張全昌，陳 燁，穆鵬雪，安良梅，于海鵬

（1. 青島中科坤泰裝配建筑科技有限公司，山東青島 266603；2. 青島中科坤泰智能建造研究院，山東青島 266520）

1 引言

隨著工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展以及建筑業(yè)的加速轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)高能耗、勞動(dòng)力密集、生產(chǎn)技術(shù)低下、生產(chǎn)成本高、污染嚴(yán)重的粗放式建筑施工方式將被高質(zhì)量、低能耗、綠色可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代化建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式所取代，而裝配式建筑正是現(xiàn)代化建筑的重要組成部分[1-2]。

隨著裝配式技術(shù)的不斷發(fā)展和國(guó)家政策的持續(xù)性鼓勵(lì)[3-4]，作為地鐵的重要組成部分——地鐵車站，也開啟了裝配式建造的征程。自2021年長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線開始建設(shè)裝配式車站至今，國(guó)內(nèi)已有長(zhǎng)春、北京、濟(jì)南、上海、廣州、哈爾濱、深圳、無錫、青島9個(gè)城市40座地鐵車站從不同角度開展了裝配式車站建造技術(shù)的研究和應(yīng)用工作[5-7]。相比于傳統(tǒng)現(xiàn)澆地鐵車站，裝配式車站不但具有高效率、高精度、質(zhì)量可控、工期短等優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)綠色可持續(xù)發(fā)展有著積極的意義。1座標(biāo)準(zhǔn)全方位裝配式車站可減少用工80%，節(jié)約鋼材800 t、木材800 m3，減少建筑垃圾60%，減少碳排放20%，縮短裝配現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間約70%，節(jié)省工時(shí)4～6個(gè)月，對(duì)碳達(dá)峰、碳中和有著直接貢獻(xiàn)作用，同時(shí)也助推著地鐵建造技術(shù)的迭代升級(jí)和快速發(fā)展[8-9]。

本文探究了青島地鐵6號(hào)線裝配式車站預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)、質(zhì)量控制要點(diǎn)，可為后期裝配式車站預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、施工提供一定的技術(shù)參考。

2 工程概況

青島市地鐵6號(hào)線位于青島市西海岸新區(qū)，一期線路全長(zhǎng)30.8 km，全部為地下線路，共設(shè)車站21座，其中6座為裝配式車站，建成后將成為貫穿西海岸新區(qū)中心城區(qū)的骨干線，是地鐵建設(shè)及沿線開發(fā)建設(shè)重點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目之一。目前，6座裝配式車站主體均已順利拼裝完成，裝配構(gòu)件共計(jì)434環(huán)，拼裝總重量達(dá)12 萬t，累計(jì)應(yīng)用面積達(dá)46 918 m2。

裝配式車站設(shè)計(jì)為上下2層，主體結(jié)構(gòu)全部采用構(gòu)件拼接，每環(huán)寬度2 m，由7塊預(yù)制構(gòu)件組成（構(gòu)件編號(hào)分別為：A、B、C、D、E、F、G），其中生產(chǎn)難度最高的底板A塊，長(zhǎng)度超過20 m，重達(dá)113 t。車站主體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 裝配式車站主體結(jié)構(gòu)示意

圖2 裝配式車站主體結(jié)構(gòu)拼裝

3 難點(diǎn)分析

該項(xiàng)目工期緊張，涉及的預(yù)制構(gòu)件尺寸大、質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件制作、安裝、拼接精度極高，同時(shí)需防止溫度裂縫與貫穿裂縫的產(chǎn)生。預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制對(duì)后期裝配式車站的拼裝效率、拼裝質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。

整個(gè)生產(chǎn)工藝過程中主要的技術(shù)難點(diǎn)有：

（1）大型、異形模具的設(shè)計(jì)精度及穩(wěn)定性的控制；

（2）C50P10早強(qiáng)高性能混凝土的研究；

（3）超大異形預(yù)制構(gòu)件的動(dòng)態(tài)養(yǎng)護(hù)措施；

（4）預(yù)制底板A塊的翻轉(zhuǎn)；

（5）預(yù)制構(gòu)件吊裝、運(yùn)輸。

針對(duì)以上難點(diǎn)，結(jié)合工程中的預(yù)制構(gòu)件特點(diǎn)，詳細(xì)研究并制定了各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的專項(xiàng)方案，從而確保了預(yù)制構(gòu)件各項(xiàng)技術(shù)質(zhì)量的達(dá)標(biāo)。

