高精度预制混凝土生产新技术的研究与应用.pdf

第 3 3卷第 9期 Vo1 3 3 No 9 建筑施1 - B U I L D I N G C O NS T R U C T I O N 高 精 度 预 制混 凝 土 生产 新 技 术 的研 究 与应 用 Re s e a r c h a nd Appl i c a t i o n o f Ne w Te c hno l o g y f o r Hi g hl y Ac c ur a t e a nd Pr e f a b r i c a t e d Co nc r e t e Pr o duc t i o n 口朱敏涛1 ,2 ( 1 、 同济大学 上 海2 0 0 0 9 2 ； 2 、 上海市建筑构件制 品有 限公 司 2 0 0 0 9 0 ) 【 摘 要】 结合我国建筑工业化的发展趋势，介绍和分析 了近年来我国预制混凝土技术发展情况和预制混凝土构件产品的高 精度、结构功能一体化、混凝土高性能化等方面的技术特点，以及在预制混凝土构件自动化、标准化、模数化、通用化生产方 面的进展 情况。 【 关键词】建筑工业化 预制混凝土 高精度 住宅产业化 【 中图分类号】 T U 7 5 5 1 ， 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 1 ) 0 9 0 8 2 3 0 3 改革开放以来， 特别是 2 O 世纪 9 0 年代以来， 随着我国 城市化建设的迅猛发展， 带来了住宅建设和基础设施的大发 展， 使建筑业在国民经济中的支柱地位日益凸显。建筑工业 化作为当前世界建筑技术的八大发展趋势之一 1 ， 它的技术 发展和进步是衡量一个国家或地区建筑业发展水平的重要 标志之一。 采用预制混凝土技术是实现建筑工业化的重要途 径之一， 使用预制混凝土结构具有诸多优点 ： 施工速度快、 建 造质量高、 可持续发展以及健康安全。预制混凝土技术在基 础设施和住宅产业化的发展，目前达到了一个全新的高度 ， 与传统的预制混凝土技术相比，新技术具有产品精度高、 体 量大 2 、 生产 自动化程度高、 混凝土高性能化的特点。下面就 我国近年来在预制混凝土技术研究与应用方面所做 的工作 作一个介绍。 1 国外预制混凝土技术发展情况 近 1 8 9 1 年 ， 巴黎 E d C o i g e n t 公 司首次在 B i a r r i t z的俱 乐部建筑 中使用了预制混凝土梁。二战结束后， 预制混凝土 结构首先在西欧发展起来， 然后推广到美国、 加拿大、 日本等 国。2 0世纪末期， 预制混凝土结构已经广泛用于工业与民用 建筑 、 桥梁道路、 水工建筑、 大型容器等， 在工程结构领域发 挥着不可替代的作用。 发达国家预制混凝士结构在土木工程 中的应用比重为： 美国 3 5 、 俄罗斯 5 0 、 欧洲为 3 5 4 0 ， 其 中， 预制预应力混凝土结构在美国和加拿大等国预应力混凝 土用量中占8 O 鬈 以上3 。 目前， 美国和欧洲的住宅产业化程度 【 作者简介】 朱敏涛( 1 9 7 5 - ) ， 男， 在读研究生， 高级工程师。联系 地址 ： 上 海市黎 平路 2号( 2 0 0 0 9 0 ) 。 【 收稿日期】 2 0 1 1 - 0 8 0 4 平均超过 5 0 ， 日本的住宅产业化程度高达 7 0 以上皿。在住 宅产业化的推动下， 美国、 德国、 法国、 澳大利亚、 日本等国的 预制混凝土技术越来越成熟， 这些国家均已完成了符合各国 建筑风格的通用部件目录， 完善了模数标准体系 。 2 我国预制技术发展情况 2 1 预制构件应用领域 ( 1 )住宅产业化领域 尽管我国在这方面的建筑工业化水平与先进国家相比 起步较晚 ， 但得到了国家和地方政府的大力支持 ， 特别是在 “ 十一五” 期间出台的相关政策， 鼓励住宅产业化和建筑工业 化的发展， 大大推进了预制混凝土技术的发展 ， 国家的“ 十二 五”规划中也明确了建筑工业化是国家发展的重要方向之 一 。