工業(yè)化建筑部品與構(gòu)配件制作關(guān)鍵技術(shù)研究

打印來(lái)源：工業(yè)建筑（id：gongyejianzhu）

目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)正在迅速發(fā)展，2019年人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值已超1萬(wàn)美元。發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)證明：此時(shí)是一個(gè)國(guó)家調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的好時(shí)機(jī)，是建筑工業(yè)化的起步點(diǎn)。因此，需要抓住時(shí)機(jī)，大力推動(dòng)我國(guó)建筑業(yè)從碎片化、粗放型、手工業(yè)的勞動(dòng)密集型生產(chǎn)方式向集成化、精細(xì)化、工業(yè)化的技術(shù)密集型生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)化。其中工業(yè)化建筑部品與構(gòu)配件的制造技術(shù)，是建筑工業(yè)化產(chǎn)業(yè)鏈中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

提升工業(yè)化建筑部品與構(gòu)配件制造技術(shù)水平，厘清建筑業(yè)與相關(guān)制造業(yè)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司聯(lián)合國(guó)內(nèi)一流的科研機(jī)構(gòu)、高校、設(shè)計(jì)單位、生產(chǎn)企業(yè)、施工企業(yè)，組織申報(bào)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“工業(yè)化建筑部品與構(gòu)配件制造關(guān)鍵技術(shù)及示范”。項(xiàng)目已于2017年7月獲得科技部批復(fù)立項(xiàng)。

項(xiàng)目總體研究目標(biāo)為：強(qiáng)化建筑業(yè)與相關(guān)部品、構(gòu)配件制造業(yè)之間的合作；完成制造業(yè)在實(shí)現(xiàn)模塊化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化制造過(guò)程中所必備的模數(shù)協(xié)調(diào)、公差配合等基礎(chǔ)理論研究；應(yīng)用智能化、信息化技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)制造技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。項(xiàng)目緊密?chē)@上述總體研究目標(biāo)開(kāi)展，并聚焦關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)聯(lián)合攻關(guān)、技術(shù)集成、示范驗(yàn)證，現(xiàn)已取得階段性的研究成果。工業(yè)化建筑模數(shù)協(xié)調(diào)

工業(yè)化建筑是以標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)的，標(biāo)準(zhǔn)化又是以模數(shù)協(xié)調(diào)為中心的[1]。模數(shù)協(xié)調(diào)是建筑工業(yè)化過(guò)程中的必備規(guī)則[2]。項(xiàng)目組借鑒了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和美國(guó)預(yù)制和預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)(PCI)頒布的相關(guān)文獻(xiàn)，遍歷有關(guān)模數(shù)協(xié)調(diào)的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，研究工業(yè)化建筑模數(shù)協(xié)調(diào)的體系構(gòu)成、應(yīng)用領(lǐng)域、實(shí)踐效果和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)；重點(diǎn)參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，指導(dǎo)性地提出建筑空間優(yōu)選模數(shù)數(shù)列；初步打通建筑業(yè)與相關(guān)制造業(yè)，諸如廚房、衛(wèi)生間、門(mén)窗等行業(yè)的對(duì)話渠道，重點(diǎn)闡明部品與構(gòu)配件標(biāo)志尺寸、節(jié)點(diǎn)接口及公差體系在模數(shù)協(xié)調(diào)工作中的配合關(guān)系。

