随着人口红利的消失, 人工费不断增高, 建设成本持续上涨, 传统建筑方式在建筑品质、成本及速度方面无法满足现代社会发展的需求, 逐渐成为制约我国建筑业进一步发展的瓶颈。

中建一局天津市武清装配式建筑部品生产基地 (以下简称武清PC生产基地) , 占地面积约65 000m², 主厂房建筑面积约75 000m², 主要有内墙板/叠合板自动生产线、外墙板柔性生产线以及固定模台生产线, 运营设计产量为12万m³的大型工业化建筑预制部品 (其中固定模台年产能约2万m³) , 主要产品为装配式剪力墙及框架结构预制构件。本文主要针对武清PC生产基地的2条主要生产线设计理念、生产原理、生产工艺流程等进行技术总结, 分析合理的生产线流水布置技术。

我国预制混凝土的生产应用从20世纪50年代开始的, 在这60多年的发展历程中, 预制混凝土的发展可以说非常坎坷, 可谓一波三折。

1) 20世纪50年代, 在前苏联建筑工业化影响下, 我国建筑行业开始走预制装配式发展道路, 这一时期仅将部分预制构件从施工现场作业面搬至施工现场的临时加工区加工, 模板及支撑均按照构件需要单独配置。

2) 20世纪70—80年代中期, 随着预应力构件的发展, 出现了大批预制构件厂, 大批的大板房开始兴建, 预制构件生产从以手工为主到机械搅拌、机械成型再到工厂机械化流水线生产, 基本形成了预制构件流水线生产。

3) 20世纪90年代以来, 由于材料性能缺陷等诸多原因, 预制混凝土构件厂无利可图, 民用建筑上的小构件已让位给乡镇小构件厂, 预制混凝土构件行业遭遇生存危机, 生产线的发展处于停滞状态。

4) 我国自1999年开始在相关政策和产业化示范工程的推动下, 开始推动装配式建筑建造模式的发展, 得到了社会认同及推广应用, 掀起了全面推动装配式建筑的发展浪潮, 同时预制混凝土构件生产线产生已经进入了工厂化生产时代。

天津市武清PC生产基地系根据中建一局集团建设发展有限公司主营业务市场分析, 主要针对装配式住宅、装配式公共建筑以及装配式电子厂房类构件。

PC生产基地厂房为钢结构单层厂房, 厂房布置为L形, 厂房集中设置, 分为2个区:一区为3跨27m×153m包含1条外墙板综合生产线、1条内墙板/叠合板生产线以及搅拌站、钢筋加工区;二区为6跨27m×120m包含1个异形构件固定台模生产线和大面积的成品堆放区 (见图1) 。

结合公司主营预制部品市场, 武清PC生产线采用滑动模台的内墙板/叠合板自动生产线和固定模台的柔性生产线进行生产, 更加高效、快捷的生产方式进行预制构件生产。

1) 内墙板/叠合板自动生产线主要为环形固定节拍自动化生产, 采用驱动轮驱动模台, 摆渡车横摆形成环线。作业内容为:生产预制内墙板、叠合板及构件养护作业。内墙板/叠合板自动生产线设计工艺流程及平面布置如图2、图3所示。

2) 柔性生产线 (外墙柔性生产线) 主要从混凝土浇筑完毕的静置工位至拆完模板后的清理工位采用固定流水节拍的自动流水作业, 其他工位与自动流水线之间通过中央转运车进行运转摆渡, 形成流水作业。作业内容:全部种类预制构件 (剪力墙构件、框架构件) , 主要生产预制外墙板及构件养护作业。外墙柔性生产线设计工艺流程及平面布置如图4、图5所示。

自动化PC生产线指各生产工序依靠专业自动化设备, 充分利用能源和通信手段进行有序生产, 并按照一定的生产节拍在生产线上行走, 最终经过养护成型, 形成流水作业的生产线, 达到提高生产效率、减少生产人员数量, 使工厂实现有序管理。

PC生产线能够自动化流水, 因综合考虑生产线中各工序的作业量、设备工作效率、各生产工序的工位数量、生产线工人的操作熟练程度以及设备的工作效率等, 通过各工序实现自动化生产线完成一次联动。随着外界条件的改变, 生产线长度可以调整, 所以, 可以通过增加或减少工序工位数量调整生产线节拍, 工人操作熟练程度也可以通过培训和实际操作逐步提高从而调整生产线节拍。

目前自动生产线对生产节拍影响最大的设备是码垛机, 码垛机设计工作为将模台送入养护窑和将模台取出, 码垛机完成送入和取出模台一个完整工作循环时间约为13min, 因此, 为追求产能最大化将自动化流水线节拍设计为15min。

内墙板/叠合板自动生产线主要按照模台大小设置工序的作业时间, 主要设计节拍考虑清扫、画线、边模组装、钢筋组装、预埋件安装、混凝土浇筑、混凝土表面抹平、拉毛等主要工艺的作业时间, 其他辅助工序时间 (钢筋骨架、埋件等材料可以提前加工) 以及构件运输时间均可在流水节拍设计上不考虑。

根据前面设计拟定的各工序及流水节拍, 在生产线各工序中作业时间均未超出15min, 这样仅考虑蒸汽、电等能源的效益最大化来确定养护窑窑位数量。另由于整个工艺中, 边模/钢筋装配安装、混凝土养护以及构件模板拆除工序作业时间较长, 混凝土养护条件设置为40℃左右, 湿度为95%左右, 混凝土养护时间设置为7h, 这样仅需要根据养护窑窑位数量确定所有模台的数量。本工程综合考虑养护窑设置为双排, 每排3列7层, 其中2个进口, 1个出口, 这样养护窑能够存放模台数量为2×3×7-2-1=39个。

