装配式建筑预制构件生产实训课程建设与实践探索_刘静.pdf

-100-教育改革与发展创新创业理论研究与实践 2023 年 3 月第 6 期装配式建筑预制构件生产实训课程建设与实践探索刘静1，阎长虹1，2（1.南京大学金陵学院，江苏南京 210089；2.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京 210046）摘要：建筑工业化是装配式建筑产业现代化的核心，预制构件工业化生产是关键。目前，预制构件大部分属于大型构件，模具复杂、体大量重，现场技术教学难度较大。克服诸多困难，实现实训教学，是装配式建筑人才培养的难点之一。该文以南京大学金陵学院土木工程专业设置的预制构件生产与运输课程教学为例，探索预制构件实训教学实践，针对实训教学中遇到的难题，提出解决方案，分析教学效果，并对该课程实训教学方法进行了总结归纳，为同类院校该方向的教学工作提供参考。关键词：装配式建筑；预制构件；模具制作；缩比模型；实训教学；课程建设中图分类号：G642.477 文献标识码：A 文章编号：2096-5206（2023）03（b）-0100-04Curriculum Construction and Practical Exploration of Prefabricated Buildings Components Production Training CourseLIU Jing 1,YAN Changhong 1,2(1.Jinling College,Nanjing University,Nanjing Jiangsu,210089,China;2.College of Eath Science and Engineering Nanjing,University,Nanjing Jiangsu,210046,China)Abstract:The industrialization of building is the core of the modernization of prefabricated building industry,and the industrialized production of prefabricated components is the key.At present,most of the prefabricated components are large,and the prefabricated component mold is complex and heavy,so the on-site teaching is difficult.How to overcome many difficulties and realize practical teaching is one of the difficulties in assembling construction talents training.This article takes the curriculum teaching of prefabricated components production and transportation in Nanjing University Jinling College as an example,exploring the training teaching method of precast component producing,in view of the problems encountered in teaching process,put forward the solution and analysis of the teaching effect,and the course teaching methods are summarized,provide a reference for similar colleges and universities of the direction of teaching.Key words:Prefabricated architecture;Prefabricated components;Mold making;Scale model;Practical teaching;Curriculum construction基金项目：2020 年南京大学金陵学院“金课”建设教学改革重点项目“预制构件生产与运输”（项目编号：0010522003）；2021 年南京大学金陵学院教学改革重点项目“装配式建筑结构设计教学改革与研究”（项目编号：0010522113）。