4 生產(chǎn)難點(diǎn)與質(zhì)量控制

4.1 模具

模具是保證構(gòu)件制作精度的關(guān)鍵，項(xiàng)目從模具的設(shè)計(jì)、加工制造、安裝、運(yùn)行環(huán)節(jié)，全方位閉環(huán)控制，保證預(yù)制構(gòu)件的制造精度。

4.1.1 模具設(shè)計(jì)、加工精度控制

項(xiàng)目模具最大長(zhǎng)度達(dá)到20余m，且為弧形異形模板，大型鋼模具在加工過程中容易因?yàn)闅堄鄳?yīng)力引起變形，同時(shí)降低鋼板的實(shí)際強(qiáng)度和疲勞極限，造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂。因此，降低和消除鋼模板的殘余應(yīng)力是模具質(zhì)量控制中的必要工作。為解決以上問題，主要采取以下措施。

（1）優(yōu)選Q355優(yōu)質(zhì)鋼材，設(shè)計(jì)、加工組合支撐鋼架，保證模具整體剛度和穩(wěn)定性。

（2）激光切割精準(zhǔn)下料，定制模具粗加工后的應(yīng)力釋放專項(xiàng)方案，采用熱時(shí)效工藝，將鋼板由室溫緩慢、均勻地加熱至550 ℃左右，保溫4～8 h，再嚴(yán)格控制降溫速度至150 ℃以下出爐。

（3）采用人工測(cè)量與激光測(cè)距結(jié)合方式，檢測(cè)大型預(yù)制構(gòu)件的制作精度（生產(chǎn)前測(cè)量，即在合模完成后，利用激光測(cè)距對(duì)模具長(zhǎng)、寬進(jìn)行測(cè)量，保證合模尺寸精度；生產(chǎn)后測(cè)量，即在開模起吊后利用人工對(duì)成品構(gòu)件進(jìn)行測(cè)量，保證質(zhì)量合格）。

4.1.2 模具安裝、運(yùn)行精度和穩(wěn)定性控制

（1）首創(chuàng)伺服電機(jī)作為模具開合的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)合位置傳感器實(shí)現(xiàn)模具自動(dòng)行駛、精準(zhǔn)定位、自動(dòng)開合，精度達(dá)到±1 mm，確保模具10 min內(nèi)完成自動(dòng)開合。

（2）結(jié)合建筑信息模型（BIM）技術(shù)進(jìn)行模具運(yùn)行仿真模擬并建立數(shù)字化模型，安裝和生產(chǎn)過程智能協(xié)同。模擬真實(shí)運(yùn)行情況下的受力狀態(tài)，保證模具剛度，避免變形，確保構(gòu)件精準(zhǔn)成型，如圖3所示。

圖3 模具運(yùn)行仿真建模和同步受力分析

（3）設(shè)置伺服電機(jī)頂緊裝置、對(duì)拉套鎖等措施，給模具提供一定的預(yù)壓力，精準(zhǔn)控制模具由于混凝土的側(cè)壓力而產(chǎn)生的變形，實(shí)現(xiàn)模具生產(chǎn)穩(wěn)定性控制，如圖4所示。

圖4 模具頂緊裝置和對(duì)拉套示意圖

4.2 C50P10 早強(qiáng)高性能混凝土的研究

4.2.1 早強(qiáng)高性能混凝土的難點(diǎn)分析

本項(xiàng)目預(yù)制構(gòu)件的特點(diǎn)是：①早期強(qiáng)度較快速增長(zhǎng)，要求6～10 h拆模（≥10 MPa），24～36 h吊裝（≥37.5 MPa）；②幾何尺寸大，底板長(zhǎng)20.5 m，寬2 m，端部厚2.3 m，中部厚1 m；③力學(xué)、抗?jié)B等級(jí)要求高，除中板外，所有預(yù)制構(gòu)件都將采用C50P10的高性能混凝土。傳統(tǒng)大體積混凝土構(gòu)件預(yù)制工藝易導(dǎo)致水泥水化熱在結(jié)構(gòu)內(nèi)部集聚并難以擴(kuò)散，從而引起大體積混凝土出現(xiàn)裂縫，影響構(gòu)件的整體性和耐久性。因此，本項(xiàng)目中大體積混凝土的早強(qiáng)和抗裂的矛盾分析是重點(diǎn)研究工作之一。需要一種既滿足混凝土的強(qiáng)度、整體性、和易性以及耐久性等要求，又能夠較好控制溫度應(yīng)力、解決裂縫問題的大體積混凝土構(gòu)件的高效制備工藝。

