高精度大型空腔式不規則曲體混凝土預制構件流水化生產技術

劉慧明

（中鐵建大橋工程局集團第六工程有限公司，吉林 長春 130000）

隨著我國經濟飛速發展，綠色節能建筑施工標準化水平日趨提高，裝配式混凝土建筑已經成熟，逐漸向縱深發展； 形狀復雜化、體量增大化、精度提高化、產能擴大化的新型混凝土構件已成為我國未來裝配式建筑發展的新要求。本文通過裝配式地鐵車站D型、E型預制構件闡述高精度、大體量、形狀復雜的新型混凝土預制構件流水化生產技術； 如何實現高精度大型空腔式不規則曲體混凝土預制構件高效生產。

1 技術背景

目前，國內裝配式混凝土預制構件大多數為形狀規則的橋梁預制箱梁，房屋建筑工程的梁、板、柱、剪力墻及樓梯，預制管樁，以及一部分混凝土管等；中小型混凝土預制件基本已實現工廠流水化生產，但大型混凝土構件多數以梁場、大型預制廠為主，暫不能形成工廠內流水線生產； 大型不規則曲體混凝土構件更是多以現澆為主； 裝配式地鐵車站拱頂結構D型、E型構件為大型不規則曲體混凝土結構，裝配后凈跨度19.1m，環寬2m，與其他預制塊榫卯相接，并設置有手孔、張拉槽、防水凹槽及大量的預埋件； 整體體量分別為24.05m、26.49m； 整體精度要求高。D、E結構模型如圖1 所示。

圖1 D、E結構模型圖

2 生產難點

由于構件為高精度大型空腔式不規則曲體混凝土結構，其鋼筋籠加工、轉運、入模，鋼筋籠與之過程中預埋件的避讓，鋼筋籠、鋼筋保護層、模板尺寸精度保證，混凝土構件的成品精度、外觀質量，以及如何滿足供應需求都成了生產難點。由此，大型的鋼筋半成品檢測加工案板、鋼筋胎具、大型鋼筋籠翻轉支架、混凝土模具、大型混凝土構件生產流水線應運而生。

3 預制構件生產流水線

流水線生產車間選址： 大型不規則曲體混凝土構件生產線選址主要考慮兩點因素； 一是遠離市區，避免給城鎮居民日常生活帶來負面影響； 二是選址宜在交通便利、臨近主干路的位置，以方便原材料的進場運輸以及成品構件出廠運輸； 另外遠離市區的用地費用相對比較經濟。

預制構件的流水化生產與國內預制構件生產流水線大體相同，主要是通過底模的循環從而形成流水作業； 為滿足供需要求，保證生產車站每天1 環～1.5環的產能； 并兼顧建廠的經濟性。經過經濟方案對比分析后，生產線共計投入6 套底模板、1 套側模板；常規養護時，日產能1 環，每6d 一個循環； 進行蒸汽養護時，日產能1.5 環，每4 天1 個循環； 從配合比方面著手，適配出一種工作性能好、短期內能夠達到較高強度、不宜產生開裂的混凝土，從而減少構件在生產車間內的停留時間，盡早達到脫底模條件，轉運至存放場地。生產線流程如圖2。

圖2 生產線流程圖

為保證各型號構件生產均衡，針對各個型號構件體量大小建設八個閉環生產流水線，八條線共用兩條回移通道，其中A塊、B塊、C塊共用一條底模回轉通道； D塊、E塊共用一條底模回轉通道； 每條生產線有各自構件生產窯，每個生產窯起端區域為側模組拼、混凝土澆筑及振搗、構件靜停蒸汽養護工位，剩余區域為構件常規養護區； 為保證蒸汽養護質量區域兩端設置可開啟是密閉門，頂部設置可開啟保溫蓋板； 生產窯兩端為底模平移區，主要借助軌道平移小車推拉載運功能實現底模模板車的橫向平移。軌道平移小車及底模模板車均在軌道上移動，從構件原位靜停養護到窯內灑水養護區域（即生產窯內） 軌道應精平無縫，避免混凝土初期強度低因為震動而產生裂縫，底模流轉圖如圖3 所示。

圖3 底模流轉圖

4 高精度大型空腔式不規則曲體混凝土構件鋼筋籠

構件的外形特點使得鋼筋籠的預制存在一定的難度，首先是鋼筋籠的外形尺寸精度保證，鋼筋籠制作時繁多的預埋件位置避讓； 其次是不同形狀尺寸鋼筋半成品種類數量達百余種，定位難度大； 再次是弧形的鋼筋半成品加工存在一定的困難，工效低； 最后是成品鋼筋籠轉運、存放過程中如何控制變形。

弧形鋼筋半成品加工： 設立不規則鋼筋半成品外形百分之百比對檢測程序，制作不規則鋼筋半成品外形檢測、矯正案板，所有外形不規則的鋼筋半成品必須進行檢測矯正，避免外形尺寸、角度不合格的半成品安裝在鋼筋籠中而造成整體鋼筋籠的不合格，進而導致整個生產線的正常運轉。