作者简介：刘静（1986-），女，江苏徐州人，硕士，讲师，研究方向：工程材料。的需求，在理论知识教学的同时，必须同步进行基本技能的培养，而仅依靠课堂教学，无法达到理想效果，必须进行实验实训操作教学，才能让学生充分理解概念，掌握生产要点，从而具备提出创新解决思路的能力。目前，在装配式建筑实训教学方面存在诸多问题，如：（1）应用实践超前于理论知识3，缺乏有经验的实训4及实习教师，学校教学内容很难指导生产实践；（2）高校的实训教学资源匮乏，实训教学项目难以开展，通常情况下，学校无法像金工实习一样组织大批学生进驻工厂现场观摩或实际动手操作，一方面是现场安全问题，另一方面是国内目前在该领域的发展还处于初期阶段；（3）在实训教学遇到困难时，很多高校往装配式建筑预制构件的工业化生产是建筑产业现代化的核心内容，但是目前该行业发展面临诸多问题，最为突出的问题是，预制构件厂不断兴建，但专业技术人才匮乏，人才培养的速度无法满足行业发展的需求 1，2。预制构件生产的专业人才既是创新型人才，又是技能型人才。为了满足行业对人才-101-教育改革与发展创新创业理论研究与实践 2023 年 3 月第 6 期往通过虚拟仿真替代实训，学生难以了解生产中遇到的问题，很难全面掌握生产中解决相关问题的方法和技术。为了解决以上问题，为学生提供完善的教学方案，南京大学金陵学院土木工程专业教研室以预制构件生产与运输课程为依托，积极探索预制构件生产的实训教学方法，最终通过应用 PBL 项目式教学，以预制梁、预制柱、叠合板、剪力墙、保温外墙板等构件制作为目标，制作缩比模型构件。既避开了大型预制构件制作过程实操的难题，又为学生提供了实际动手参与预制构件生产全过程的操作平台，而且可以将行业发展的最新技术及时加入实操项目中，能够充分保证实训教学的先进性。这样也避免了单纯计算机仿真学习的单一，在实际操作的基础上再进行仿真练习，同时通过实际操作进行验证，可以不断实现理论创新和实践创新。在实训课程中，教师会不断将现场施工中遇到的难题难点融入实训教学课程中，并让学生通过实训课程研究解决方案，极大地激发了学生的学习兴趣；学生在项目设计及制作过程中主动思考，寻找解决方法，提高实操技能，同时在问题分析及解决的过程中，也培养了相互协作的能力。通过此过程培养5的人才，是符合用人单位实际工作需求的高素质技能型人才。1实训教学的课程目标1.1 知识目标以装配式建筑预制构件（预制柱、预制梁、预制保温外墙板、叠合板、剪力墙等）为生产目标，要求学生：（1）具备预制构件的设计能力。通过理论知识的学习，掌握预制构件设计的基本理论，掌握预制构件设计相关参数的计算方法，会设计预制构件模型，并绘制模型图纸，实现按图生产。（2）具备预制构件模具设计能力。在预制构件设计的基础上，进行生产过程设计，尤其是预制构件生产模具的设计，保障构件的生产制作。（3）熟练掌握预制构件生产工艺流程及技术知识要点。学习并掌握预制构件生产的工艺及方法，编制构件生产的作业指导书，在此基础上编写生产所需物料清单，为实际生产做足准备。1.2 技能目标通过实践教学锻炼学生的设计、实操与管理的综合应用能力6，提高学生的专业技能，使其具备分析问题和解决问题的能力。要求其做到：（1）设计预制构件模型，并制作图纸；（2）选择模具材料，根据构件要求设计并制作模具；（3）根据构件设计图纸，绑扎钢筋、安放预埋件（如灌浆套筒）等，并将钢筋入模；（4）根据预制构件强度要求配制混凝土，并入模浇筑、振捣、抹平；（5）自然养护 24h 后拆模；（6）预制构件后处理（如裂缝修补等）；（7）搬运存放。以上工艺环节均会涉及专业技能的学习，只有充分掌握这些技能和方法，才能完成合格的作品。1.3 素质目标结合高校课程思政的建设目标和要求，授课过程中强调学生的工程岗位职责，要求学生熟悉并严格执行国家及行业规范，具有理论联系实际、实事求是的工作作风和科学严谨的工作态度。2 实训项目的基本操作过程预制构件模型的制作工艺环节包括：构件设计-模具设计制作-预埋件设计、制作及安装-混凝土拌制-混凝土浇筑及养护-拆模及后处理7-9。