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BROCK COMMONS高层木结构建筑

时间:2021-04-27

来源:工业建筑(id:gongyejianzhu)

目前,我国经济正在迅速发展,2019年人均国内生产总值已超1万美元。发达国家的经验证明:此时是一个国家调整产业结构的好时机,是建筑工业化的起步点。因此,需要抓住时机,大力推动我国建筑业从碎片化、粗放型、手工业的劳动密集型生产方式向集成化、精细化、工业化的技术密集型生产方式转化。其中工业化建筑部品与构配件的制造技术,是建筑工业化产业链中的一个重要环节。


提升工业化建筑部品与构配件制造技术水平,厘清建筑业与相关制造业之间的协调关系,中国建筑标准设计研究院有限公司联合国内一流的科研机构、高校、设计单位、生产企业、施工企业,组织申报了国家重点研发计划项目“工业化建筑部品与构配件制造关键技术及示范”。项目已于2017年7月获得科技部批复立项。


项目总体研究目标为:强化建筑业与相关部品、构配件制造业之间的合作;完成制造业在实现模块化、系列化、标准化制造过程中所必备的模数协调、公差配合等基础理论研究;应用智能化、信息化技术手段,实现建筑业制造技术的转型升级。项目紧密围绕上述总体研究目标开展,并聚焦关键科学技术问题,通过联合攻关、技术集成、示范验证,现已取得阶段性的研究成果。


1 工业化建筑模数协调


工业化建筑是以标准化为基础的,标准化又是以模数协调为中心的[1]。模数协调是建筑工业化过程中的必备规则[2]。项目组借鉴了国际标准化组织ISO和美国预制和预应力混凝土协会(PCI)颁布的相关文献,遍历有关模数协调的国内外标准,研究工业化建筑模数协调的体系构成、应用领域、实践效果和未来发展趋势;重点参照国际标准,综合考虑行业发展现状和趋势,指导性地提出建筑空间优选模数数列;初步打通建筑业与相关制造业,诸如厨房、卫生间、门窗等行业的对话渠道,重点阐明部品与构配件标志尺寸、节点接口及公差体系在模数协调工作中的配合关系。


专栏重点选登了国际标准中基于概率统计的建筑公差应用研究工作的相关成果。主要考虑了工业化建筑部品与构配件的公差体系对模数协调及其尺度配合工作的重要影响,尝试分析国际上已发布的有关工业化建筑公差基于概率统计理论的数理基础[3];研究总结了建筑公差的逻辑分析方法;阐明了逻辑分析方法的应用领域和目的;提出了一种采用公差限值进行科学化、逻辑化选值的研究路径。在大量国内外调研工作的基础上,总结了目前国际上通行的确定建筑公差的经验分析方法,并提出了我国在工业化建筑的标准化协同工作中建立部品与构配件公差体系的原则和建议。


2 面向制造业的部品与构配件高性能产品技术体系


建筑工业化的快速发展,人民生活水平的不断提高,对于高品质、高性能部品和构配件的需求也日益提升,需要加快推动高性能产品技术体系的更新和发展。因此,项目对关键部品与构配件的性能提升和集成应用等内容进行了深入研究,其中包括外围护系统、内装系统及设备管线系统等。目前高性能部品与构配件技术体系的搭建工作已基本完成,并同时给出了高性能部品与构配件的评价方法。在高性能产品体系中,所提出的高性能部品与构配件包括高性能、高集成化的厨房、卫生间,高性能隔墙体系等。主要产品包括预制混凝土夹芯保温墙板的低能耗桁架连接件、露骨料SP板等研究成果。


2.1 预制混凝土夹芯保温墙板低能耗桁架连接件

预制混凝土夹芯保温墙板在工业发达国家已有多年的应用历史和经验积累,其中夹芯保温墙板内外叶墙板之间的连接件是一项关键技术[4]。该产品与夹芯保温墙板的质量安全紧密相关。目前在世界各国得到广泛采用的连接件所使用的材料基本是不锈钢和纤维增强高分子聚合物两种,且基本上都是专利产品。为了保证夹芯保温墙板的安全使用,该项研究与相关专利产品生产厂家合作,对不锈钢连接件的应用技术进行了全面的梳理,完成了相关产品的应用技术手册编制,为保障产品的正确使用,提供了技术支撑。针对佩克PD型桁架连接件,进行了拉剪模型的试验研究。该项研究指出,夹芯保温墙板内外叶墙板间的桁架连接件是工业化建筑的一个重要的高性能配件,它在外墙板自重和风吸力作用下,处于拉剪受力状态。试验结果证明,该类桁架连接件的拉剪承载力满足设计要求,并具备一定的安全储备。


