裝配式建筑施工智能建造技術與應用研究

趙成恭

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司)

從20 世紀90 年代以來，建筑行業不斷發展。傳統的建筑行業由于資源消耗大和環境污染嚴重等問題，呈現出衰落的趨勢，已不能適應社會不斷發展背景下人民對住房質量的新要求。同時，由于傳統建筑行業對于新技術的應用較少、勞動效率低下的性質，對年輕人的吸引力較低，行業從業人員呈現出老齡化嚴重的問題[1]。尤其在當前面臨國土資源稀缺、勞務人工價格上漲、節能環保要求不斷提高的今天，迫切需要新型建造技術替代傳統建造方式，利用先進工業化技術、智能管理模式改造自身，實現綠色化、智能化。針對以上問題，研究提出了將裝配式建筑施工方式與智能建造技術相結合的方式，提升建筑行業的施工質量，改善行業生態。裝配式建筑是建筑行業工業化轉型的重要體現，它將大量傳統施工過程中需要在現場進行的工作轉移到工廠內進行，極大地釋放施工現場的人員、環境等壓力，有效提高了建設效率。根據裝配式建筑施工的特點，研究設計提出了構件精確對位技術、智能放樣技術、鋼筋自鎖連接技術，來提升裝配式建筑施工的效率與質量；研究旨在借助新技術的引進來改進建筑行業污染嚴重、勞動效率低等特點，以此提升行業對于年輕人的吸引力。研究通過將裝配式建筑施工技術與智能建造技術結合的方式，為建筑行業的發展方向提供新的思路并為未來的智能建造技術發展提供方向選擇與參數支持。

1.面向裝配式建筑施工的智能建造技術結合方法

1.1 適配裝配式建造工藝的智能建造關鍵技術

隨著時代的發展，傳統建筑產業由于環境污染、自然資源消耗大等問題，逐漸不能適應當下的社會需要。建筑施工智能化的呼聲愈發迫切，裝配式建筑施工的方法因其施工污染小，施工流程化的特點，能夠很好的契合建筑施工智能化的需求。同時根據裝配式施工的部件安裝、現場放樣和鋼筋連接三個技術關鍵，研究提出了構件精確對位技術、智能放樣技術、鋼筋同時自鎖連接技術[2]。這些方法的提出，能夠提升裝配式建筑施工的工作效率與施工質量。裝配式建筑施工過程存在安裝誤差大、效率低下、成本偏高等問題，研究設計了設備智能就位和構件智能對位結合的精準對位技術來解決這個問題。該器械由電磁鐵、壓力傳感器和可調節推動板組成，工人可通過調節電流大小實現精準的構件提取工作。同樣的為了提升放樣工作的精準度，避免傳統現場放樣過程中，放樣不精準、放樣效率低等問題，研究采用BIM 模型、3D 激光掃描等技術實現放樣智能化。智能放樣技術能夠以二維設計圖紙為依據，經過碰撞檢測與分析復核后輸出深化設計模型，放樣機器人通過對設計模型自動檢測放樣。最后，在鋼筋連接與線路安裝等施工工藝中，傳統的安裝手法依賴于工人的施工經驗，具有較大的偏差，對建筑結構的穩定性與安全性產生了較大的隱患。研究開發了一種鋼筋自鎖、自連接裝置以解決傳統手工工藝中的各種問題。該裝置的連接步驟為：通過將提前設計并經過測量的卡盤套在經過加工的鋼筋上，并在重力與外力的共同作用下，實現多鋼筋連接。該裝置最多可同時實現20 根鋼筋的同時連接，同時由于其結構的特性該連接裝置可通過套筒內的彈性鍵槽，在鎖止后之間逼近中間隔層位置，當卡盤的凹凸塊完全咬合后具有極高的強度且不可逆。為了全面地體現裝配式智能建造技術的可行性，研究以樓梯裝配施工與陽臺裝配施工為例，分析了裝配式建筑的工藝關鍵節點，并將這些工藝節點與智能建造方法相結合，以求將智能裝配式建造與實際施工結合起來。

1.2 基于智能建造技術的裝配式建筑關鍵工藝節點

裝配式建筑方法因其獨特的施工特點，使得該建筑方法與智能化具有更高的相性。智能建造技術能夠強化施工工藝的流程化與標準化，從而增強建筑質量并減短工期。以裝配式建筑中的墻板、樓梯、陽臺板等模塊的構建過程為例，分別對其施工流程進行簡單介紹，并分析工藝流程中的主要節點。以便引入相關設備與技術提高工藝的標準化和流程化。樓梯作為裝配式建筑中常用構件，其具體的修建過程是在構件廠預制后送至施工現場進行現場組裝[3]。該方法具有高質高效、環境污染小的特點。預制樓梯的施工過程如圖1 所示。

圖1 中，對預制樓梯的施工方式進行了闡述，在實際的施工過程中，還有五點需要注意，分別為吊裝作業、安裝精度、灌漿施工、成品保護和分片樓梯施工技術。安裝精度的保障需要在施工期間時刻關注施工天氣的變化，防止風力因素影響預制樓梯的施工，在風力達到6 級以上時，嚴禁進行施工，在安裝完畢后還需要向梯梁縫隙處填塞砂漿，避免后期位移影響精度。在灌漿施工的過程中，要用清水將梯梁縫隙清理干凈，并使用1:1 的水泥砂漿填縫密實。在成品保護階段，需要對踏步平面鋪設木膠板保護，樓梯側向貼附播磨保護。在分片樓梯的施工過程中，為了保證更好的施工質量同時縮短工期，需要大跨度梯段板進行分片預制，并進行現場組裝，通過這種方式在提升施工效率的同時保障了施工質量。在對預制樓梯的施工作業中的取件、放件和構件連接工作中，摒棄了傳統的人工施工，采用了智能建筑技術，以提升工序的精準度。與預制樓梯類似，在一般的房屋施工過程中，陽臺板作為較為常見的構件之一，被研究納為了智能建造技術的關鍵控制點之一。作為懸挑構件，預制式陽臺板對施工安全的要求更高，其具體的安裝工藝如圖2 所示。