專(zhuān)欄重點(diǎn)選登了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中基于概率統(tǒng)計(jì)的建筑公差應(yīng)用研究工作的相關(guān)成果。主要考慮了工業(yè)化建筑部品與構(gòu)配件的公差體系對(duì)模數(shù)協(xié)調(diào)及其尺度配合工作的重要影響，嘗試分析國(guó)際上已發(fā)布的有關(guān)工業(yè)化建筑公差基于概率統(tǒng)計(jì)理論的數(shù)理基礎(chǔ)[3]；研究總結(jié)了建筑公差的邏輯分析方法；闡明了邏輯分析方法的應(yīng)用領(lǐng)域和目的；提出了一種采用公差限值進(jìn)行科學(xué)化、邏輯化選值的研究路徑。在大量國(guó)內(nèi)外調(diào)研工作的基礎(chǔ)上，總結(jié)了目前國(guó)際上通行的確定建筑公差的經(jīng)驗(yàn)分析方法，并提出了我國(guó)在工業(yè)化建筑的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)同工作中建立部品與構(gòu)配件公差體系的原則和建議。面向制造業(yè)的部品與構(gòu)配件高性能產(chǎn)品技術(shù)體系

建筑工業(yè)化的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，對(duì)于高品質(zhì)、高性能部品和構(gòu)配件的需求也日益提升，需要加快推動(dòng)高性能產(chǎn)品技術(shù)體系的更新和發(fā)展。因此，項(xiàng)目對(duì)關(guān)鍵部品與構(gòu)配件的性能提升和集成應(yīng)用等內(nèi)容進(jìn)行了深入研究，其中包括外圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)及設(shè)備管線系統(tǒng)等。目前高性能部品與構(gòu)配件技術(shù)體系的搭建工作已基本完成，并同時(shí)給出了高性能部品與構(gòu)配件的評(píng)價(jià)方法。在高性能產(chǎn)品體系中，所提出的高性能部品與構(gòu)配件包括高性能、高集成化的廚房、衛(wèi)生間，高性能隔墻體系等。主要產(chǎn)品包括預(yù)制混凝土夾芯保溫墻板的低能耗桁架連接件、露骨料SP板等研究成果。

2.1 預(yù)制混凝土夾芯保溫墻板低能耗桁架連接件

預(yù)制混凝土夾芯保溫墻板在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已有多年的應(yīng)用歷史和經(jīng)驗(yàn)積累，其中夾芯保溫墻板內(nèi)外葉墻板之間的連接件是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[4]。該產(chǎn)品與夾芯保溫墻板的質(zhì)量安全緊密相關(guān)。目前在世界各國(guó)得到廣泛采用的連接件所使用的材料基本是不銹鋼和纖維增強(qiáng)高分子聚合物兩種，且基本上都是專(zhuān)利產(chǎn)品。為了保證夾芯保溫墻板的安全使用，該項(xiàng)研究與相關(guān)專(zhuān)利產(chǎn)品生產(chǎn)廠家合作，對(duì)不銹鋼連接件的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了全面的梳理，完成了相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)編制，為保障產(chǎn)品的正確使用，提供了技術(shù)支撐。針對(duì)佩克PD型桁架連接件，進(jìn)行了拉剪模型的試驗(yàn)研究。該項(xiàng)研究指出,夾芯保溫墻板內(nèi)外葉墻板間的桁架連接件是工業(yè)化建筑的一個(gè)重要的高性能配件，它在外墻板自重和風(fēng)吸力作用下，處于拉剪受力狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果證明，該類(lèi)桁架連接件的拉剪承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并具備一定的安全儲(chǔ)備。

2.2 露骨料SP墻板在全裝配工業(yè)廠房中的應(yīng)用

SP板是美國(guó)SPANCRETE機(jī)械制造公司的擠壓機(jī)生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力空心板，在我國(guó)已有多年的應(yīng)用，大多數(shù)是用作建筑物的樓板、屋面板以及構(gòu)筑物蓋板和橋梁橋面板，用作墻板的案例很少[5]。建筑對(duì)外墻板的飾面要求比較高，且需具有可靠的防水、防腐、防火等功能要求，該項(xiàng)研究采用SP板本身露骨料的工藝，呈現(xiàn)外裝飾效果，并在國(guó)內(nèi)新型的全裝配工業(yè)廠房項(xiàng)目中首次使用，取得了良好的效果。露骨料SP墻板不僅可用于混凝土結(jié)構(gòu)，也可用于鋼結(jié)構(gòu)，為裝配式建筑的新型外圍護(hù)體系制造提供了嶄新的建造方案。標(biāo)準(zhǔn)化、系列化建筑部品構(gòu)配件的生產(chǎn)制造技術(shù)

