疊合板接縫模架專利技術(shù)研發(fā)與實踐

徐大為

（上海建工五建集團有限公司，上海200063）

1 引言

TRIZ 理論的含義是“發(fā)明問題解決理論”，即通過分析問題來申請發(fā)明專利的基本方法【1】。建筑施工企業(yè)可基于TRIZ理論形成一系列對工程建設(shè)質(zhì)量、進度、安全、環(huán)保等具有重大促進作用的發(fā)明專利【2】，進而推動行業(yè)發(fā)展與社會進步。現(xiàn)階段，裝配式結(jié)構(gòu)體系符合建筑工業(yè)化發(fā)展方向【3】，被國家所大力提倡。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工存在的技術(shù)問題中，疊合板整體式接縫處模板漏漿、拆模后板底平整度差已成為質(zhì)量通病。本文分析現(xiàn)有疊合板整體式接縫模板設(shè)計施工技術(shù)，并通過TRIZ 理論“思維橋”方法改進后，研發(fā)滿足拼縫質(zhì)量要求、系統(tǒng)整體性要求以及承載力要求的新專利技術(shù)。

2 疊合板接縫模架問題

2.1 常規(guī)做法及問題概述

現(xiàn)階段疊合板接縫方式主要有密拼接縫和后澆帶接縫2 種形式，單向疊合板后澆帶接縫寬30～50mm，雙向疊合板后澆帶接縫寬度≥200mm【4】。對于后澆帶接縫寬度為200mm 以上的雙向疊合板（見圖1），在施工過程中既要考慮樓板施工臨時支撐問題，又要考慮拼縫處后澆帶混凝土施工質(zhì)量問題。

圖1 雙向疊合板后澆帶接縫構(gòu)造圖

按照常規(guī)做法，樓板模板和排架往往按照現(xiàn)澆混凝土樓板的要求設(shè)計，即搭設(shè)滿堂架后在架頂鋪設(shè)木楞龍骨與梁板底模。疊合板由下部預(yù)制板與上部現(xiàn)澆板疊合而成，預(yù)制板具有模板功能而不需要設(shè)置底模，只需在排架上設(shè)置木楞龍骨進行支撐；但預(yù)制板之間后澆帶特別是雙向疊合板后澆帶接縫寬度在20cm 以上，需安裝排架木楞龍骨后再安裝底模方可施工。因此，后澆帶底部模板阻礙木楞龍骨的連續(xù)性（見圖2），破壞了排架體系的整體性。

圖2 因設(shè)置后澆帶底模產(chǎn)生的問題

2.2 已有專利分析

經(jīng)專利檢索，現(xiàn)有關(guān)于解決上述20cm 以上寬度雙向疊合板后澆帶接縫模架施工問題的專利技術(shù)主要思路是下部預(yù)制板底部邊緣設(shè)計企口（見圖3），企口深度為模板厚度，使模架施工時木楞龍骨鋪設(shè)面無高差，木楞通長鋪設(shè)后可采用頂撐方式【5】或吊模方式【6】固定模板。

圖3 預(yù)制板設(shè)置企口

在構(gòu)件上設(shè)置企口存在的問題主要有：因設(shè)置企口而減小鋼筋的保護層厚度問題，因企口尺寸固定而限制底部模板厚度、不同厚度的模板不能通用的問題；因企口處尺寸較小而導致疊合板生產(chǎn)時混凝土振搗質(zhì)量和拆模質(zhì)量問題；疊合板運輸、吊裝、施工過程中企口容易被碰壞的成品保護問題；拆除模架后企口后續(xù)修補存在的砂漿過厚而導致空鼓、開裂及脫落的問題等。

3 TRI Z理論分析問題

3.1“思維橋”分析方法

TRIZ 理論“思維橋”是由“最終理想解、金魚法、九屏法、STC 算子和小人法”5 種創(chuàng)新思維方法組成的解決發(fā)明問題的程式化過程【7】。對于20cm 以上寬度雙向疊合板后澆帶接縫模架問題，采用最終理想解、九屏法和STC 算子3 種方法來分析。

3.2 最終理想解分析

最終理想解是使產(chǎn)品處于理想狀態(tài)的解，分析流程為：

1）設(shè)計的最終目的是使疊合板底部木楞龍骨通長鋪設(shè)以形成整體性強的模架體系；

2）達到理想解的障礙是后澆帶底部必須要鋪設(shè)模板；出現(xiàn)這種障礙的結(jié)果是若預(yù)制板底也鋪設(shè)模板則會增加造價，若預(yù)制板底不鋪設(shè)模板則木楞龍骨須在后澆帶底部隔斷；