边模/钢筋装配安装时间约为60min, 按照流水节拍15min, 该工序工位设置为4个;另外流水工序中构件钢筋及模板拆除时间约为45min, 拆除工位应至少设置3个, 工位设置数量为30个, 其中从模台清理到混凝土浇筑前工位数量为9个。

综合考虑构件生产产量最大化, 即养护窑窑位放满, 混凝土浇筑前工位提前作业, 模台配置数量最大为:39+9=48个。

1) 生产内墙板时, 产能计算如表1所示。

2) 生产叠合板时, 产能计算如表2所示。

按照叠合板与内墙板生产量比例2∶1计算, 内墙板线年产量为:

2) 外墙柔性生产线设计工艺设计技术

外墙柔性生产线主要按照模台大小设置工序的作业时间, 主要设计节拍考虑画线、边模组装、保温板铺装、钢筋组装、预埋件安装、混凝土浇筑均设置在固定工位上, 仅考虑混凝土浇筑后的静置、抹光、养护、拆模、翻转以及清理工位设置等节拍流水工作, 其他辅助工序时间 (钢筋骨架、埋件等材料可以提前加工) 以及构件运输时间均可在流水节拍设计上不考虑。

根据前面设计拟定的各工序及流水节拍, 在生产线各工序中作业时间均未超出15min, 这样仅考虑蒸汽、电等能源的效益最大化来确定养护窑窑位数量。本工程综合考虑养护窑设置为双排, 每排2列6层, 其中1个进口, 1个出口, 这样养护窑能够存放模台数量为2×2×6-1-1=22个。

由于钢筋骨架绑扎、边模装配、保温板铺设等工作均设置在固定模台上, 这样工序中固定模台不需要考虑自动化生产, 本生产线受生产线的占地及工序影响, 固定工位设置为9个, 从混凝土浇筑后的静置至模板拆除后的模台清理, 设置流水节拍为15min的工位数量为6个。

综合考虑构件生产产量最大化, 即养护窑窑位放满, 混凝土浇筑前工位提前作业, 模台配置数量最大为:22+9=31个。

生产外墙板时, 产能计算如表3所示。

综合内墙板/叠合板自动生产线及外墙柔性生产线这2条生产线产能为:38 707.20+58 590.00=97 297.20m³。

针对装配式建筑现阶段发展状态, 预制构件分别有各自不同的标准化程度。其中, 叠合板、内墙板标准化程度高, 生产工艺相对简单, 现阶段最佳生产工艺为自动化生产;楼梯、阳台标准化程度相对较高, 但生产工艺较复杂, 固定台座法比较容易实现;预制外墙板为夹心墙板, 构件生产工序繁琐, 外叶板尺寸较多, 框架体系结构构件以及异形构件应采用半自动生产线 (柔性生产线) 更为适合。工艺对比分析如表4所示。

通过以上对比分析, 固定台座法投资门槛低, 方便产品线更新升级, 且可适用于多种构件生产形式;而相对于固定台座法, 滑动模具法在叠合板生产中具有更高的生产准备效率, 可以考虑在适当时机进行产业升级, 而对于楼梯、阳台等标准构件生产, 可以在模具流水线工艺成熟后进行适当的生产工艺改良, 以提高生产效率;自动化生产线能达到较高的生产能力, 并且在现阶段机械、生产方式都已经非常成熟, 并且自动化率高, 适合投资使用。

目前预制混凝土构件生产线受各工序之间工作时间不一致、机械设备的工作效率、各生产工序的工位数量、生产线工人熟练程度、养护窑与预制构件的适应度以及生产线中质量缺陷引起生产线停机等因素影响, 使得生产线未能够达到其最大产能。为提高生产线的产能, 解决因为生产线较长, 各工序作业之间流水节拍不一致甚至不协调;生产中出现质量缺陷, 质量缺陷就会流向下一道工序中去, 影响产品质量;工人操作单调, 影响劳动效率等问题可以尝试以下途径。

1) 各工序之间工作时间不一致, 可以通过调整自动化环形生产线的长度, 增加或减少工序工位数量来调整生产线流水节拍。

2) 工人的操作能力, 可以通过培训, 增强操作工人的技术技能;同时对工人采用激励制、轮岗制, 可以缓解工人对重复工作的疲惫感与厌烦感, 增加工人的工作热情, 提供劳动效率。

3) 生产过程中出现质量缺陷无法整改, 可以在生产线的关键工序, 设计可以通过横纵轨道竖向叠加使部分工位, 通过横纵方向移动或者使用竖向吊具将不合格构件模台移出, 整改完毕再流入主流水线作业, 提高生产线的生产效率。

4) 结合预制构件生产工序, 设计合理生产流程, 减少半成品在流水线停留时间, 缩短流水线间的间距, 减少工人因搬运或转移加工产品而带来的长时间的没有创造新的价值的时间浪费。

5) 由于受预制构件的运输半径以及运输尺寸限制, 结合需求构件, 追求企业利润最大化, 可以设计滑动模台环形自动化线与固定模台相结合的生产线, 这样能够很大一部分解决现在以项目需求为需要的游牧式预制构件厂。

建筑工业化是我国建筑业的发展方向, 为确保各类建筑最终产品特别是住宅建筑的质量和功能, 优化产业结构, 加快建设速度, 改善劳动条件, 大幅度提高劳动生产率, 使建筑业尽快走上质量效益型道路, 成为国民经济的支柱产业。随着人口红利的消失, 人工费不断增高, 建设成本持续上涨, 按照大工业生产方式改造建筑业, 以机械作业为主的生产线一定作为建筑业发展的主流, 生产线的自动化及合理布置程度决定了未来建筑工业化的发展方向。