裝配式成型鋼筋骨架關(guān)鍵技術(shù)研究

張彤煒，周書東，麥鎮(zhèn)東，劉 亮

（東莞市建筑科學(xué)研究所 廣東東莞523076）

0 引言

建筑工業(yè)化是我國建筑業(yè)的發(fā)展方向，而裝配式建筑具有較高的綜合效益和工業(yè)化特征，在國內(nèi)正處于大力推廣階段，但受限于建造成本高、適用體系和裝配施工技術(shù)尚未成熟等因素［1］，裝配式建筑高質(zhì)量發(fā)展仍需進(jìn)一步提升。相關(guān)研究表明裝配式建筑并不等同于建筑工業(yè)化及其推廣發(fā)展，且不應(yīng)局限于裝配式建筑［2，3］；裝配式成型鋼筋骨架的制作實(shí)現(xiàn)了“工廠工業(yè)化”生產(chǎn)，其現(xiàn)場安裝實(shí)現(xiàn)了“工位工業(yè)化”施工，其相關(guān)應(yīng)用推廣為建筑工業(yè)化的發(fā)展另辟蹊徑。

1 技術(shù)概述

成型鋼筋制品是按規(guī)定形狀、尺寸采用專業(yè)化加工模式加工成型［4］，成型鋼筋制品相關(guān)技術(shù)在我國處于起步發(fā)展階段［5］；目前國內(nèi)成型鋼筋在房建工程應(yīng)用僅局限于棒材鋼筋剪彎、箍筋成型和鋼筋焊接網(wǎng)加工等簡單層面的鋼筋制作與配送［6］，且現(xiàn)行規(guī)范以規(guī)定生產(chǎn)加工、配送和驗(yàn)收環(huán)節(jié)為主。裝配式成型鋼筋骨架是以承臺、樁、梁、柱、剪力墻等復(fù)雜三維成型鋼筋骨架為主，如圖1、圖2 所示，適用于混凝土結(jié)構(gòu)工程中鋼筋的加工、配送、施工及驗(yàn)收，成型鋼筋制品相關(guān)應(yīng)用有利于提高鋼筋骨架的定型質(zhì)量，轉(zhuǎn)變鋼筋工程成型作業(yè)環(huán)境，大幅降低施工現(xiàn)場綁扎勞動強(qiáng)度和減少該環(huán)節(jié)施工時間，有效避免復(fù)雜鋼筋骨架和有限操作空間的現(xiàn)場綁扎問題，降低鋼材損耗和對現(xiàn)場環(huán)境的污染，具有良好的工程應(yīng)用價值［7］。

圖1 裝配式剪力墻成型鋼筋骨架Fig.1 Fabricated Steel Bar Frame of Shear Wall

圖2 裝配式梁鋼筋骨架安裝Fig.2 Hoisting Fabricated Steel Bar Frame of Beam

2 重點(diǎn)與難點(diǎn)總結(jié)分析

得益于裝配式預(yù)制構(gòu)件的大量需求，國內(nèi)成型鋼筋制品的產(chǎn)業(yè)鏈和配送模式得到完善，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)一般具備箍筋加工機(jī)、桁架加工機(jī)、鋼筋網(wǎng)焊機(jī)、滾焊機(jī)等鋼筋加工設(shè)備，及起重機(jī)、運(yùn)料系統(tǒng)、成品搬運(yùn)車等運(yùn)輸設(shè)施；珠三角地域預(yù)制構(gòu)件或成品鋼筋生產(chǎn)企業(yè)的配送運(yùn)輸網(wǎng)已全范圍覆蓋［8］，且制品體量尺寸基本滿足道路運(yùn)輸規(guī)定。然而，成型鋼筋骨架應(yīng)用性的研究和試驗(yàn)較少，設(shè)計(jì)與施工方面關(guān)鍵問題的解決及配套技術(shù)滯后，阻礙了成型鋼筋骨架推廣與應(yīng)用。筆者通過資料整理與實(shí)際試驗(yàn)操作，歸納出成型鋼筋骨架應(yīng)用存在的主要重難點(diǎn)及問題，如表1 所示。