另外 ， 一些大型建筑和房产企业 ， 包括上海建工、 万科和 瑞安等知名企业， 也投入巨资， 整合行业内科研、 设计、 预制 构件制造和施工力量 ， 开展 了相关的科研和建设 ， 使新的预 制结构体系技术逐步成熟，包括各类型的预制框架结构体 系叫( 如万科上海新里程 2 O 和 2 1 楼 ) 、 预制剪力墙结构体 系、 叠合式预制剪力墙体系( 如万科上海宝山四季花城 ) 、 新 型节能保温型预制围护体系( 如上海建工康六地块节能围护 示范楼 ) 等等。 随着这些预制建筑技术的发展， 新的预制产品 开始逐步推出， 如 ： 叠合式预制剪力墙和预制楼板， 带保温、 外装饰的预制住宅外墙板( 图 1 ) 。 ( 2 )大型基础设施和公共建筑领域 预制混凝土构件在城市轨道交通、 高架桥、 城际客运专 线大型基础设施和公共建筑的应用， 在我国近几年的发展也 第 9期 朱敏涛 ： 高精度预 制混凝 土生产新技 术的研 究与应 用 十分迅速。如高架节段梁( 图 2 ) 、 磁悬浮轨道梁圆( 图 3 ) 、 高 铁轨道板 ( 图 4 ) ， 轨道交通地铁管片( 图 5 ) 和 U形梁( 图 6) 等等 ， 这些产 品 的技 术已具有 了相 当的国际水 平 ， 有 的甚至 达到 了国际领先 的水平 。 图 5轨道 交通地铁 管片 图 6轨道 交通 u 形梁 2 2 预制技术呈现的主要技术特点 就 目前预制技术发展情况而言， 其产品呈现的主要技术 特点有： 高精度、 结构功能装饰一体化、 混凝土高性能化、 构 件节段化或大型化以及先张法预应力技术应用面的不断扩 展等等。现简要介绍如下： ( 1 )产品尺寸高精度 由于目前预制混凝土构件在各类轨道交通 、城市高架 和整体装配式建筑等领域的不断拓展 ， 其在现场装配和功能 组件的定位的精度要求都非常高 ， 因此对产品的制造精度就 提 出 了相 当高的要求。 ( 2 )结构功能装饰一体化 随着预制技术的发展和其应用领域， 预制混凝土构件已 非单纯的结构构件， 往往设计成结构、 功能、 安装和装饰一体 化的形式。 例如上海建工构件公司开发的磁悬浮轨道梁主体 结构在生产时就集成了关键部件连接件， 装配整体式住宅采 用的外墙板集成了保温和装饰功能， 为世博生态家园开发的 多功能一体化预制阳台集成 了绿化组件、 装饰组件、 光伏组 件和 光热组件嘲 。 ( 3 )混凝土高性能化 高性能混凝土技术应用于预拌混凝土和预制混凝土中， 8 2 4 所具有的技术共同点为 ： 混凝土的工作性、 设计要求的最终 产品的力学性能、 耐久性能等等 ； 也有不同点： 如预制混凝土 往往基 于高效 生产的要 求 ， 对 早期强度 的要求 比较高 ， 往往 需要选用早强型的矿物和化学外加剂和采用蒸汽养护等工 艺 ， 选 用这些材料和工艺需 同时考虑混凝 土的力学 性能和耐 久性能。 ( 4)先张法预应力技术应用的发展 在预应 力预 制混凝土构件 的预应 力施 工方面 ，主要存 在先张法和后张法两种 工艺。 由于后张 法工艺对预制场地和 设备的要求较低， 该工艺在我国市政工程和基础设施建设领 域应用面 ， 要远 高于先张法工艺。但是后张法 工艺需经过孔 道压浆、 封锚等工序， 由于这些工序可能产生的材料质量问 题和工序完成质量问题， 例如材料因素( 压浆混凝土泌水问 题、塑料波纹管强度问题、波纹管热胀系数与混凝土不一 致 ) 、 施 工因素( 锚 固区封锚 不足、 压浆混凝 土不 密实 、 排 水和 防水设施的施工不力 ) 等 ， 都将严重影响预制预应力混凝 土构件的耐久性 ； 而先张法预应力构件的生产工艺可大大减 少上述弊端的发生。