鋼筋半成品外形檢測、矯正案板的制作既要能保證半成品尺寸精度，又要保證自身的強度、剛度及抗變形能力； 把精準的半成品外形放樣到鋼質臺案上主要是應用全站測控技術，架立好全站儀后無需建立新的坐標系，直接利用原有坐標系采集案板角點坐標，然后利用虛擬坐標再CAD模型中確定案板在虛擬坐標系中的位置，再把精確的鋼筋半成品圖形描繪在CAD模型中的案板上，進而計算出案板上半成品外形定位點的坐標； 最后通過全站儀利用虛擬坐標進行放樣。注意采集案板位置的虛擬坐標系與放樣的坐標系一定是同一坐標系，整個測量放樣過程切勿移動全站儀，半成品檢測矯正案板如圖4 所示。

圖4 半成品檢測矯正案板

鋼筋籠預制： 鋼筋籠制作是整個高精度大型空腔式不規則曲體混凝土構件生產過程中的難點； 根據鋼筋籠外形尺寸、每根鋼筋的位置、預埋件位置等設計制作鋼筋胎具； 鋼筋胎具的設計重點考慮安全性、鋼筋籠外形尺寸精度，再者是胎具的易用性、強度、剛度、抗變形能力； 胎具設計前，對鋼筋籠、預埋件進行三維建模、通過碰撞測試找出鋼筋籠與預埋件沖突部位，與設計溝通重新調整位置關系； 鋼筋胎具上主筋位置主要是通過固定的限位卡槽，底板下鐵設計為固定卡槽，頂板上鐵設計為可拆卸卡槽； 以利于鋼筋籠出模； 鋼筋胎具設計不僅要考慮主筋定位、所有的箍筋（高度不等） 位置也需要在鋼筋胎具上有標記，確保每根箍筋對號入座，鋼筋籠制安胎具如圖5 所示。

圖5 鋼筋籠制安胎具

鋼筋籠吊運、存放： 鋼筋籠吊運過程變形控制，一是采用扁擔進行多斷面起吊方案，受力部位設在頂板上層主筋，每個斷面設置抗變形能力好的穿杠使每根主筋均勻受力； 計算鋼筋籠在入模姿態重心位置，扁擔上設置4 個吊點，通過調整4 個吊點上鋼絲繩長度以使鋼筋籠起重吊裝姿態平穩； 二是提高鋼筋籠自身剛度，利用三角形穩定性原理連接鋼筋籠頂板上層及底板下層主筋以提高鋼筋籠吊運過程中抗變形能力，對吊裝斷面左右5 排的箍筋與主筋節點進行全斷面點焊加固。為保證生產線正常運轉，成品鋼筋籠須存有余量，制作鋼筋籠存放支架，存放支架各受力橫桿宜設置在鋼筋籠制作過程底板下鐵卡槽對應位置，下設支撐，受力橫桿斷面連線與鋼筋籠底板下弧度相契合。

鋼筋籠入底模： 底模平移至回轉通道處理完成后，先行安裝帶齒槽道，以及固定塑料螺栓套、對拉連接器的雙面螺絲工裝； 調整鋼筋籠姿態落入底模后進行塑料螺栓套、連接器以及其他預埋件安裝。

5 高精度大型空腔式不規則曲體混凝土構件模板

高精度大型空腔式不規則曲體混凝土構件采用組合式鋼模具，模具分為底模、側模； 每型號構件配置6 套底模、1 套側模； 底模在生產線上流轉，側模固定在混凝土澆筑工位； 鋼筋籠入底模后通過平移小車移動至混凝土工位進行模板組拼及剩余預埋件安裝。

模板精度控制： 模板精度控制的目的是控制成品構件的外形尺寸； 成品構件外形尺寸不達標主要提現在首先是長、寬、高達不到設計要求； 其次是構件扭曲。

構件外形尺寸控制措施一： 保證混凝土澆筑前模板精度，底模平移至混凝土工位后，先是進行底模調平，通過水準測量技術校對底模板沿長度方向任意橫斷面兩端點處于同一水平； 其次是側模組拼，組拼后校對側模沿長度方向任意橫斷面與側模板面交線處于豎直狀態； 再次是組拼端模板； 最后是側模板線型校對，此步驟也是對模板組拼精度復核在調整，利用全站儀測設側模面板上緣沿線型方向任意三點在水平面的投影處于同一直線上（需借助CAD畫圖軟件進行）。組拼模板的全過程都要在確定模板拼縫沒有夾雜雜質異物的條件下進行。

構件外形尺寸控制措施二： 保證混凝土澆筑過程中模板不變形，主要是在模具制作過程中要保證模具的剛度，再者是澆筑工位上設置輔助固定措施、或是支頂措施。

構件外形尺寸控制措施三： 采用PDCA循環工作原則，即P計劃階段： 制定模板精度測控方案； D實施階段： 按照擬定的模板精度測控方案進行模板精度測量及尺寸校正； C成果檢查： 檢查構件成品外觀尺寸形狀是否符合要求； A結果處理： 對于尺寸不合格的部位進行修整處理，同時總結經驗進行模板精度測控方案調整，在下一循環中進行實施。往復循環，精益求精。