建筑工業(yè)化的快速發(fā)展對(duì)預(yù)制構(gòu)件和內(nèi)裝部品的生產(chǎn)制造技術(shù)提出了更高的要求，產(chǎn)品數(shù)據(jù)和制造流程的信息化已經(jīng)成為保障質(zhì)量、提高效率的重要手段。模塊化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化部品與構(gòu)配件制造技術(shù)是研究重點(diǎn)。有關(guān)模數(shù)協(xié)調(diào)準(zhǔn)則的研究成果可為建筑部品與構(gòu)配件形成模塊化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品奠定理論基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上需要進(jìn)一步解決通用建筑部品與構(gòu)配件的全過(guò)程數(shù)字化加工生產(chǎn)、一體化成型、產(chǎn)品管理控制、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等制造技術(shù)問(wèn)題。

近些年，以BIM技術(shù)為代表的信息化技術(shù)體系得到了建筑行業(yè)的廣泛關(guān)注。BIM不僅是建筑三維模型，更是可拓展至多維度的技術(shù)體系，為工業(yè)化建筑中多方參與實(shí)現(xiàn)全生命周期的有效管理提供了良好的協(xié)作機(jī)制。

針對(duì)工業(yè)化建筑中標(biāo)準(zhǔn)化的混凝土預(yù)制構(gòu)件、集成衛(wèi)浴、集成廚房和內(nèi)隔墻等四類(lèi)產(chǎn)品系統(tǒng)，旨在探索利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)手段，對(duì)上述四類(lèi)產(chǎn)品系統(tǒng)的生產(chǎn)制造過(guò)程中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)、信息傳遞、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、控制管理等環(huán)節(jié)進(jìn)行研究和改進(jìn)，從而提升生產(chǎn)效率，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。通過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：工業(yè)化建筑領(lǐng)域中針對(duì)預(yù)制構(gòu)件已有一些較為成熟的信息化工具，但全面整合所有建筑部品和構(gòu)配件的軟件體系依然缺乏。基于當(dāng)前工業(yè)化建筑部品和構(gòu)配件生產(chǎn)制造技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，研究提出了一種集成上述四類(lèi)產(chǎn)品的部品庫(kù)體系、設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)的智能制造信息平臺(tái)技術(shù)框架。該平臺(tái)主要特征體現(xiàn)在：集成整合混凝土預(yù)制構(gòu)件、集成衛(wèi)浴、集成廚房和內(nèi)隔墻四類(lèi)工業(yè)化建筑組件的庫(kù)-設(shè)計(jì)-制造流程；依托云端BIM后臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目可視化及模型操控；采用拓展的pXML語(yǔ)言格式作為設(shè)計(jì)模型到生產(chǎn)制造的數(shù)據(jù)載體，生產(chǎn)部門(mén)對(duì)制造數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、解讀、轉(zhuǎn)換，后續(xù)對(duì)接生產(chǎn)線管理系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，并將進(jìn)度、物流等信息反饋給平臺(tái)進(jìn)行集成展示和進(jìn)度管控。個(gè)性化建筑部品與構(gòu)配件材料及制造技術(shù)

工業(yè)化建筑部品與構(gòu)配件的標(biāo)準(zhǔn)化，為通用部品與構(gòu)配件的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)建筑的工業(yè)化打下了基礎(chǔ)。與此同時(shí)，為了滿(mǎn)足建筑的美學(xué)要求，豐富建筑物的立面及造型，個(gè)性化的建筑部品與構(gòu)配件也是不可或缺的。

