混凝土预制构件关键技术研究及成套装备开发

于明 任霞 刘兴刚 李纯铸

摘 要：混凝土预制（PC）构件工厂化生产是现代建筑产业发展的需要，国内目前尚无具有自主知识产权的混凝土预制构件关键技术及成套装备，北方重工集团有限公司在PC构件生产线工艺、关键技术及典型设备等领域进行了自主研发，在原料制备、智能布料、多功能机械手、钢筋网自动化成型、分体式养护窑及生产线智能化控制等方面取得了显著成果，并对生产线全部设备进行设计及制造，从而实现了工业混凝土预制构件成套装备开发、制造的国产化和产业化。

关键词：预制装配建筑技术  PC构件  PC生产线  钢筋成型系统

中图分类号：TU647            文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（c）-0067-02

21世纪以来，预制装配建筑技术成为国际建筑工业化的潮流，结合国外住宅产业化成功经验，我国建筑行业掀起了“建筑工业化”浪潮，混凝土预制（PC）构件的发展进入了一个崭新的时代[1]。PC制造的工厂化、高度自动化，是预制装配建筑技术的核心内容，目前我国PC构件生产设备主要依赖于进口[2]，这成为我国预制装配建筑产业发展的瓶颈问题。

1 混凝土预制构件技术及成套装备发展状况

目前，欧美国家无论是PC工艺技术还是生产装备方面均非常成熟，整个过程实现了智能化控制、工厂化生产。代表性企业有Vollert、EBAWE、Elematic等公司。而国内大多数PC构件制造还是以人工加机械混合生产模式为主，难以实现自动化，究其原因在于PC工厂成套设备的自动化、智能化水平偏低。代表性厂家有上海庄臣机械、河北新大地等公司。

2 北方重工集团混凝土预制构件技术

北方重工集团于2013年全面进入现代建筑产业化成套设备制造领域，研发了具有自主知识产权的年产100万m2及以上规模的PC构件自动化生产线及成套装备，替代进口，填补国内空白，解决了制约我国现代建筑产业发展的技术“瓶颈”，使我国工业化混凝土预制构件装备技术达到世界先进水平。

2.1 PC构件工艺技术研究

根据PC工厂制品的年产量配比需要，托盘轮转系统的循环状态，自动化控制水平的高低，我们开发出3种满足不同用户需求的PC构件生产线，即：全自动化生产线、半自动化生产线、国内标准化生产线。

2.2 PC构件关键技术研究

2.2.1 高效配料及智能混凝土构件制备关键技术

混凝土原料配比优化技术：混凝土原料配比是解决混凝土耐久性问题的主要途径。研究水泥、砂石、掺和料及外加剂的用量，找出原料配比中影响混凝土质量的主要原料，确定其用量与混凝土质量的对应关系，建立原料配比与混凝土等级对应关系数据库。

智能布料技术：在布料机上设置若干个小的布料口，每个布料口包含一个螺旋输送机，输送机的工作速度由软件控制。对于PC构件来说，有些构件形状不唯一，如构件中有门和窗的区域，在这些区域中，布料口就需要关闭。对于小尺寸的构件，在构件尺寸外的区域需要关闭布料口。因此，分布式控制各个小布料口启闭及布料速度，使布料机适应不同尺寸和厚度的构件十分重要。

高效密实技术：混凝土密实实际上是在振动台上对边模中浇注好的混凝土进行振动，以消除其中的气泡，增强构件的强度，同时又要求不让粗骨料下沉，造成骨料分布不均匀，影响构件的整体性能。对于双面浇注的构件，不能因为振动破坏了养护好一侧的结构。因此，选择最优的振动频率和振幅，既关系到混凝土密实的效率和骨料的均匀性，也关系到双面浇注预制构件强度的均匀性，最终关系到PC构件的整体性能。

2.2.2 多功能机械手集成关键技术

机械手纵向在大梁上运行，横向在横梁上运行。通常划线机械手和置模机械手合二为一，这就需要在结构设计上对机械手进行集成，使机械手具有多种功能。机械手需要将输入的PC构件尺寸转化为在托盘上的划线动作，画出构件轮廓尺寸。划线完毕后，机械手需要将边模从输送装置上取下，准确快速地放置在画好的构件轮廓尺寸线上，在边模对接处，机械手需要将两块边模按照尺寸对齐，对齐缝隙满足工艺要求，置模速度和精准度对其工作效率有很大的影响。

2.2.3 混凝土预制构件钢筋网全自动生产线关键技术

钢筋网全自动生产线结构设计与工艺规划：结合PC构件生产流程需要，研究钢筋网全自动生产线工艺，制定生产线框图，根据各工艺特点与时效，进行工艺路线优化。开发出钢筋网全自动生产线虚拟样机平台，进行全自动化生产线结构设计与模拟制造。研究全自动生产线的多通道协调控制技术，进行系统可靠性研究，开发出生产保护系统及在线监控与管理系统。