通过这些环节的实际操作实践，可以让学生高效掌握预制构件生产过程中基本的工艺流程及要点。2.1 设计预制构件模型图纸学生根据目标构件需求，结合理论授课知识，并查阅相关资料，自行设计构件的平面设计图、配筋图及大样图等草图。预制构件尺寸大、质量重，一般机械设备难以搬运和安装施工，必须借助大型起重机及吊运设备。实验室生产难以提供相关的仪器设备，故在预制构件设计时，按比例缩小构件实际尺寸，制作预制构件的缩比模型。学生在设计时，综合考虑所选材料的尺寸大小、构件的配筋率、钢筋及预埋件的疏密等，采用了 1:41:10的不同缩小比例。2.2 设计并制作模具模具是生产并影响预制构件质量的关键，不同模具材料会最终影响预制构件的成形精度2，10，11。在实训课程中，采用木材作为模具材料，木材方便裁剪、制作及组装；模具设计时应注意构件生产浇筑方式（立模浇筑或水平浇筑），合理设计模具组模顺序。模具制作时：（1）木制模板厚度选取 5mm、10mm、14mm 等；（2）组模方式：钉、胶、角铁螺栓固定等（见图 1）；（3）预留孔洞制作方法：电钻钻孔。木板材质薄、立模浇筑，都会因模具刚度不够导致浇筑混凝土后胀模现象严重。理论课程并不能使学生充分理解并感受胀模影响的严重性，通过实训实操，学-102-教育改革与发展创新创业理论研究与实践 2023 年 3 月第 6 期生能够充分认识到保证模具刚度、强度的重要性，能够创造性地掌握并应用模具设计的理论知识，与课堂教学形成互补。组膜时多种固定方式灵活使用，解决模具固定不稳定、拆模不便及影响构件质量等问题。2.3 制作简易灌浆套筒预制构件的连接技术是装配式结构中十分关键、核心的技术，其中，钢筋套筒灌浆和浆锚灌浆连接是现行技术中形成各种装配整体式混凝土结构的重要基础12。依照规范 JG/T 408-2013 钢筋连接用套筒灌浆料 规定，通常采用铸造工艺或机械加工工艺制造，通过水泥基灌浆料的传力作用将钢筋对接连接所用的金属套筒，简称“灌浆套筒”。但是，在预制构件模型制作过程中，为了保证轻量化，同时便于制作，实训采用不同直径的 PVC 管自行设计制作。PVC 具备容易加工的优点，比较适合模型制作，比如在直径较大的 PVC 管上钻孔，然后用 502胶粘连进、出浆口的管道。学生在制作时，会注意入浆口在下、出浆口在上，以保证灌浆时灌浆料能够充分填充整个套筒。2.4 浇筑与养护环境方式2.4.1采用多种振捣方式保证混凝土密实性预制构件钢筋布置较现浇混凝土密集，同时预埋件多，给混凝土浇筑振捣带来了一定的困难。如何保证混凝土密实成型，也是预制构件生产过程中必须解决的关键问题之一。本实训课程专门购置了小型手提式混凝土震动棒，直径 25mm。实训课程制作的是预制构件的缩比模型，实际振捣时发现，小型震动棒适用于大比例（1:4）水平浇筑的板式构件；而对于竖向浇筑的大比例（1:4）预制柱、水平浇筑的小比例（1:10）板式构件等，因钢筋、模具及预埋件间距离会更加密集，需要超细震动棒，故采用捣棒及更细的钢筋进行人工振捣。混凝土采用分层浇筑振捣密实方式制作。但浇筑混凝土时，学生实操仍发现：（1）预留孔洞（如灌浆套筒等）易被混凝土堵塞，必须用材料堵孔以防预埋孔洞被堵塞。（2）钢筋密集，不易振捣，尤其是立模浇筑时，底部振捣不充分，出现空洞、露筋等现象。（3）胀模等。这些均是理论课程讲解时强调的生产中易出现的问题，学生通过实训操作发现问题，并分析提出解决方案，可以充分锻炼学生创造性解决问题的能力。2.4.2手工制作钢筋笼钢筋笼制作，是预制构件的生产过程中的另一关键工序。实训中制作的是构件的缩比模型，故钢筋直径也应减小，主要采用了直径为 3mm 和 5mm 的钢条及直径为 6mm 的带肋钢筋。为了方便钢筋弯折，学生查阅资料，设计并订购钢筋弯折工具，同时配合钢钳等工具对钢筋进行裁剪、弯折。2.4.3自然养护代替蒸汽养护实验室缺乏蒸汽养护系统，故采用自然养护方式代替蒸汽养护。蒸汽养护要控制温度升、降速率及温度最大值，防止因温度应力过大导致预制混凝土构件开裂；在高温季节，预制构建厂同样采用自然养护替代蒸汽养护，故通过自然养护替代蒸汽养护是可行的。2.5 拆模组膜时，木制模具直接采用铁钉固定方式时，拆模较为困难，需要直接破坏模具；采用螺丝栓接时，拆模较为容易。但是木制模具拆模后均遭到不同程度的影响和破坏，不能二次使用。