復(fù)雜造型混凝土建筑部品與裝飾構(gòu)配件的柔性制造技術(shù)研究，著力解決復(fù)雜造型的個(gè)性化建筑部品與構(gòu)配件的精細(xì)、高效、智能的現(xiàn)代化生產(chǎn)制造關(guān)鍵技術(shù)。其中重點(diǎn)在于研究各種3D打印材料及其打印技術(shù)和工藝，以及各種高性能裝飾混凝土、多功能飾面納米涂層材料等等，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜造型混凝土裝飾配件的柔性化、智能化制造。這些研究工作，均具有一定的前瞻性和較高的科技含量。主要內(nèi)容包括有關(guān)3D打印以及新型外墻板的研究成果。

4.1 混凝土打印成型建模技術(shù)

混凝土3D打印憑借無(wú)模施工、節(jié)省人力、節(jié)材環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，吸引了越來(lái)越多的關(guān)注，并得到了快速發(fā)展[6]?；炷?D打印技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括材料的制備、打印參數(shù)的確定以及3D打印混凝土硬化性能的形成。該項(xiàng)研究基于目前公開(kāi)的研究成果，針對(duì)混凝土3D打印技術(shù)材料的可打印性能與材料組成、打印參數(shù)與過(guò)程控制以及3D打印混凝土硬化性能等方面進(jìn)行了總結(jié)與探討，為混凝土3D打印工程實(shí)踐提供了有價(jià)值的參考。

混凝土3D打印與其他材料工業(yè)產(chǎn)品的打印具有較大區(qū)別，有著自身的獨(dú)特性；特別是在打印模型建模方面。本項(xiàng)研究結(jié)合打印混凝土材料的性能，以及打印工藝參數(shù)，研究了混凝土打印工藝參數(shù)與成型質(zhì)量之間的關(guān)系及其規(guī)律。同時(shí)采用模型優(yōu)化混凝土3D打印技術(shù)，結(jié)合打印混凝土材料性能及打印工藝參數(shù)來(lái)進(jìn)行。在混凝土打印工藝參數(shù)與成型質(zhì)量間關(guān)系規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了適用于混凝土打印成型的建模方法。

4.2 輕鋼龍骨混凝土組合墻板抗彎性能研究

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)墻板試件的四點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)，研究了輕鋼龍骨混凝土組合墻板(SC墻板)的抗彎性能以及豎向龍骨間距對(duì)墻板抗彎性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：墻板的抗彎破壞形態(tài)均以豎向龍骨屈曲破壞為主，承載力由正常使用極限狀態(tài)控制，豎向龍骨間距對(duì)SC墻板的承載力有較大的影響。同時(shí)還采用了ABAQUS軟件建立了SC墻板的有限元模型，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的可靠性，并在此基礎(chǔ)上對(duì)SC墻板的抗彎性能進(jìn)行了參數(shù)分析。分析結(jié)果表明：龍骨厚度及腹板高度、保溫材料類(lèi)型、空氣層以及剪力釘?shù)拈g距對(duì)SC墻板的抗彎強(qiáng)度均有較為明顯的影響。取消空氣層可大幅提高墻板的抗彎承載力；而采用泡沫混凝土作為保溫材料可以有效地限制豎向龍骨的變形，提高墻板的抗彎承載力和耗能能力。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的精細(xì)、高效、智能化的現(xiàn)代生產(chǎn)制造技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)建筑是工業(yè)化建筑的重要類(lèi)型，已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的使用。近年來(lái)，我國(guó)也在大力推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)的使用。但目前工業(yè)化建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制造企業(yè)大部分仍在使用手工焊、半自動(dòng)焊技術(shù)，智能化程度低，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、焊縫質(zhì)量不高，制造技術(shù)亟待升級(jí)?，F(xiàn)代工業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)建筑需要盡快建立鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件智能化制造在線質(zhì)量控制體系，應(yīng)用智能化、信息化技術(shù)手段[7]，實(shí)現(xiàn)其技術(shù)升級(jí)，從根本上改善我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工制作的工藝水平，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，提高生產(chǎn)效率，降低人工成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。主要內(nèi)容包括U肋焊接工藝、鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人、金屬焊絲方面的研究成果。