圖2 預制陽臺板的施工工藝

圖2 中，對預制陽臺板的施工工藝進行了簡述，在陽臺板施工的過程中，測量放線、吊裝作業、后澆鋼筋綁扎、后澆區域混凝土澆筑和后澆區域裂縫控制是較為重要的五個部分。其中，測量放線步驟保證了構件的安裝精度，要求遵守先局部后整體的安裝順序，不得采用次控制線。之后進行的吊裝作業，主要是根據設置實際情況設置4 到6 個吊點，并且起吊前還需要對吊索長度進行適當調整，避免出現構件受力不均勻、安裝不精準或構件損壞等問題，吊索與框式吊裝梁的夾角不宜太小，不能小于60 度。在完成了臺面安裝后，對預制陽臺板的預留鋼筋與現澆梁鋼筋進行焊接。混凝土澆筑工作特別需要注意澆筑過程的安全，保證澆筑的質量。在澆筑前要檢查支撐系統是否牢固，標高是否符合要求；在澆筑過程中需要對澆筑區域的振搗情況進行考察，查看是否由漏漿線性，并根據當日氣溫決定是否進行刮平處理。同時，由于后澆區域的上部受拉力較大，在施工過程中需要避免混凝土裂縫產生，要綜合氣候、氣溫等因素采取相應的措施，同時在澆筑工作前要檢查后澆區域混凝土是否達到了設計強度。在結合上述施工要求的同時，采用智能建筑技術，優化工藝流程中的取件，放件部分。通過智能建筑設備能夠大幅降低構件在運輸途中出現損耗的可能性，并提升構件對接的精準度。在構件連接步驟中，采用智能建造技術中的鋼筋連接方式，能夠增強連接強度，減少工人施工工序，同時強化建筑結構的整體強度。裝配式建筑智能施工技術，通過分析各類裝配式構件的關鍵工藝流程，將這些關鍵點與智能施工技術相結合，以提升在關鍵步驟中的施工精度與施工效率。

2.裝配式建筑的智能建造施工技術性能分析

智能建造技術對于裝配式建筑的結合，能夠提升施工精度與建筑質量，降低工作難度。但是想要具體量化智能建造技術為裝配式建筑帶來的強化幅度，還需要對施工效果進行定量的統計與分析。為了展示智能建造技術的裝配性能，研究以預制墻板的裝配流程為例，對裝配工作的裝配效率與裝配質量進行研究。預制墻板可分為兩類，分別是重質構件：外墻板和內隔墻板，輕質構件，PCF 板。在墻板施工安裝的關鍵流程節點有：預留插筋定位、鋼墊片找平、臨時支撐調整、鋼筋綁扎、模板支設與拆除、坐漿料分倉、灌漿料拌制和試塊留置共計八個步驟。采用智能建造技術能夠提升預留插筋定位、鋼墊片找平、臨時支撐調整、鋼筋綁扎和模板支設與拆除前五個工序的構件對位精度與鋼筋連接強度，從而增強墻板的整體強度。最后測定修筑的裝配式建筑的實際偏差距離，實驗結果表明，輕質構件與重質構件的地偏差頻數分布直方圖與對數正態分布曲線基本吻合，具體的正態分布曲線如圖3 所示。

圖3 中，輕質構件的偏差多分布在[3,7]之間，其中在5mm 處的頻數最大。偏差平均值為5.76mm，標準差為3.32。重質構件的偏差多分布在[2，8]之間，其中在4mm 處的頻數最大。偏差平均值為5.81mm，標準差為2.87。數據表明，智能施工技術修建的建筑基本能夠滿足規范的偏差要求。同時，為了具體呈現智能施工技術的施工合格率，研究分析統計了輕質構件墻板與重質構件墻板的累計合格率，統計數據如表1 所示。

表1 中，在規范允許的偏差范圍內，智能施工技術的施工合格率能夠達到82.26%，當應用1.5 倍允許偏差時，合格率能夠達到94.07%，當允許偏差選取8，10mm 時，對應合格率分別能夠達到80%與90%。與國標（GB50204-2002）的混凝土建筑合格率90%相比，裝配式智能施工技術提升了施工質量、縮短了施工步驟、降低了施工人力成本與施工難度，提升了工程的效率與工程的質量，對于未來的裝配式智能施工技術發展，提供了方法思路與參數參考。

表1 不同實測偏差下的累計合格率

3.結論

為了促進建筑行業向高質量方向發展，我國相繼出臺了各種政策。鑒于傳統建筑行業由于污染大、勞動效率低下等問題，研究提出將裝配式施工與智能建造技術相結合，改善行業生態。研究結果表明，在規范允許的偏差范圍內，智能施工技術的施工合格率能夠達到94.07%，當允許偏差選取8，10mm 時，對應合格率分別能夠達到80%與90%。以傳統施工行業標準，與國標（GB50204-2002）的混凝土建筑合格率90%相比，此次研究結果滿足驗收標準。裝配式智能施工技術大幅提升了施工的質量，縮短了施工步驟。由于客觀原因的影響，研究未對其他裝配流程進行精準分析，因此未能全面反映智能建造技術的優越性，這可以作為未來的研究方向。