4.2.2 原材料優(yōu)選

（1）優(yōu)選水化熱較低的膠凝材料體系（P·O 42.5級(jí)水泥、F類Ⅱ級(jí)粉煤灰、S95級(jí)礦渣粉）、低堿活性的優(yōu)質(zhì)粗細(xì)骨料，提高流動(dòng)性，降低混凝土收縮量，降低膠凝材料體系水化熱。

（2）自研裝配式構(gòu)件專用早強(qiáng)型聚羧酸減水劑，解決減水劑帶來的緩凝作用和引氣性，加速誘導(dǎo)水泥水化過程和結(jié)晶成核，快速增強(qiáng)早期強(qiáng)度，提高耐久性和抗?jié)B性。

4.2.3 配合比及工作性能試驗(yàn)

（1）配合比設(shè)計(jì)。根據(jù)對(duì)C50P10早強(qiáng)高性能混凝土配合比的多次試驗(yàn)分析[10-11]，在滿足工作性能、力學(xué)性能等要求的情況下，最終優(yōu)選出配合比方案見表1。

表1 C50P10預(yù)制構(gòu)件混凝土配合比 kg/m3

（2）拌合物基本性能。每車混凝土自生產(chǎn)到澆筑結(jié)束大約需要1 h，所以，試驗(yàn)測(cè)試了混凝土拌合物初始、1 h的坍落度和擴(kuò)展度及混凝土凝結(jié)時(shí)間等，以保證新拌混凝土在整個(gè)澆筑過程中均能滿足使用要求，混凝土拌合物性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 混凝土拌合物基本性能

（3）力學(xué)性能。通過對(duì)配合比試拌、成型后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及溫度匹配養(yǎng)護(hù)，試壓各齡期試件強(qiáng)度，預(yù)制構(gòu)件混凝土力學(xué)性能均符合設(shè)計(jì)要求。具體力學(xué)性能如圖 5～圖8所示。

由圖5和圖6可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土試件3天抗壓強(qiáng)度37.9 MPa（75.8%），7天抗壓強(qiáng)度48.7 MPa（97.4%），28天抗壓強(qiáng)度59.6 MPa（120%），56天抗壓強(qiáng)度64.3 MPa（128.6%），混凝土力學(xué)性能符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

圖5 標(biāo)養(yǎng)混凝土試件各齡期抗壓強(qiáng)度

圖6 標(biāo)養(yǎng)混凝土試件各齡期劈裂抗拉強(qiáng)度

由圖7和圖8可知，在溫度匹配養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土6 h抗壓強(qiáng)度10.8 MPa（21.6%），1天抗壓強(qiáng)度40.9 MPa（81.8%），3天抗壓強(qiáng)度53.4 MPa（106.8%），7天抗壓強(qiáng)度55.2 MPa（110.4%），28天抗壓強(qiáng)度60.3 MPa（120.6%），56天抗壓強(qiáng)度63.9 MPa（127.8%），混凝土力學(xué)性能符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求[12]。同時(shí)滿足早期強(qiáng)度快速增長(zhǎng)并實(shí)現(xiàn)6～10 h拆除側(cè)模（≥10 MPa），24 ～36 h起吊存放的要求（≥37.5 MPa）。

圖7 溫度匹配混凝土試件各齡期抗壓強(qiáng)度

圖8 溫度匹配混凝土試件各齡期劈裂抗拉強(qiáng)度

4.3 超大型預(yù)制構(gòu)件的動(dòng)態(tài)養(yǎng)護(hù)

4.3.1 蒸汽養(yǎng)護(hù)

采用全自動(dòng)智能蒸汽養(yǎng)護(hù)設(shè)備，準(zhǔn)確控制溫度和時(shí)間，加速混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展[13]，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件盡快脫模，加速流水化進(jìn)程，提高生產(chǎn)效率，蒸汽養(yǎng)護(hù)制度如表3所示。

表3 地鐵預(yù)制構(gòu)件蒸養(yǎng)制度

4.3.2 保溫、保濕養(yǎng)護(hù)

