馬江平，張 偉

（華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

建筑業(yè)作為國家經(jīng)濟發(fā)展的主要支柱性行業(yè)，其穩(wěn)步持續(xù)發(fā)展對整個國家的進步至關(guān)重要［1］。根據(jù)《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》的內(nèi)容，在十四五期間，基礎(chǔ)建設(shè)仍為重要建設(shè)內(nèi)容之一。隨著“碳達(dá)峰”“碳中和”被首次寫入政府工作報告，“綠色”“生態(tài)”也成為“十四五”規(guī)劃的關(guān)鍵詞，建筑行業(yè)是全國碳排放量最高的行業(yè)，是實現(xiàn)低碳節(jié)能的關(guān)鍵領(lǐng)域。近些年，裝配式建筑以其綠色、節(jié)能、高效率等優(yōu)點，開始在全國范圍內(nèi)推廣，大力發(fā)展裝配式建筑逐漸成為我國建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級之路。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆式施工方式相比，裝配式建筑的一大優(yōu)勢在于進度快，如“三天一層樓”的建設(shè)速度，但較于裝配式建筑發(fā)展來說，仍存在一些問題，如裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)吊裝定位難、安裝精確度低等問題，不僅影響建設(shè)速度，質(zhì)量也難以達(dá)標(biāo)。因此須采用新型的施工方法，有效改進裝配式建筑施工存在問題，推動裝配式建筑質(zhì)量、進度雙達(dá)標(biāo)。

1 裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)及類型

“裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)”屬于“裝配式混凝土結(jié)構(gòu)”的一種，其主要受力構(gòu)件剪力墻、梁、板部分或全部都是預(yù)制混凝土構(gòu)件，工廠預(yù)制，現(xiàn)場安裝。與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆的剪力墻相比，預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)不僅滿足建筑業(yè)節(jié)能減排等發(fā)展要求，在縮短工期等方面也展示出極大的優(yōu)勢。預(yù)制墻板主要類型如表 1 所示。

表1 預(yù)制墻板類型

由表 1 可知，預(yù)制墻板主要分為 4 類，全部或部分預(yù)制剪力墻、雙面疊合混凝土剪力墻、內(nèi)澆外掛式剪力墻、非承重內(nèi)墻隔板。其中全部或部分預(yù)制剪力墻通過豎縫后澆混凝土、水平縫套筒連接來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體性；雙面疊合混凝土剪力墻，按厚度方向分為 3 層，內(nèi)外兩側(cè)預(yù)制，并通過桁架鋼筋連接，中間層后澆混凝土；內(nèi)澆外掛剪力墻由預(yù)制的混凝土外模板和現(xiàn)澆部分組成，其抗震性以及外墻防水較好。內(nèi)隔墻板采用輕質(zhì)材料制作而成，自重較輕且承載力好，同時其具有強度較高、隔熱、防水等性能，可鋸、可刨、可鉆，符合建筑的多樣性要求［2］。

2 裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)施工流程

對于裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻的安裝流程應(yīng)有序地進行（見圖 1），首先準(zhǔn)備好吊裝工具至相應(yīng)的施工位置，如吊梁、斜支撐、鋼筋定位框、導(dǎo)向繩等；準(zhǔn)備好吊裝工具后，應(yīng)當(dāng)基于建筑物軸線對要安裝的預(yù)制構(gòu)件的控制線、水平高線與水平標(biāo)高控制線等進行分析并測量彈出，同時在施工中需要選擇合理的直角坐標(biāo)系，建立一套平面控制網(wǎng)，對控制網(wǎng)進行測控處理；測量放線結(jié)束后，檢查墻體預(yù)留鋼筋，看其是否存在偏差問題，檢查過程中并將殘留浮漿全部清理干凈；在墻板吊裝就位之前，還需要對預(yù)制墻板標(biāo)高與找平位置進行調(diào)整，利用水準(zhǔn)儀測量并放置標(biāo)高控制塊；墻板吊裝就位，待墻板吊運過來時，施工人員通過牽引繩將墻板引至安裝位置上 500 mm 處，同時施工人員扶住墻體以減少墻體晃動，墻體緩慢下降，離預(yù)留鋼筋 50 mm 處，用反光鏡檢查鋼筋與鋼筋套筒的位置是否完全對應(yīng)，確認(rèn)預(yù)留鋼筋與鋼筋套筒的位置吻合后，放下墻體，至墻體著力于基座為止；預(yù)制剪力墻就位后安裝斜支撐，并通過斜支撐對預(yù)制剪力墻進行垂直度校正，達(dá)到設(shè)計要求后，固定斜支撐；在預(yù)制墻體吊裝到位后，進行套筒灌漿，之后對預(yù)制剪力墻豎向縫進行現(xiàn)澆，剪力墻吊裝完成。