構件外形檢測： 首先是構件脫側模后，檢測并調整使得底模處于水平狀態，利用全站儀測設構件側面上緣沿線型方向任意三點在水平面的投影是否處于同一直線上（需借助CAD畫圖軟件進行）； 然后是在構件脫底模后，利用大型游標卡尺檢測構件寬度是否達標，再用直角拐尺量測構件側面與底面夾角是否垂直。

高精度大型空腔式不規則曲體混凝土構件模板尺寸測控技術、構件外形尺寸檢測技術未來發展導向；目前高精度模板測控技術、構件外形尺寸檢測技術還處于摸索實踐階段； 但方向已經明晰，未來高精度模板測控技術將與自動化向結合，全面實行計算機操控大型液壓模板裝備系統，將高精度模板測控技術推行國際先進水平； 成品構件外形檢測，未來重點發展構件激光掃描建模技術，利用激光設備精密測量構件表面尺寸在計算機上進行建模成像，通過掃描建立的模型與標準模型進行校對計算出構件尺寸缺陷部位，進而進行有針對性的調整。

6 高精度大型空腔式不規則曲體混凝土構件混凝土

預制構件采用自拌混凝土能夠較好的供應生產線需求，另一方面要就近選擇一家備用混凝土供應商，預防拌合站故障時因混凝土供應問題產生廢件。

裝配式地鐵車站內部為免裝修飾面，即要求構件必須達到清水混凝土效果； 為達到這一效果，一是調整構件澆筑姿態，除底板塊外各型號構件的澆筑姿態均為外露面向下（貼合底模），以利于氣泡向上排出；二是要求構件混凝土具有一定的自密實性及良好的擴展度； 三是選用一種適合的、效果良好的脫模劑； 四是制定行之有效的混凝土振搗方案； 五是脫模控制，保證脫模過程中模板受力方向與混凝土模板接觸面垂直，嚴禁發生斜拉歪拽使構件混凝土局部受力造成缺棱掉角。

構件裂縫控制，混凝土初期水化熱反應迅速、集中，增加了產生裂縫的幾率； 為此，首先是將預制構件設計為空腔薄壁混凝土結構，其內部采用輕質的泡沫混凝土（簡稱芯模） 預制塊進行填充； 其次是優化混凝土配合比，混凝土要有一定的微補償收縮性能，避免一次性整體澆筑的薄壁腔體混凝土構件陰角因混凝土收縮產生拉裂； 三是從施工上進行控制，進行二次壓光、埋設測溫線監控混凝土內外溫差等措施。

構件養護，構件養護共分為三個階段： 一是原位靜停蒸汽加溫養護，二是灑水養護，三是自然養護；蒸汽加溫養護階段要根據混凝土配合比，混凝土內部水化熱反應時間制定專項的升溫方案； 不同的配合比蒸汽加溫養護方案不盡相同； 蒸汽養護初期監測構件混凝土內部溫度變化，混凝土構件原位靜停蒸汽加溫養護階段蒸養窯內溫度要隨混凝土內部溫度的逐漸升高進行同步加溫； 控制構件蒸汽加溫養護期間溫度均衡，避免因混凝土強度增長不均衡，導致混凝土應力集中造成裂縫。原位靜停蒸汽加溫養護完畢后進行灑水養護14d，灑水養護結束后進入自然養護階段。

7 高精度大型空腔式不規則曲體混凝土預制構件在城市軌道交通中的應用

裝配式地鐵車站突破常規工法，突破性的將裝配式工法應用到地鐵領域； 利用拱形結構特點，將不規則曲線融入在裝配式地鐵車站預制構件中，使車站站廳層實現了無柱化，極大地增加了地鐵站內空間，同時賦予車站裝飾設計更大的發揮空間，給城市居民帶來更好的乘車體驗。

裝配式地鐵車站預制構件的應用，使城市地鐵車站建設節約了大量的木材，在全面響應國家及黨中央實現碳中和戰略目標的大背景下，鋼材、水泥的有效利用率更高，城市軌道交通設施建設變得更加綠色、安靜，建設過程對市民日常出行影響更低，施工更加快速； 推動了城市軌道交通建設水平又上了一個新臺階。

8 結語

目前，高精度大型空腔式不規則曲體混凝土預制構件流水化生產技術使大型構件流水線生產成為了現實，使不規則曲體混凝土構件精度得到提高接軌國際化水平，同時已在國內部分省市的城市軌道交通領域得到了較好的應用，高精度大型空腔式不規則曲體混凝土預制構件流水化生產技術填補了裝配建筑領域空白，開創了國內裝配式建筑行業發展新篇章，為國家城市基礎設施建設保質、提速。