表1 阻礙成型鋼筋骨架推廣與應(yīng)用的關(guān)鍵性重難點(diǎn)及問題Tab.1 Key Difficulties and Problems in the Promotion and Application of Fabricated Steel Bar Frame

圖3 鋼筋網(wǎng)片出筋折彎Fig.3 Rebar Mesh Sheet Bending

3 解決思路的探討

圍繞表1 所分析的阻礙成型鋼筋骨架推廣與應(yīng)用的相關(guān)重難點(diǎn)與問題，筆者通過探討問題主觀解決思路，旨在提供具有一定價值意義的展開方向：

⑴技術(shù)應(yīng)用規(guī)范與推廣方面：積極推進(jìn)成型裝配式成型鋼筋骨架技術(shù)基礎(chǔ)性與應(yīng)用性研究，推行行業(yè)中成熟的有現(xiàn)實(shí)價值意義的產(chǎn)品和工藝工法，及時補(bǔ)充發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，出臺促進(jìn)成型鋼筋發(fā)展應(yīng)用的配套政策，政府與行業(yè)上下會同推進(jìn)，積極選用裝配式鋼筋骨架，訂立使用規(guī)模目標(biāo)，加強(qiáng)信息交流和技術(shù)培訓(xùn)。

圖4 裝配式梁鋼筋骨架扭曲變形Fig.4 Assembled Beam Rebar Skeleton Distortion

⑵生產(chǎn)模式的選用：宜采用游牧式的成型鋼筋專業(yè)化生產(chǎn)加工模式。該模式在成本、配送、供求等方面具有比固定的預(yù)制企業(yè)所不可比擬的優(yōu)勢，在投資較少和自動化生產(chǎn)程度較高的前提下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能量身定做，適宜施工企業(yè)配備專業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備和人員，在不同項(xiàng)目接續(xù)投入使用，可節(jié)省運(yùn)輸成本、避免裝車卸貨造成損壞和成型鋼筋制品長時間存貯易銹蝕的問題。

⑶設(shè)計(jì)基本原則：裝配式成型鋼筋骨架的設(shè)計(jì)不僅僅局限于對鋼筋工程的深化設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)易建性和發(fā)揮工業(yè)化優(yōu)勢，需遵守“設(shè)計(jì)先導(dǎo)、技術(shù)引領(lǐng)”的原則，初步設(shè)計(jì)時就應(yīng)前置考慮成型鋼筋的實(shí)現(xiàn)，且結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)時應(yīng)圍繞“大直徑少根數(shù)”的理念，以模數(shù)化原則為標(biāo)準(zhǔn)，是實(shí)現(xiàn)骨架構(gòu)件通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的前提，亦是裝配式成型鋼筋制作實(shí)現(xiàn)自動化與機(jī)械化的前提。

⑷骨架成型方式的選用：裝配式成型鋼筋骨架施工所考慮的結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)為吊裝過程（平吊、立吊、翻轉(zhuǎn)等）自重和起吊瞬間動力作用，保證在鋼筋未屈服、骨架不發(fā)生過大變形和節(jié)點(diǎn)處接頭安裝精度；在考慮安全和制作便利性方面，宜采用綁扎與焊接共有的成型方式：吊點(diǎn)主受力部位、輪廓骨架成型部位、易散落部位等宜采用焊接，錯綜復(fù)雜的鋼筋骨架內(nèi)部、微滑移易糾正部位、無脫落風(fēng)險(xiǎn)部位等宜采用綁扎，如圖5 所示（圖中圓點(diǎn)為焊接節(jié)點(diǎn)）。