超大、異形混凝土預(yù)制構(gòu)件在蒸汽養(yǎng)護(hù)、拆除側(cè)模工作完成后，水化溫升還遠(yuǎn)未達(dá)到峰值，混凝土構(gòu)件內(nèi)、外溫度仍持續(xù)上升，因此需采取保溫、保濕處理，使預(yù)制構(gòu)件先升溫再逐步降溫，以防止溫度裂縫的產(chǎn)生。養(yǎng)護(hù)時(shí)間按照混凝土構(gòu)件內(nèi)、外溫度進(jìn)行調(diào)整，一般總時(shí)長(zhǎng)不少于5天。在保溫、保濕養(yǎng)護(hù)期間，對(duì)混凝土進(jìn)行不同材料多層覆蓋，覆蓋層如圖9～圖10所示，有效減少混凝土構(gòu)件上表層水分散失的同時(shí)，防止混凝土表層溫度快速下降，避免構(gòu)件內(nèi)、外產(chǎn)生較大溫差。

圖9 保溫、保濕覆蓋層示意圖

圖10 車站底板A塊保溫、保濕養(yǎng)護(hù)圖

4.3.3 自然保濕養(yǎng)護(hù)

待構(gòu)件溫度降至與環(huán)境溫度差小于20 ℃后，去除構(gòu)件覆蓋物（塑料布、厚棉被），噴淋灑水進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)。當(dāng)環(huán)境溫度低于5 ℃時(shí)，采取噴涂養(yǎng)護(hù)劑的措施進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)。

4.3.4 溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

結(jié)合溫度傳感、數(shù)字采集等方式實(shí)現(xiàn)混凝土芯部、表層、環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過信息采集、數(shù)字化監(jiān)控實(shí)現(xiàn)全流程監(jiān)控養(yǎng)護(hù)，保證構(gòu)件內(nèi)、外溫差低于20 ℃，養(yǎng)護(hù)濕度維持在95%以上，避免溫度裂縫產(chǎn)生[14-15]。預(yù)制構(gòu)件內(nèi)、外溫度實(shí)測(cè)值如圖11所示。

圖11 預(yù)制底板A塊端部?jī)?nèi)、外溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

4.4 預(yù)制底板 A 塊翻轉(zhuǎn)

為實(shí)現(xiàn)重達(dá)113 t的車站預(yù)制底板A塊180° 翻轉(zhuǎn)，研發(fā)出可實(shí)現(xiàn)最大翻轉(zhuǎn)130 t的超大異形裝配式構(gòu)件智能翻轉(zhuǎn)設(shè)備，此設(shè)備可滿足大跨、異形、超重預(yù)制構(gòu)件在0°～180°的翻轉(zhuǎn)需求，具有極高的先進(jìn)性、可靠性。

基于底板A塊的造型結(jié)構(gòu)及翻轉(zhuǎn)需求，設(shè)計(jì)研發(fā)的多組液壓油缸翻轉(zhuǎn)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)裝配式車站底板A塊0°～180°正向、逆向任意角度翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)設(shè)備主要由固定翻轉(zhuǎn)架基座、L形翻轉(zhuǎn)支撐架、電氣設(shè)備、液壓油泵裝置、傳動(dòng)裝置、從動(dòng)裝置、管路、閥路、傳感器等組成，整體方案主要采用液壓油缸傳動(dòng)，L形翻轉(zhuǎn)支撐架采用從動(dòng)方式進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)流程如下：

第1步，將底板A塊吊裝放置在L形翻轉(zhuǎn)支撐架上；

第2步，啟動(dòng)液壓油泵，在預(yù)制構(gòu)件翻轉(zhuǎn)0～90°時(shí)，上側(cè)6個(gè)連接液壓油缸向下收縮進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，液壓系統(tǒng)采用流量控制式同步回路，保證油缸與預(yù)制構(gòu)件同步行走、均勻受力；

第3步，在預(yù)制構(gòu)件翻轉(zhuǎn)至90～180°時(shí)，下側(cè)6 個(gè)連接液壓油缸開始向上支撐，L形翻轉(zhuǎn)支撐架配合傳動(dòng)裝置使預(yù)制構(gòu)件翻轉(zhuǎn)至180°，完成預(yù)制構(gòu)件的翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)示意如圖12、圖13所示。