因此， 基于预制构件的全寿命期结构性 能考虑， 先张法预应力技术的应用越来越受到政府相关部门 和 混 凝 土行 业 重视 ，构 件 公 司为 此开 发 了最 大张 拉 力达 2 0 H N的先张法预应力构件生产台座和相关设施。 3 预制构件生产关键技术特点 3 1 模具、 钢筋笼和预埋件定位高精度 由于高精度是现代预制混凝土技术的主要特点之一 ， 为确保预制产品的高精度 ， 开发更高精度预制混凝土模具是 关键技术之一。 高精度预制混凝土构件的钢模除了具备足够 的强度、 刚度和稳定性外， 为保证产品的外形和尺寸精度 ， 一 般要求钢模的制造公差不得大于产品尺寸偏差的 1 2 ，因此 高精度构件模具的制造公差基本上在 1 m m以内。为解决上 述难题 ， 构件公司正在开发计算机虚拟模具制造技术， 以应 对高精度复杂预制构件的生产 ； 针对高精度构件对钢筋定位 精度的高要求， 高精度钢筋笼胎架( 图 7 ) 应运而生； 另外 由于 施工现场安装精度的提升以及结构功能一体化构件甘 勺 不断 推出， 各类预埋件的精确定位技术， 包括绝对定位法和相对 定位法得以发展 ； 各类高精度测量仪器( 如全站仪 ) ， 在预制 构件和预埋件 的测量和定位 中得到应用。 3 - 2 生产 自动化 、 智能化 随着我国工业化现代化的不断进步， 预制混凝土生产技 术正不断融入现代先进制造技术、 预制构件生产中， 自动化 生产、 在线监控等智能化技术不断发展 ， 在实际生产中得以 成功应用。以下举例介绍 ： ( 1) 流水线 自动化生产线 钢筋混凝土管片是高精度的混凝土预制构件 ， 是15 1 前全 国大规模建设城市轨道交通隧道结构的主体 ， 需承受外界土 层压力、 地下水压力以及隧道内的各种动荷载冲击， 其质量 朱敏涛 ： 高精度预制混凝土生产新技术的研究与应用 第 9期 直接关系隧道整体使用安全。在管片生产技术方面， 管片生 产工艺是保证管片质量的主要方面之一， 其预制技术的日趋 成熟使管片向着标准化、 自动化、 规模化的方向发展 ， 使管片 的质量和产量更能适应我国地铁和隧道建设。 图 8为环保节 能管片 自动化生产线工艺示意。 一 图7 u 形粱钢筋笼胎 架 图 8 粱管片 自动化 生产 ( 2) 关键生产工序 自动化 蒸汽养护自动化 高精度预制混凝土构件往往对混凝土的各龄期的力学 性能、 收缩徐变等耐久性的要求比较高。在高精度预制混凝 土构件生产过程中，当混凝土配合比和蒸汽养护工艺确定 后， 蒸汽养护工序对的混凝土力学性能和耐久性能的影响是 相当大的， 有必要采用自动化蒸汽养护技术， 按照既定的养 护工艺对高精度预制混凝土构件进行精确养护。因此， 自动 化养护工艺在地铁管片、 高铁轨道板等高精度预制构件中的 应用越来越广泛 。 预应力张拉监控 自动化 预应力张拉工艺是预应力混凝土构件生产过程的最关 键技术， 预应力张拉是否按设计要求进行， 将影响预制构件 的整体结构性能， 甚至可能导致构件失效报废。预应力张拉 工艺技术经历 了三代： 目前被主要应用的第一代传统张拉工 艺中， 应力和应变的监视以及控制都由人工操作 ， 存在着张 拉质量受人为影响因素多、 张拉数据可靠性和张拉质量低缺 点 ： 现在正在推广应用的第二代张拉系统 ， 其应力和应变的 监视由计算机 自动监控 ， 但需要操作人员根据监控数据和定 好的张拉要求进行控制； 构件公司参与开发成功的第三代自 动化张拉系统 ， 具备张拉应力和应变自动监测和 自动控制张 拉的功能， 将大大提高预应力张拉质量和确保张拉数据的可 追溯性。 3 3 标准化 、 模数化和通用化生产 系统 的开发 我国在上个世纪 7 O 年代开始，在计划经济模式的背景 下， 从前苏联和其它欧国家引进了各类预制建筑的结构和生 产系统， 例如大型屋架、 屋面板等等形成标准化、 模数化系列 产品， 也编制了大量图集， 开发了集约化生产系统， 并得到推 广和应用。 