自动焊接技术：研究钢筋网电渣压力焊工艺技术及自动焊接交直流电源系统，进行不同类型、不同尺寸钢筋网焊接头专用夹具的模块化设计与分析;开发出电渣压力焊在线质量检测与管理技术;电渣压力焊进料速度、焊接频率工艺参数优化与工艺数據库;电渣压力焊焊接设备故障诊断与数据采集技术;开发出钢筋网电渣压力焊系统全自动控制与管理系统。

2.2.4 混凝土预制构件工艺多智能体控制关键技术

多智能体控制系统是整个自动化生产线的神经中枢，具有中央控制、视频监控、警示、节拍控制等功能，对整个PC工厂的生产进行协调控制。中控系统通过向各个独立控制系统发送指令，掌握、监控各个系统设备的工作状态，对存在隐患和发生故障的设备及时报警，自动故障诊断，进行故障处理，保障生产线的正常运行。构建基于多智能体的PC构件控制系统结构模型，实现配料搅拌控制、混凝土浇注密实控制、PC构件养护脱模控制、钢筋加工结网控制和划线置模控制。

2.2.5 混凝土预制构件分布式养护关键技术

养护室设计成分体式蒸养格栅，对不同尺寸PC构件实行单独蒸养，养护室中的不同位置，不同时间段，有不同的温度和湿度环境，为了获得最优预制构件质量和养护效率，确定了PC构件在养护室中的最优参数，即养护时间、养护温度、湿度、构件强度之间的最优关系，通过传感器监控每个养护格栅的情况，提高设备自动化程度，缩短系统反应周期，建立动态调节模式，保证预制件的蒸养效果和效率，减少养护室开合时的热量损失，降低生产线能耗。

3 北方重工集团PC构件成套装备开发

3.1 预制构件生产线典型装备

3.1.1 混凝土运料系统

混凝土运料系统以运输车为主体，做往复式运动，用于原料制备车间与PC构件生产车间的混凝土自动化输送，具有速度快、可靠性高、成本低等优点。运输车具备起重、输送、空中贮存组织生产和坡度运输的功能，可实现变频调速、故障报警与诊断、自动认址、生产计划下达等辅助功能。

3.1.2 混凝土布料机

混凝土布料机把混凝土均匀地浇注到底模托盘上。可在水平方向前后、左右移动。布料机由计量螺旋输送装置，称重装置，多个可自由控制阀门等组成，为全自动或半自动。为方便清洗，料斗底部可打开。可预先设置代码，混凝土排放阀门的开关可通过代码来编程，操作工人通过代码可以打开或关闭不同的排放阀门。

3.1.3 组合振捣设备

组合振捣设备用于对新浇注的PC构件在水平方向和垂直方向同时进行振动密实。高频振动器频率由频率调节器来调整，用于压实混凝土，消除内部气泡，确保混凝土良好的颗粒分布。振捣设备可以产生X、Y、Z3个方向振动，激振力大，振捣部分与基体分离，参振质量小，振捣效果更加，确保产品质量，可节省水泥10%，年节约材料成本200万。

3.1.4 堆垛机

堆垛机将底模托盘及预制构件从生产线移送到养护室，或将养护好的预制板同底模托盘从养护室移出，重新放入生产线。提升装置缓慢地把起重梁架提起，精确地放置在养护室的格架层面上。养护室格架前的定位是通过机械调整的。整个过程由主机控制系统来控制，操作台上的屏幕可以看到底模托盘在堆垛机及养护室格架上的位置，整个过程实现了全自动化控制，激光测距，X、Y坐标准确定位。

3.2 钢筋成型成套装备

3.2.1 钢筋网全自动加工生产线及置放系统

钢筋网全自动加工生产线可以生产各不同长度、宽度和形状的预制构件用焊网;具有产量大、精度高、改型方便、操作故障率低、质量高等优点，设备可对热轧钢筋、冷轧钢筋等进行高质量的交叉焊接。生产线主要包括横纵筋供料装置、矫直切割设备、钢筋传输及喂料系统、自动焊接设备、网片拉拽输送设备、倾翻设备以及折弯运输设备等。

3.2.2 钢筋桁架全自动生产线及置放系统

钢筋桁架全自动生产线可以替代传统人工焊接的方法生产出高质量的钢筋桁架。生产线主要包括：钢筋放线架、矫直机、拱架机、桁架焊接机、剪切机及桁架自动收集机构。为了满足生产工艺的要求，还配置有全自动桁架存储、对焊、切割及放置设备，主要包括：平板式格构梁储存设备、自动侧位喂料机、对焊机、切割剪、桁架输出系统、桁架放置机械手。整个操作流程由计算机全自动控制完成，极大的提高了生产效率和操作的稳定性。

4 结语

用工业化生产的方式来建造住宅，是建筑业转型升级的必然趋势。混凝土预制构件关键技术及成套装备作为建筑工业化的基础环节，其研究和开发将为实现我国建筑设计标准化和构件制造工厂化提供专业的技术及设备保障。

参考文献

[1] 钟志强.浅谈住宅产业化与建筑工业化[J].住宅产业，2011（3）：49-50.

[2] 李鵬.预制构件外墙模的工厂化生产技术[J].建筑施工，2014，36（1）：67-68.