圖5 鋼筋骨架焊點(diǎn)位置示意Fig.5 Reinforced Steel Frame Solder Joint Position

⑸豎向構(gòu)件鋼筋骨架連接方式：表1 所述的連接方式都存在長時間維持吊裝狀態(tài)的情況，顯然都不符合實(shí)際施工適用性與經(jīng)濟(jì)性的要求；綁扎搭接和灌漿套筒連接并不適用于裝配式成型鋼筋骨架，擠壓套筒連接施工器械和工藝的簡便化仍有待提高，而直螺紋套筒及焊接連接成熟可靠，適合作為裝配式成型鋼筋骨架連接方式。但生產(chǎn)與施工連接工藝仍需要進(jìn)一步提高，一方面是制作過程中構(gòu)件精度控制，保證鋼筋骨架所有連接鋼筋平面方向相對準(zhǔn)確和控制長度方向的尺寸誤差；另一方面是安裝過程中施工方法改進(jìn)，保持吊裝過程的連續(xù)穩(wěn)定，且加快連接速度或采取可調(diào)節(jié)的支撐支架臨時固定安裝。

⑹裝配式成型鋼筋骨架與模板系統(tǒng)相結(jié)合：①通過改變模板對拉孔洞的成孔類型，使得對拉桿或拉片具有可空間調(diào)節(jié)的能力；②通過減小對拉桿或?qū)慕孛娉叽纾ㄤ摻g線），使得對拉桿或拉片在保證一定強(qiáng)度的前提下可實(shí)現(xiàn)人工強(qiáng)制掰撬；③在保證模板整體性的前提下，改變模板和鋼筋的安裝順序，如鋁模體系中先安裝梁鋼筋骨架后閉合側(cè)模；④改變成型鋼筋的構(gòu)造，加設(shè)可調(diào)節(jié)鋼筋，使得成型鋼筋在節(jié)點(diǎn)位置處具有可伸縮能力；⑤裝配式成型鋼筋骨架與模板系統(tǒng)工廠一體化制作與施工現(xiàn)場整體安裝。

⑺安裝碰撞與順序妨礙的解決：并非所有構(gòu)件都適用于裝配式成型鋼筋骨架，如復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、塔吊起重能力、規(guī)范約束、慣用施工工法等問題限制，局部位置和構(gòu)件不可避免地采用現(xiàn)場鋼筋綁扎。鋼筋工程宜現(xiàn)場綁扎與鋼筋骨架預(yù)制裝配相結(jié)合，有利于裝配式成型鋼筋骨架順利安裝。

⑻設(shè)計(jì)輔助軟件：應(yīng)用BIM 技術(shù)的三維可視化、優(yōu)化設(shè)計(jì)、精確定位、施工模擬、碰撞檢查、材料與構(gòu)件可溯等功能優(yōu)勢進(jìn)行設(shè)計(jì)，可預(yù)知和解決大部分安裝施工方面的“錯漏碰缺”問題。

4 豎向構(gòu)件裝配式成型鋼筋骨架的輔助安裝架研發(fā)

傳統(tǒng)鋼筋與模板工程中，需先行綁扎施工豎向構(gòu)件鋼筋籠，后封閉豎向構(gòu)件模板，此過程不存在與水平構(gòu)件鋼筋骨架發(fā)生碰撞和妨礙的情況，在妥善解決與下層縱向連接鋼筋接續(xù)問題的前提下，豎向構(gòu)件應(yīng)用成型鋼筋骨架技術(shù)較水平構(gòu)件有優(yōu)勢。本節(jié)從上述所分析的難重點(diǎn)與解決思路出發(fā)，研發(fā)了一種豎向構(gòu)件裝配式成型鋼筋骨架的輔助安裝架，相關(guān)施工過程如圖6 所示，可概括為以下幾點(diǎn)：

圖6 豎向構(gòu)件裝配式成型鋼筋骨架與輔助安裝架施工過程Fig.6 Construction Process of Vertical Member Assembled Forming Rebar Skeleton and Auxiliary Mounting Frame