圖12 預(yù)制底板A塊翻轉(zhuǎn)示意圖（單位：mm）

圖13 預(yù)制底板A塊翻轉(zhuǎn)實(shí)圖

圖14 預(yù)制底板A塊正反面吊點(diǎn)設(shè)置示意

4.5 吊裝、運(yùn)輸

對(duì)于超長(zhǎng)、超大的異形混凝土預(yù)制構(gòu)件的吊裝、運(yùn)輸一直以來都有一定的難度，而對(duì)于此次地鐵車站預(yù)制構(gòu)件而言主要有以下難點(diǎn)：

（1）體積超大，重量超重，如何平穩(wěn)、安全無破損吊裝；

（2）超長(zhǎng)異形構(gòu)件吊點(diǎn)數(shù)量、規(guī)格、位置的確定；

（3）超長(zhǎng)異形構(gòu)件車輛的選擇；

（4）運(yùn)輸車輛支撐架、支點(diǎn)數(shù)量、位置的設(shè)計(jì)；

（5）150 km長(zhǎng)距離運(yùn)輸路途顛簸。

以上多種因素大幅增加了預(yù)制構(gòu)件在吊裝、運(yùn)輸過程中因受力集中出現(xiàn)較大面積破損和因受力不均衡而產(chǎn)生貫穿性裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

4.5.1 吊裝

底板A塊長(zhǎng)度達(dá)到20.5 m，自重達(dá)113 t，常規(guī)的吊裝方式難以實(shí)現(xiàn)其吊裝任務(wù)。為保證底板A塊的吊裝平穩(wěn)、安全，利用數(shù)學(xué)模型對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行受力分析，最終決定正反兩面各設(shè)置4組共計(jì)8個(gè)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)可滿足32 t的承載力，并利用2臺(tái)承載力為120 t同頻運(yùn)行的大型行車進(jìn)行吊裝，底板A塊吊裝吊點(diǎn)設(shè)置如圖 14所示。

4.5.2 運(yùn)輸

（1）運(yùn)輸前準(zhǔn)備。依據(jù)預(yù)制構(gòu)件尺寸，定制加長(zhǎng)掛車；根據(jù)構(gòu)件類形、尺寸進(jìn)行受力計(jì)算，制作構(gòu)件運(yùn)輸支撐架等，底板A塊運(yùn)輸支撐架及支點(diǎn)位置如圖15所示；申請(qǐng)專門路線，規(guī)避橋洞、大坡、急轉(zhuǎn)彎、過窄等路線。

圖15 預(yù)制底板A塊支撐架示意

（2）注意事項(xiàng)。運(yùn)輸支撐架受力位置放置10 cm厚高強(qiáng)橡膠墊塊；預(yù)制構(gòu)件與運(yùn)輸支撐架受力位置貼合，用鋼絲繩將預(yù)制構(gòu)件與車體固定，所有受力接觸點(diǎn)設(shè)置橡膠墊塊、角鋼進(jìn)行隔離、保護(hù)；車輛運(yùn)輸過程平穩(wěn)行駛，盡量避免緊急制動(dòng)情況。

5 總結(jié)

（1）采取激光切割、有限元模擬、自動(dòng)控制系統(tǒng)等方法能有效控制大型、異形模具的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，且滿足生產(chǎn)過程和車站拼裝過程的高精度要求。

（2）優(yōu)選早強(qiáng)高性能混凝土配合比、制定大型預(yù)制構(gòu)件保溫保濕養(yǎng)護(hù)方案、監(jiān)測(cè)實(shí)體構(gòu)件水化溫升等措施不僅滿足混凝土施工性能和各齡期力學(xué)性能要求，且能有效避免大型預(yù)制構(gòu)件溫度裂縫的產(chǎn)生。

（3）通過設(shè)計(jì)吊點(diǎn)位置、同頻行車、運(yùn)輸支撐架、申請(qǐng)專門輸送路線等措施，能有效減小預(yù)制構(gòu)件在吊裝、運(yùn)輸過程中因受力集中出現(xiàn)較大面積破損和因受力不均衡而產(chǎn)生貫穿性裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）我國(guó)裝配式車站建造技術(shù)起步時(shí)間較晚，但是發(fā)展勢(shì)頭迅猛，車站預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)正逐步向設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工業(yè)化、施工自動(dòng)化、控制精準(zhǔn)化的生產(chǎn)理念和生產(chǎn)模式邁進(jìn)。

（5）“適用、經(jīng)濟(jì)、安全、綠色、美觀”成為現(xiàn)代建筑的指導(dǎo)方針，因此推進(jìn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，大力發(fā)展現(xiàn)代化建筑是未來建筑業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。