5.1 基于U肋內(nèi)焊技術(shù)的全熔透焊接工藝

目前越來(lái)越多的正交異性鋼箱梁正向著采用U肋全熔透、U肋內(nèi)焊等方向發(fā)展。雖然一般設(shè)計(jì)熔透要求為U肋板厚的75%～80%，但U肋內(nèi)焊、全熔透必定是以后發(fā)展的趨勢(shì)。本次研究以?xún)?nèi)焊為前提，對(duì)U肋試件進(jìn)行全熔透焊接，并研究了在不同電流范圍內(nèi)，焊接參數(shù)對(duì)U肋角焊縫的影響，通過(guò)觀察焊縫成型，對(duì)比不同試驗(yàn)件的焊縫金屬拉伸、宏觀金相、硬度等特性，逐漸調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，最終得到適合于U肋全熔透焊接的工藝參數(shù)。

5.2 建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)

工業(yè)化建筑對(duì)構(gòu)件質(zhì)量要求高，在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)推廣應(yīng)用機(jī)器人焊接技術(shù)是大勢(shì)所趨。而采用機(jī)器人焊接技術(shù)與在線質(zhì)量控制技術(shù)相結(jié)合，能夠解決生產(chǎn)效率、構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)質(zhì)量等難題，整體提升我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制造行業(yè)的技術(shù)水平。研究表明：標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)能夠大幅度地提高焊接機(jī)器人的焊接效率和質(zhì)量；同時(shí)焊接機(jī)器人的角焊縫焊接技術(shù)比較成熟，一次性焊接成形的焊接接頭也易獲成功；焊接機(jī)器人在厚板對(duì)接焊縫焊接時(shí)有一定難度，因此對(duì)裝配精度要求較高，裝配間隙偏差較大時(shí)易出現(xiàn)不合格焊縫：焊接機(jī)器人數(shù)據(jù)庫(kù)需要充實(shí)，其后期的研究工作量仍然十分巨大。

5.3 高性能結(jié)構(gòu)鋼Q460GJC機(jī)器人焊接用金屬粉芯焊絲

在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)推廣應(yīng)用機(jī)器人焊接技術(shù)是大勢(shì)所趨，而任何技術(shù)的革命首先是材料的革命。因此該項(xiàng)研究針對(duì)建筑用高性能結(jié)構(gòu)鋼Q460GJC焊接的要求，研究了適合機(jī)器人焊接的金屬粉芯焊絲。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，該焊絲具有優(yōu)良的送絲穩(wěn)定性，且焊后無(wú)需清理。焊絲熔敷金屬由針狀鐵素體和貝氏體形成，拉伸斷口由均勻的韌窩組成，沖擊斷口呈準(zhǔn)解理斷裂特征，適用于重要建筑鋼結(jié)構(gòu)中Q460GJC鋼的機(jī)器人焊接。結(jié)束語(yǔ)

“工業(yè)建筑部品與構(gòu)件制造關(guān)鍵技術(shù)及示范”是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“綠色建筑及建筑工業(yè)化”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)中唯一一個(gè)以工業(yè)化建筑全系統(tǒng)產(chǎn)品制造技術(shù)為主要研究?jī)?nèi)容的項(xiàng)目。從項(xiàng)目實(shí)施成效來(lái)看，項(xiàng)目預(yù)設(shè)的研究路徑和目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)，在建立建筑業(yè)與部品、構(gòu)配件制造業(yè)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系方面已經(jīng)取得一定成果，在部品和構(gòu)配件材料與產(chǎn)品研制、制造技術(shù)提升等方面實(shí)現(xiàn)了原創(chuàng)性或集成性創(chuàng)新。項(xiàng)目取得的成果將直接為我國(guó)工業(yè)化建筑的推廣和應(yīng)用提供有效技術(shù)支撐。