⑴預(yù)制加工：按照設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝要求，對鋼筋骨架進(jìn)行加工成型，成品必須保證間距定位與長度加工誤差在允許誤差內(nèi)，可考慮裝配式建筑中預(yù)制柱加設(shè)定位鋼板的做法。

⑵安插加固：將成型鋼筋骨架成品放置于輔助安裝支架內(nèi)部，插入并安裝扁擔(dān)梁部件，使得扁擔(dān)梁與箍筋焊網(wǎng)形成穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)體系。

⑶吊運(yùn)著地：將上述結(jié)構(gòu)體系通過平衡梁吊具吊往連接安裝部位，操作輔助安裝支架的可調(diào)支腿部件著地后，可撤離吊具。

⑷對中定位：人工牽引輔助安裝支架以驅(qū)動底部萬向輪子進(jìn)行連接鋼筋的平面對中，人工操作設(shè)有螺紋調(diào)節(jié)支腿進(jìn)行連接鋼筋長度方向的微調(diào)定位。

⑸安裝連接：采用直螺紋連接或焊接的方式進(jìn)行接續(xù)作業(yè)，連接完成后把箍筋捋至相應(yīng)位置并進(jìn)行綁扎，此時已完成接續(xù)的豎向構(gòu)件鋼筋骨架具備獨(dú)立受力條件。

⑹重復(fù)使用：操作調(diào)節(jié)支腿使得扁擔(dān)梁與箍筋焊網(wǎng)分離，然后抽出扁擔(dān)梁并將該支架吊重復(fù)運(yùn)用于其他豎向構(gòu)件的成型鋼筋骨架的裝配作業(yè)。

與成型鋼筋骨架直接吊裝相比，上述輔助安裝架具有如下優(yōu)點(diǎn)：①在保證鋼筋骨架生產(chǎn)精度的前提下，可移動和可調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)鋼筋骨架在現(xiàn)場裝配時的定位準(zhǔn)確；②使用操作方便，無需專用輔助工具；③避免連接安裝過程中吊具長時間占用的情況，且穩(wěn)定連接狀態(tài)有利于連接順利與保證連接質(zhì)量；④起保護(hù)作用，避免吊運(yùn)過程發(fā)生意外碰撞而散落。

5 結(jié)語

裝配式成型鋼筋骨架在應(yīng)用過程中的關(guān)鍵性重難點(diǎn)直接阻礙了該技術(shù)的推廣，其應(yīng)用性研究對推動建筑工業(yè)化有積極意義。本文通過總結(jié)和分析裝配式成型鋼筋骨架的重難點(diǎn)及問題，并進(jìn)行解決思路的探討，結(jié)合有關(guān)解決思路提出一種為豎向構(gòu)件裝配式成型鋼筋骨架的輔助安裝支架，為裝配式成型鋼筋骨架的推廣應(yīng)用提供參考：

⑴發(fā)展裝配式成型鋼筋骨架技術(shù)雖有完備的產(chǎn)業(yè)鏈，但阻礙該技術(shù)推廣與發(fā)展的關(guān)鍵問題主要為設(shè)計(jì)與施工方面的技術(shù)難點(diǎn)。

⑵推進(jìn)裝配式成型鋼筋骨架技術(shù)發(fā)展，需要以行政與市場手段上下聯(lián)同發(fā)展為前提，在技術(shù)與工藝提升方面，開展基于BIM 技術(shù)的裝配式成型鋼筋設(shè)計(jì)、鋼筋骨架生產(chǎn)成型與施工安裝工藝提高的工作；從技術(shù)創(chuàng)新方面，研發(fā)新型鋼筋骨架的連接方式、研制與之相匹配的模板體系和輔助安裝工具。

⑶研發(fā)一種豎向構(gòu)件裝配式成型鋼筋骨架的輔助安裝支架，實(shí)現(xiàn)了輔助加固、臨時支承、對中微調(diào)等功能，避免起重設(shè)備長時間占用，且為連接作業(yè)提供穩(wěn)定的工作環(huán)境。