圖1 裝配式剪力墻施工流程

3 節(jié)點連接方式

作為裝配式建筑的核心——節(jié)點連接技術(shù)將決定著裝配式建筑的進展程度，節(jié)點是建筑最重要的樞紐，是傳遞承載力，連接構(gòu)件結(jié)構(gòu)重要部分。節(jié)點類型的選擇與設(shè)計決定了建筑的最終成果，其中節(jié)點的傳遞作用尤為重要，不同的節(jié)點設(shè)計存在其優(yōu)點但也存在其不足，因此需要針對不同的情況采用不同的節(jié)點連接方式，裝配式建筑的連接方式可分為濕式連接和干式連接。

3.1 濕式連接

濕式連接技術(shù)是指在工廠生產(chǎn)建筑構(gòu)件運至施工現(xiàn)場安裝，并在建筑構(gòu)件的節(jié)點部位現(xiàn)澆混凝土以完成構(gòu)件之間的拼接，也將濕式連接技術(shù)劃分為灌漿連接技術(shù)、漿錨搭接技術(shù)以及現(xiàn)澆連接等。

1）套筒灌漿連接技術(shù)。套管灌漿連接技術(shù)是指先在套管里面插進一些帶肋的鋼筋，然后加入注漿物質(zhì)并使其緊密填充套筒，在加入的注漿物質(zhì)凝固之后，里面的鋼筋和套筒之間就通過注漿物質(zhì)聯(lián)系在一起，形成一個整體，并能一起承受外界給予的力。

2）漿錨搭接技術(shù)。漿錨搭接技術(shù)即為在生產(chǎn)過程中，在預(yù)制構(gòu)件中留設(shè)孔道，在拼裝過程中將所需搭接的鋼筋插入孔道中，進一步在孔道中灌注灌漿料以實現(xiàn)構(gòu)件之間的連接。

3）現(xiàn)澆連接。現(xiàn)澆連接是指受力鋼筋通過先張法或后張法等施工工藝施工的預(yù)制構(gòu)件運至施工現(xiàn)場再通過澆筑而成的連接方式［3］。

3.2 干式連接

1）螺栓連接技術(shù)現(xiàn)澆連接。在生產(chǎn)過程中，在預(yù)制構(gòu)件邊沿位置留設(shè)螺栓孔以及安裝孔，在安裝過程中將螺桿穿束進入相鄰構(gòu)件的螺栓孔中、安裝墊片并用螺帽擰緊。

2）焊接連接技術(shù)。焊接連接技術(shù)即為將相鄰預(yù)制構(gòu)件中的預(yù)埋件予以焊接。該技術(shù)在施工過程基本避免了濕作業(yè)，無需養(yǎng)護即可完成連接，施工時間較短、成本較低。但是焊接連接技術(shù)在抗震性能方面存在較大不足。

3.3 預(yù)制剪力墻連接方式

1）水平縫連接。豎向連接技術(shù)能夠完成豎向裝配單元間的荷載傳遞，形成水平接縫。預(yù)制剪力墻水平接縫連接方式主要包括現(xiàn)澆帶連接技術(shù)、套筒灌漿連接技術(shù)、漿錨搭接技術(shù)等。目前多采用套筒灌漿技術(shù)，套筒灌漿連接是一種性能優(yōu)良、成本低廉、施工便捷的新型鋼管結(jié)構(gòu)的連接，彌補了傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點多方面和領(lǐng)域的不足。

2）豎向縫連接。豎向縫即為兩片相鄰的墻板拼接在一起而形成的拼接縫，其在預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)具有很好的變形能力同時能夠傳遞剪力［4］。預(yù)制墻體豎向接縫多采用濕式連接的一種：后澆混凝土，預(yù)制剪力墻的預(yù)留鋼筋伸入豎直拼縫區(qū)域搭接，并增設(shè)豎向鋼筋和封閉箍筋，然后在豎直拼縫區(qū)域現(xiàn)澆混凝土。目前針對預(yù)制墻體豎向接縫采用干式連接的相關(guān)研究還較少，且已有研究多為構(gòu)造形式的初期探索，而基于裝配式復(fù)合墻體的豎向接縫干式連接受力性能的研究更鮮見報道。如黃煒等［5］提出采用螺栓連接、盒式連接和 U 形鋼板連接 3 種干式連接方式，主要應(yīng)用于低、多層裝配式復(fù)合墻體的豎向接縫連接，具有節(jié)約原材料、多道抗震防線的特點。