生产中的每个环节都会影响混凝土构件的质量，所以在构件拆模后，可能会出现诸多问题，如：（1）拆模后，需要将构件搬运至养护及存放场所，因木制模具刚度低，搬运过程中易产生弯、拉应力，导致混凝土开裂；（2）模具刚度低，浇筑混凝土后，胀模现象严重，导致构件尺寸不精准；（3）振捣不密实，出现空洞、露筋、蜂窝等不良质量现象；（4）表面裂缝等。针对上述问题，学生需要根据规范检验其是否合格，并思考问题产生的原因，寻找解决和控制方法。2.6 后处理预制构件的质量控制是非常重要的，尤其是首件验收、隐蔽检查、出厂检查等环节13。在实训过程中，经过质检合格、表面有微裂缝及孔洞等问题的构件需要进行表面修复处理。实训中采用水泥浆代替修补料，对构件表面质量问题进行修补。3 实训结合理论教学的特色和亮点3.1 教学方法更立体该课程内容属前沿新技术，按传统授课方式，课程图 1 角铁、螺丝固定模具-103-教育改革与发展创新创业理论研究与实践 2023 年 3 月第 6 期枯燥难懂。依托实验课程，通过指导学生自行设计制作常用预制构件缩比模型，加深其认知理解，增强其实际动手操作能力。课程后期依托校外实习基地，现场讲解构件生产制作工艺，分析实际生产与实验室平台模型制作的共通点及差异性，从而提高其综合认知能力、分析解决问题能力及实操能力。3.2 理论教学结合实践，激发兴趣单向输出式的教学方式已经无法满足现阶段学生主动学习的需求，现代大学生更加倾向于沉浸式的教学方式14，在实践中学习知识、总结知识，这样才能调动学生的主观能动性，激发其自主学习潜力。实践中，让学生结合自身兴趣及能力，搜集文献资料，寻找更好的解决问题的方法，并向“问题发掘”与“自主创新”两个方向延伸。3.3 项目式实训，夯实理论基础，提高工艺技能以叠合板、剪力墙、梁、柱、保温外墙板等构件生产为目标项目，让学生结合所学知识分组实施构件设计、模具制作、钢筋绑扎、构件浇筑等生产工艺环节，制作构件缩比模型。通过 PBL 项目式实训15，使学生能够熟悉从立项到设计、生产、装配的整个过程。4 结语装配式建筑实践超前于理论，而在新技术新材料等研发和生产方面往往是企业先于高校等研究机构，因此，如果采用传统的教授方式，教学的理论知识往往落后于实际生产，培养的人才走向社会后无法满足该行业对新型人才的要求，导致教育落后于实际生产。目前，装配式建筑的人才培养刚起步，通过不断探索新型的教学方式，将最新技术通过实践课程引入教学，可以保证教授的知识和技能充分契合现行生产体系，使得高校培养的人才不但掌握扎实的理论基础，同时掌握先进的生产工艺知识。课程建设过程中仍然存在许多问题，需要进一步研究探索，如教学资源的补充、完善与更新；实践教学模式的合理性、适应性及长期效果评价；课程评价体系的适应性等。课题组欢迎并期待兄弟院校的同行就装配式建筑系列课程的建设开展进一步的探讨。参考文献1 陈婉菁,吴泽斌.我国装配式建筑政策执行的现实困境与完善路径基于米特-霍恩政策执行模型的视角 J.建筑经济,2021,42(8):77-80.2 阎长虹,黄天祥,黄慧敏.预制构件生产与质量管理 M.北京:科学出版社,2020.3 王莹瑞,潘和平,蔡伟芹.中国装配式建筑产业政策、现状及发展趋势探究 J.安徽建筑大学学报,2020,28(4):47-51.4 陈婉菁,吴泽斌.我国装配式建筑政策执行的现实困境与完善路径基于米特-霍恩政策执行模型的视角 J.建筑经济,2021,42(8):77-80.5 孙长艳,范慧俐,弓爱君,等.本科生创新实践能力的全过程培养探索以北京科技大学化学与化学工程系为例 J/OL.大学化学:1-62023-01-16.http:/ 葛海燕,陈火英,刘艳,等.基于能力和素质目标的多元化实验考核体系构建与实践 J.实验室研究与探索,2021,40(4):193-196.7 张天,刘德建,景东亚,等.装配式混凝土构件生产工艺研究 J.建筑技术开发,2020,47(6):98-99.8 方爱斌,朱敏涛.不同预制构件生产线生产工艺及能耗指标分析研究 J.混凝土,2021(1):127-131.9 张发荣.装配式建筑预制构件施工技术工艺分析J.砖瓦,2021(11):76-77.10 陈明,黄岸,李经纬.装配式建筑预制构件模具轻量化研究 J.建设机械技术与管理,2022,35(2):82-84,88.11 周强,马金华,张德刚,等.PC 构件模具标准化和通用化研究 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