2.2 露骨料SP墙板在全装配工业厂房中的应用

SP板是美国SPANCRETE机械制造公司的挤压机生产的预应力空心板,在我国已有多年的应用,大多数是用作建筑物的楼板、屋面板以及构筑物盖板和桥梁桥面板,用作墙板的案例很少[5]。建筑对外墙板的饰面要求比较高,且需具有可靠的防水、防腐、防火等功能要求,该项研究采用SP板本身露骨料的工艺,呈现外装饰效果,并在国内新型的全装配工业厂房项目中首次使用,取得了良好的效果。露骨料SP墙板不仅可用于混凝土结构,也可用于钢结构,为装配式建筑的新型外围护体系制造提供了崭新的建造方案。


3 标准化、系列化建筑部品构配件的生产制造技术


建筑工业化的快速发展对预制构件和内装部品的生产制造技术提出了更高的要求,产品数据和制造流程的信息化已经成为保障质量、提高效率的重要手段。模块化、系列化、标准化部品与构配件制造技术是研究重点。有关模数协调准则的研究成果可为建筑部品与构配件形成模块化、系列化、标准化产品奠定理论基础,在此基础上需要进一步解决通用建筑部品与构配件的全过程数字化加工生产、一体化成型、产品管理控制、标准化生产等制造技术问题。


近些年,以BIM技术为代表的信息化技术体系得到了建筑行业的广泛关注。BIM不仅是建筑三维模型,更是可拓展至多维度的技术体系,为工业化建筑中多方参与实现全生命周期的有效管理提供了良好的协作机制。


针对工业化建筑中标准化的混凝土预制构件、集成卫浴、集成厨房和内隔墙等四类产品系统,旨在探索利用现代化的信息技术手段,对上述四类产品系统的生产制造过程中的产品数据、信息传递、数据转换、控制管理等环节进行研究和改进,从而提升生产效率,促进产业升级。通过调查研究发现:工业化建筑领域中针对预制构件已有一些较为成熟的信息化工具,但全面整合所有建筑部品和构配件的软件体系依然缺乏。基于当前工业化建筑部品和构配件生产制造技术现状和发展趋势,研究提出了一种集成上述四类产品的部品库体系、设计和制造环节的智能制造信息平台技术框架。该平台主要特征体现在:集成整合混凝土预制构件、集成卫浴、集成厨房和内隔墙四类工业化建筑组件的库-设计-制造流程;依托云端BIM后台进行项目可视化及模型操控;采用拓展的pXML语言格式作为设计模型到生产制造的数据载体,生产部门对制造数据进行提取、解读、转换,后续对接生产线管理系统进行产品生产,并将进度、物流等信息反馈给平台进行集成展示和进度管控。


4 个性化建筑部品与构配件材料及制造技术


工业化建筑部品与构配件的标准化,为通用部品与构配件的工业化大规模生产、实现建筑的工业化打下了基础。与此同时,为了满足建筑的美学要求,丰富建筑物的立面及造型,个性化的建筑部品与构配件也是不可或缺的。


复杂造型混凝土建筑部品与装饰构配件的柔性制造技术研究,着力解决复杂造型的个性化建筑部品与构配件的精细、高效、智能的现代化生产制造关键技术。其中重点在于研究各种3D打印材料及其打印技术和工艺,以及各种高性能装饰混凝土、多功能饰面纳米涂层材料等等,以实现复杂造型混凝土装饰配件的柔性化、智能化制造。这些研究工作,均具有一定的前瞻性和较高的科技含量。主要内容包括有关3D打印以及新型外墙板的研究成果。


4.1 混凝土打印成型建模技术

混凝土3D打印凭借无模施工、节省人力、节材环保等优势,吸引了越来越多的关注,并得到了快速发展[6]。混凝土3D打印技术的关键环节包括材料的制备、打印参数的确定以及3D打印混凝土硬化性能的形成。该项研究基于目前公开的研究成果,针对混凝土3D打印技术材料的可打印性能与材料组成、打印参数与过程控制以及3D打印混凝土硬化性能等方面进行了总结与探讨,为混凝土3D打印工程实践提供了有价值的参考。


混凝土3D打印与其他材料工业产品的打印具有较大区别,有着自身的独特性;特别是在打印模型建模方面。本项研究结合打印混凝土材料的性能,以及打印工艺参数,研究了混凝土打印工艺参数与成型质量之间的关系及其规律。同时采用模型优化混凝土3D打印技术,结合打印混凝土材料性能及打印工艺参数来进行。在混凝土打印工艺参数与成型质量间关系规律的基础上,提出了适用于混凝土打印成型的建模方法。