3）掃除障礙的條件是在木楞龍骨可以通長鋪設(shè)的情況下后澆帶底部模板按照要求鋪設(shè)；

4）創(chuàng)造此條件的可用資源包括在預(yù)制板邊緣下部設(shè)置企口，使模板底部與預(yù)制板底部在同一平面，或者在木楞龍骨上部設(shè)置企口，使企口面頂緊模板而木楞龍骨下部在同一平面；

5）最終理想解是既能頂緊后澆帶模板又能保證和木楞龍骨下部在同一平面。

3.3 九屏法分析

九屏法是從不同的階段、層次上提出解決方案。分析思路為：

1）對于雙向疊合板后澆帶接縫施工問題分析，可以從預(yù)制板構(gòu)件設(shè)計生產(chǎn)入手，按工程普遍使用模板較厚的尺寸設(shè)計預(yù)制板企口；

2）也可以從模板與排架之間用于加強排架整體性的木楞龍骨入手，按工程普遍使用較厚模板的尺寸在木楞龍骨上加工下凹企口；

3）施工時根據(jù)企口尺寸配備模板，也可用現(xiàn)有較薄的模板配套墊板來施工，保證模板頂緊而不漏漿。在構(gòu)件上設(shè)置企口存在上文所述的主要問題，因此在木楞龍骨上設(shè)置企口的方案更為可行。但無論是在預(yù)制板上還是在木楞龍骨上設(shè)置企口，都存在模板安裝不嚴密而漏漿以及現(xiàn)有更厚模板不適用的可能。

3.4 SCT算子分析

SCT 算子分析是將尺寸、時間、成本3 個因素分別逐步遞增或遞減至極值，以找到解決方案。分析流程為：

1）若使尺寸最大即耗材較多，則龍骨周轉(zhuǎn)次數(shù)較少，針對特定厚度模板或者特定結(jié)構(gòu)形式使用后即報廢；若使尺寸最小即耗材較少，則龍骨周轉(zhuǎn)次數(shù)盡可能多，適用于多種厚度模板和多種類型的結(jié)構(gòu)形式；

2）若使制作不受時間限制，則可根據(jù)已有模板的厚度、種類制作加工不同尺寸的企口；若使制作時間有限，則可在工廠中提前制作定型化的、適合用于各種模板厚度和結(jié)構(gòu)類型的龍骨作為通用工具，在現(xiàn)場直接使用；

3）為了滿足頂緊不同厚度模板而避免漏漿的要求，假設(shè)費用較為寬松，龍骨設(shè)計可引入液壓頂升技術(shù)；假設(shè)費用有限，龍骨設(shè)計可引入高強彈簧。

4 新專利技術(shù)研發(fā)

通過上述分析，為了既能頂緊后澆帶模板又能保證龍骨下部在同一平面，初步設(shè)計一種采用高強彈簧、適用于多種模板厚度和多種結(jié)構(gòu)類型、在工廠中制作的定型化通用托梁作為模板龍骨。

4.1 通用托梁設(shè)計

4.1.1 材料、尺寸與構(gòu)造

為了便于工廠制作加工以及提高周轉(zhuǎn)次數(shù)，通用托梁采用鋼材。因建筑工程中模架體系多采用木方和方鋼作為龍骨，而100mm×50mm 方木和100mm×50mm×3.0mm 方鋼管最為常用，因此，在預(yù)制板范圍內(nèi)托梁的固定部分采用100mm×50mm×3.0mm 方鋼管。

對于疊合板后澆帶部分，采用調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)來解決模板頂緊與龍骨底部同平面問題。調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括由2 個角鐵對焊形成的鋼管、位于該鋼管內(nèi)的高強彈簧和內(nèi)彈板、位于鋼管外的外彈板，以及穿過鋼管頂部用于連接內(nèi)外彈板的支桿。調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)具有彈性變形能力，受到外力作用時被壓縮變小進而產(chǎn)生與外力相反的支撐力。通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，后澆帶模板可被壓進托梁內(nèi)部。采用100mm×50mm×10mm 鋼板將調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)同固定結(jié)構(gòu)焊接連接。通用托梁設(shè)計見圖4 和圖5。

圖4 通用托梁縱剖面圖

圖5 調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)零件

4.1.2 高強彈簧設(shè)計

首先，根據(jù)規(guī)范【8】取荷載標準值。模板自重荷載取0.04kN/m2。混凝土自重荷載取24kN/m3，疊合板厚度按不利情況取200mm，故混凝土自重荷載標準值取4.8kN/m2。振搗混凝土對水平面模板產(chǎn)生荷載取2kN/m2。考慮到施工人員有直接踩到后澆帶的可能，均布活荷載按照75kg 集中荷載作用在0.2m寬后澆帶模板情況考慮，托梁間距按不利情況取1m，則均布活荷載為3.675kN/m2。