本次发展历程， 从产业链角度来说 ， 有以下几个特 点： ( 1 ) 基础研究深入不够； ( 2 ) 设计、 生产和施工企业分离： ( 3)生产和施工企业缺乏相应的设计及深化设计的能力， 设 计单位如果不设计预制结构 ， 预制生产单位因缺乏设计能力 就无法适应市场变化。 因此， 随着上世纪 8 0 年代末开始的预 拌混凝土的大发展 ， 预制混凝土结构体系在工业和民用建筑 中的发展快速下降。 直至本世纪初， 随着万科、 瑞安等房产开 发商和上海建工、 南京大地等特大型施工企业及预制构件生 产企业的大力推动， 使预制技术的重要性再次得到政府高度 重视， 并提出相关政策扶持改行业的发展。本次发展特点与 上次相比， 有以下特点： ( 1 ) 引进与吸收并重 ， 并注重基础研 究； ( 2 ) 科研、 设计、 生产和施工联动， 共同推进预制结构体系 的发展； ( 3 ) 预制构件生产企业注重 自身设计能力的发展 ， 不 断提升市场竞争力。目前， 有两类预制结构生产系统得到了 快速发展。第一种为通用化生产系统。以由构件公司开发的 P C生产系统为例 ，该类系统参考了日本和香港预制构件生 产的技术， 如预制构件的模具由标准化、 通用化的固定底模 和可随设计产品变化的侧模组成。其特点为： 与目前我国的 预制建筑市场适应性强， 可生产各类标准化和非标准化预制 构件 ， 底模和部分侧模可重复利用， 蒸汽养护在原固定模位 进行， 总体效率较低。 第二种为标准化结构生产系统， 主要从 欧美国家引进吸收。 例如江苏南京大地集团引进的法国世构 框架结构系统和安徽合肥引进的德国固得美标准化预制剪 力墙结构和生产系统， 这些系统的特点为标准化、 自动化程 度高， 但由于模具的限制， 构件产品的市场适应面相对较窄。 4 结语 综上所述 ， 随着我国预制技术的发展 ， 预制产品呈现高 精度， 结构功能、 装饰功能一体化， 混凝土高性能化等技术特 点； 从设计和生产技术来看， 则呈现标准化、 模数化和自动化 高效生产的发展趋势。 同时， 笔者认为， 国内预制技术在基础设施应用领域 ， 已具备了国际水平 ； 而在住宅产业化领域， 虽然近年来技术 水平有较大的提升 ， 但是在如何结合我国国情 ， 并参考国外 技术和经验， 设计出适宜采用标准化、 模数化预制构件的住 宅产品和相应的工厂化预制构件高效生产技术， 从而降低生 产施工综合成本， 是住宅产业化的重要发展方向。 参考文献 1 】 薛伟辰 预制混凝土框架住宅体系研究进展 J 住宅产业，2 0 1 0 ( 9 ) ： 3 3 3 5 【 2 】2钟伟荣， 朱敏涛 高精度预制混凝土技 术在我 国的应用与研究 _ 建筑施工， 2 0 0 6 ( 8 ) 3 孙全林， 王 晖 预制 混凝土结 构 的应 用 与研究进 展 】 山 西建筑， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 8 9 - 9 0 4 】 孙继成 C R T S I 型预应力无砟轨道板高精度制造技术 】 铁道勘 察 2 0 1 1 ( 2 ) ； 4 0 4 2 【 5 】5马建荣 ， 朱敏涛， 等 世博沪上生态家预制多功能阳台板应用研究 【 】 建筑施工， 2 o l o ( 8 ) 6 1国内外后 张法预应力 混凝 土桥 梁耐 久性研 究田 工业建筑， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 1 0 5 1 1 0 7 】 李敏霞， 许宏伟 ， 焦永刚 新建铁路无砟轨道板养护温度测控研 究 】 铁道建筑， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 1 0 9 - 1 1 1