4.2 轻钢龙骨混凝土组合墙板抗弯性能研究

通过标准墙板试件的四点弯曲加载试验,研究了轻钢龙骨混凝土组合墙板(SC墙板)的抗弯性能以及竖向龙骨间距对墙板抗弯性能的影响。试验结果表明:墙板的抗弯破坏形态均以竖向龙骨屈曲破坏为主,承载力由正常使用极限状态控制,竖向龙骨间距对SC墙板的承载力有较大的影响。同时还采用了ABAQUS软件建立了SC墙板的有限元模型,对比试验结果验证了模型的可靠性,并在此基础上对SC墙板的抗弯性能进行了参数分析。分析结果表明:龙骨厚度及腹板高度、保温材料类型、空气层以及剪力钉的间距对SC墙板的抗弯强度均有较为明显的影响。取消空气层可大幅提高墙板的抗弯承载力;而采用泡沫混凝土作为保温材料可以有效地限制竖向龙骨的变形,提高墙板的抗弯承载力和耗能能力。


5 钢结构构件的精细、高效、智能化的现代生产制造技术


钢结构建筑是工业化建筑的重要类型,已经得到越来越广泛的使用。近年来,我国也在大力推动钢结构的使用。但目前工业化建筑钢结构构件制造企业大部分仍在使用手工焊、半自动焊技术,智能化程度低,导致生产效率低、焊缝质量不高,制造技术亟待升级。现代工业化钢结构建筑需要尽快建立钢结构构件智能化制造在线质量控制体系,应用智能化、信息化技术手段[7],实现其技术升级,从根本上改善我国钢结构构件加工制作的工艺水平,促进钢结构行业的技术进步,提高生产效率,降低人工成本和劳动强度。主要内容包括U肋焊接工艺、钢结构焊接机器人、金属焊丝方面的研究成果。


5.1 基于U肋内焊技术的全熔透焊接工艺

目前越来越多的正交异性钢箱梁正向着采用U肋全熔透、U肋内焊等方向发展。虽然一般设计熔透要求为U肋板厚的75%~80%,但U肋内焊、全熔透必定是以后发展的趋势。本次研究以内焊为前提,对U肋试件进行全熔透焊接,并研究了在不同电流范围内,焊接参数对U肋角焊缝的影响,通过观察焊缝成型,对比不同试验件的焊缝金属拉伸、宏观金相、硬度等特性,逐渐调节焊接参数,最终得到适合于U肋全熔透焊接的工艺参数。


5.2 建筑钢结构焊接机器人应用技术

工业化建筑对构件质量要求高,在钢结构行业推广应用机器人焊接技术是大势所趋。而采用机器人焊接技术与在线质量控制技术相结合,能够解决生产效率、构件与节点质量等难题,整体提升我国钢结构构件制造行业的技术水平。研究表明:标准化设计能够大幅度地提高焊接机器人的焊接效率和质量;同时焊接机器人的角焊缝焊接技术比较成熟,一次性焊接成形的焊接接头也易获成功;焊接机器人在厚板对接焊缝焊接时有一定难度,因此对装配精度要求较高,装配间隙偏差较大时易出现不合格焊缝:焊接机器人数据库需要充实,其后期的研究工作量仍然十分巨大。


5.3 高性能结构钢Q460GJC机器人焊接用金属粉芯焊丝

在钢结构行业推广应用机器人焊接技术是大势所趋,而任何技术的革命首先是材料的革命。因此该项研究针对建筑用高性能结构钢Q460GJC焊接的要求,研究了适合机器人焊接的金属粉芯焊丝。试验研究结果表明,该焊丝具有优良的送丝稳定性,且焊后无需清理。焊丝熔敷金属由针状铁素体和贝氏体形成,拉伸断口由均匀的韧窝组成,冲击断口呈准解理断裂特征,适用于重要建筑钢结构中Q460GJC钢的机器人焊接。


6 结束语


“工业建筑部品与构件制造关键技术及示范”是国家重点研发计划“绿色建筑及建筑工业化”重点专项中唯一一个以工业化建筑全系统产品制造技术为主要研究内容的项目。从项目实施成效来看,项目预设的研究路径和目标基本实现,在建立建筑业与部品、构配件制造业之间的协调关系方面已经取得一定成果,在部品和构配件材料与产品研制、制造技术提升等方面实现了原创性或集成性创新。项目取得的成果将直接为我国工业化建筑的推广和应用提供有效技术支撑。


参考文献

[1] 王华彬. 建筑模数数列的探讨[J].建筑学报,1961(10):7-12.


[2] 周晓红,林琳,仲继寿,等. 现代建筑模数理论的发展与应用[J].建筑学报,2012(4):27-30.


[3] 李晓明,赵丰东,李禄荣,等. 模数协调与工业化住宅建筑[J].住宅产业,2009(12):83-85.


[4] 江焕芝. 基于钢-纤维复合连接件的预制混凝土夹芯保温墙板性能研究[D].南京:东南大学,2019.


[5] 金松. SP预应力空心板在钢结构厂房围护结构中的应用研究[J]. 工程建设,2006(4):18-21.


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