然后，計算荷載效應(yīng)組合設(shè)計值。考慮到彈簧設(shè)計的目的是在不壓縮變形的前提下彈簧彈力能夠抵消施工荷載及材料自重，故按照極限狀態(tài)進行設(shè)計。由可變荷載效應(yīng)控制的組合：

式中，γG為永久荷載分項系數(shù)，取1.2；γQi為第i個可變荷載的分項系數(shù)，均取1.4；Gik為永久荷載效應(yīng)值；Qik為可變荷載效應(yīng)值。

則S1=1.2×（0.04+4.8）+0.9×1.4×（2+3.675）=12.96kN/m2。

由永久荷載效應(yīng)控制的組合：

式中，γG為永久荷載分項系數(shù)，取1.35；φci為可變荷載組合值系數(shù)，取0.7。

則S2=1.35×（0.04+4.8）+0.7×1.4×（2+3.675）=12.10kN/m2＜S1，故取荷載效應(yīng)組合設(shè)計值為S1=12.96kN/m2。

最后，按照式（3）進行彈簧彈性系數(shù)設(shè)計：

式中，γ0為重要性系數(shù)，取0.9；R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計值。

可壓縮托梁調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中的高強彈簧間距為50mm，500mm長調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中最多可設(shè)置9 根彈簧。彈簧壓縮量按照最不利情況取最小值即最小模板厚度，工程中常用的覆面木膠合板和復(fù)合木纖維板最小板厚為12mm。則R=9×k×0.012（kN），k為單根彈簧的彈性系數(shù)。

可壓縮托梁間距按不利情況取1m，后澆帶寬度按不利情況取0.45m。則γ0S=0.9×S1×0.45×1=5.25kN。由式（3）可知：5.25≤9×k×0.012，則k≥48.6kN/m，即對于單根彈簧壓縮1mm需施加48.6N 的力（等效于4.96kg）。

4.2 通用托梁使用方法

通用托梁在雙向疊合板結(jié)構(gòu)中施工步驟為：在地面上彈線定位后澆帶→搭設(shè)預(yù)制板下及后澆帶下排架→鋪設(shè)木方主楞→鋪設(shè)后澆帶下可壓縮托梁→鋪設(shè)預(yù)制板下木方次楞→在可壓縮通用托梁上鋪設(shè)后澆帶板底模板（模板與預(yù)制板接觸部位貼雙面膠帶紙）→預(yù)制板吊裝→綁扎鋼筋→澆筑混凝土（見圖6）。

圖6 通用托梁在雙向疊合板后澆帶應(yīng)用

可壓縮托梁專利技術(shù)【9】用于支設(shè)在預(yù)制板和現(xiàn)澆段的底部，對于現(xiàn)澆段處的模板，可壓縮托梁通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的壓縮變形而使得模板壓進托梁的內(nèi)部放置，解決了模板引起的高差問題，使得預(yù)制板和現(xiàn)澆段可采用統(tǒng)一的支撐體系。可壓縮托梁在被壓縮后產(chǎn)生支撐力，對模板起到有力的支撐，頂緊模板防止漏漿的同時能夠保證足夠承載力承受澆搗混凝土荷載。

5 結(jié)語

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點決定預(yù)制構(gòu)件之間須設(shè)置后澆段，而在現(xiàn)階段施工水平下裝配式結(jié)構(gòu)后澆段存在漏漿、拔臺、爛根、梁底及板底不水平等質(zhì)量問題【10】。針對雙向疊合板后澆帶接縫漏漿、板底不水平的質(zhì)量問題，已有的專利技術(shù)的主要思路是下部預(yù)制板底部邊緣設(shè)計企口，卻存在減小鋼筋保護層厚度、模板不通用、企口加工難、容易被破壞、修補砂漿易空鼓脫落等問題。

本文采用TRIZ 理論“思維橋”方法分析該問題，以最終理想解為目標，分別分析對預(yù)制構(gòu)件和木楞龍骨進行加工改造的可行性，并從尺寸、時間、成本3 個方面進行論證，初步設(shè)計一種采用高強彈簧、適用于多種模板厚度和多種結(jié)構(gòu)類型、在工廠中制作的定型化通用托梁作為疊合板后澆帶模板龍骨。然后根據(jù)龍骨的構(gòu)造特點和受力特點進行設(shè)計，使通用托梁可滿足雙向疊合板后澆帶接縫質(zhì)量要求、排架模板系統(tǒng)整體性要求以及承載力要求。基于TRIZ 理論形成的此專利技術(shù)對于建筑施工企業(yè)提升裝配式建筑施工質(zhì)量具有促進作用。