4 裝配式剪力墻安裝存在問題

4.1 測量放線精度不高

對于施工放線定位，借助 CAD 圖紙使用卷尺、水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等工具現(xiàn)場放樣的方式，存在較大的放樣誤差且無法保證施工精度。有些工程根據(jù)自身工程的實際情況，采用了專用模板進行現(xiàn)場檢查，其精度有所提高，但仍然存在一定的誤差。

4.2 吊裝精確度不高

裝配式建筑住宅施工工程中，預(yù)制墻板安裝時必須精確調(diào)整標(biāo)高位置，并保證外墻與樓面板垂直，不得發(fā)生傾倒或后仰，然后才能完成墻板定位、塔吊取鉤。但在實際施工過程中往往由于標(biāo)高精準(zhǔn)測量困難及垂直度測量困難等的影響，導(dǎo)致預(yù)制墻板安裝時的精調(diào)工作進度緩慢、效率低下；與此同時預(yù)制剪力墻構(gòu)件的灌漿套筒孔和下部構(gòu)件的預(yù)留墻縱筋的尺寸都較小，將預(yù)制剪力墻構(gòu)件的灌漿套筒孔套入預(yù)留墻縱筋的裝配精度要求較高，在吊裝進行裝配對接時常常遇到如下問題：

1）吊裝預(yù)制剪力墻構(gòu)件進行初步定位對接的過程費時；

2）灌漿套筒孔對接套入預(yù)留墻縱筋的過程中，人工與塔吊的配合不便且費時；

3）一旦對接不到位會壓彎或損壞預(yù)留墻縱筋，造成返工，影響施工進度。

4.3 豎縫連接方式選擇不當(dāng)

預(yù)制剪力墻板之間還需要通過豎向接縫連在一起，豎向縫要求有良好的變形能力，且能傳遞剪力墻之間的剪力，足夠的抗剪承載能力可以保證預(yù)制剪力墻構(gòu)件之間協(xié)同工作更加有效，并保持剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性。豎向縫的連接方式?jīng)Q定了剪力墻的抗剪承載力、抗震性能以及外墻防水等指標(biāo)。怎樣進行豎縫連接，需要針對不同預(yù)制剪力墻構(gòu)件和該構(gòu)件所處位置進行選擇。

5 裝配式剪力墻精確吊裝方法

5.1 墻板選擇及連接方式

1）外墻板。采用全部預(yù)制實心剪力墻，該剪力墻與傳統(tǒng)剪力墻構(gòu)造有所不同，墻體外側(cè)豎縫伸出 50 mm 厚的懸挑板，用作豎縫模板，剪力墻體之間的豎縫，采用混凝土現(xiàn)澆。用懸挑板代替后澆帶模板，大大提高了后澆帶混凝土施工效率。

對于水平縫，則可采用目前最普遍的套筒灌漿連接技術(shù)，鋼筋插入套筒，注入高強度無收縮的灌漿料。合適的高強度、無收縮的灌漿料，可以增加鋼筋與筒壁間的摩擦力與粘結(jié)力，連接成的整體可以擁有抗震，滿足建筑日常使用及耐久性和抵抗傾覆等能力［6］。

2）內(nèi)墻板。內(nèi)墻板承重墻可采用全部預(yù)制式剪力墻板，連接方式采用螺栓連接，如圖 2 所示。螺栓連接為半剛性連接，螺栓連接剪力墻，剪力墻承載力好，符合抗震設(shè)計要求。對于非承重墻，則采用輕質(zhì)內(nèi)墻隔板，輕質(zhì)內(nèi)墻隔板質(zhì)量輕、承載力好，與傳統(tǒng)的砌塊相比，施工效率更高。

圖2 內(nèi)墻板螺栓連接（單位：mm）

5.2 測量放線精確

可采用 BIM 放樣機器人，利用其快速、精準(zhǔn)、智能、操作簡便的優(yōu)勢，將 BIM 模型中的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場的精準(zhǔn)點位，通過對點位的拾取，放樣出指定的控制線和控制角點，實現(xiàn)構(gòu)件的安裝定位［7］。依據(jù)構(gòu)件深化圖紙建立三維 BIM 模型，將建立好的 BIM 模型導(dǎo)入到放樣機器人中，檢查并導(dǎo)出模型坐標(biāo)，將模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成施工坐標(biāo)，通過放樣機器人定位放樣出各個構(gòu)件安裝的控制線和控制角點，預(yù)制構(gòu)件按照放樣出的控制線和控制角點進行精準(zhǔn)安裝，從而實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的精確定位，提高構(gòu)件安裝精度與效率。

5.3 吊裝精確

為確保預(yù)制剪力墻體精確吊裝，采用相關(guān)構(gòu)件精確定位輔助工具，滿足安裝要求同時提高施工效率。

1）激光定位裝置。預(yù)制剪力墻在吊裝過程中，需確保剪力墻垂直度達(dá)到要求，目前多采用的是儀器測量、斜支撐調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)的方式過于繁瑣，且人為測量，精確度不能保證。為此采用一種激光定位裝置［8］進行垂直度檢測，配合斜支撐對預(yù)制剪力墻進行調(diào)節(jié)，如圖 3 所示。該裝置通過預(yù)制構(gòu)件上的預(yù)埋磁座與預(yù)制構(gòu)件相連接，測量前先調(diào)節(jié)激光定位裝置所發(fā)出的激光束與該裝置所在預(yù)制剪力墻面保持平行，然后根據(jù)構(gòu)件與該裝置之間的距離與激光束與剪力墻安裝控制線之間的距離進行對比判斷是否達(dá)到垂直度要求。更進一步，該激光定位裝置還可加入激光測距探頭、垂直度傳感器、無線傳輸模塊，將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收裝置，通過與預(yù)設(shè)目標(biāo)值對比，直接顯示正負(fù)差數(shù)值，便于精確調(diào)整。

圖3 激光定位裝置

2）豎直定位板。針對預(yù)制剪力墻吊裝配對困難、效率低的問題，采用一種定位輔助工具，快速吊裝定位并對接準(zhǔn)確，提升安裝效率，如圖 4 所示。該裝置包括 2 個豎直板以及 1 個水平固定板，兩豎直板之間形成 90°的陽角與剪力墻相鄰的兩豎直面構(gòu)成的陽角相對應(yīng)，水平固定板固定于樓面預(yù)制構(gòu)件安裝控制線處。該裝置可有效提升吊裝預(yù)制剪力墻構(gòu)件的裝配效率，節(jié)省工期；吊裝定位裝置可循環(huán)使用，綠色節(jié)能，適用性強［9］。

圖4 豎直定位板

6 構(gòu)件吊裝智能化探索

預(yù)制構(gòu)件安裝過程中，主要目標(biāo)是在確保質(zhì)量的情況下，最大化地提高施工效率，裝配式建筑相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆式混凝土施工，其一大優(yōu)勢在于加快了施工效率。針對目前裝配式建筑的施工方法，采用新的技術(shù)及相關(guān)輔助工具，有利于提高安裝精確度，縮短施工進度，提高施工效率。

建筑機器人產(chǎn)業(yè)在過去的近 30 年間得到了長足發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋噴涂、焊接、大型容器組裝、混凝土預(yù)制大板生產(chǎn)線、外墻飾面裝修及檢查、地面壓光及清掃等諸多領(lǐng)域，如大型玻璃構(gòu)件的輔助機械設(shè)備、人機協(xié)作的安裝墻壁石膏板的輔助裝置、玻璃壁板安裝機器人等。對于裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，研制一款預(yù)制剪力墻構(gòu)件精確就位機器人，如同人機協(xié)作安裝石膏板的輔助機械設(shè)備，通過向其下達(dá)指令配合塔吊完成預(yù)制剪力墻的安裝，將大大提高構(gòu)件安裝精確度以及施工效率。該構(gòu)件安裝機器人采用帶有可調(diào)整吸附力的真空吸盤的機械臂、視覺調(diào)整機械臂以及激光雷達(dá)，可以實現(xiàn)在塔吊協(xié)助下對預(yù)制剪力墻構(gòu)件的吸取并移到相應(yīng)安裝位置，通過視覺調(diào)整機械臂完成對構(gòu)件的精確就位，如圖 5 所示。

圖5 就位機器人

7 結(jié)語

對于裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，質(zhì)量問題主要包括構(gòu)件自身質(zhì)量問題以及安裝質(zhì)量問題。對于構(gòu)件自身質(zhì)量問題，在驗收、起吊過程中對預(yù)制剪力墻構(gòu)件的質(zhì)量和完整度進行嚴(yán)格把關(guān)，確保安裝構(gòu)件為合格產(chǎn)品；對于安裝質(zhì)量問題，本文通過對裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)施工過程存在問題進行探究，相較于以往的裝配式剪力墻施工方法，提出了更精確、更高效的安裝方法，總結(jié)如下：

1）針對于預(yù)制剪力墻，分為外墻、內(nèi)承重墻、內(nèi)非承重墻，不同墻體對于水平縫、豎直縫采用不同的連接方式；

2）采用 BIM 放線機器人，通過測量放線精確確保施工效率以及質(zhì)量；

3）通過構(gòu)件安裝精確定位輔助工具的使用，確保墻體垂直度，簡化安裝過程中一些重復(fù)繁瑣的工作；

4）關(guān)于建筑業(yè)智能化思考，針對裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，提出采用一種預(yù)制剪力墻構(gòu)件精確就位機器人，提升預(yù)制構(gòu)件吊裝精確度。 Q