装配式建筑预制构件模具设计研究及模具发展趋势

时间：2021-03-13 15:08:10 来源：建设机械技术与管理

　　装配式建筑的模具设计在整个预制构件生产环节中是至关重要的起始环节，文章对装配式建筑及模具设计、模具加工工艺进行研究，分析了国内模具设计存在的重量大、通用性差、设计标准不统一等问题，并从设计到工艺介绍了装配式建筑模具将向通用性、轻量化、标准化、智能化发展的趋势。

1、装配式建筑现状及发展趋势

　　装配式建筑是用预制构件装配而成的建筑，是基于工业化生产驱动下建筑项目的整个生产过程，是“建筑 + 制造”二者跨界融合的新模式，利用现代工业化技术，把传统建筑业与传统建筑相比，装配式建筑预制构件的组装工艺简单、施工周期较短，预制构件具有统一性，方便现场管理存放，因此装配式建筑可缩短施工周期 25% -30%，节水约 50%，木材节约 80%，减少建筑垃圾 70%，大大降低粉尘及噪音污染。

　　根据住建部统计的数据，2016 年全国新开工装配式建筑 1.14 亿㎡，同比增长 57%，占新建建筑面积的比例为 4.9%，全国新开工装配式建筑 4.2 亿㎡，同比增长45%，占新建建筑面积的比例为 13.4%，2016-2019 年，新开工建筑中，装配式建筑年均增长率为 55%。从重点区域看，2019 年重点推进地区新开装配式建筑占全国比例为 47%，装配式建筑在东部发达地区继续引领全国发展，同时其他一些地区逐渐呈规模化发展局面。在 2020 年两会上，“装配式建筑”依然为行业热词之一，在国家鼓励的大环境大背景下，各地将继续加紧推进装配式建筑的落地进程，不少地方更是对建筑产业化的发展及新建建筑的预制率提出了明确要求。

　　尽管这几年我国装配式建筑发展迅猛，2019 年占比达到13.4%，但是从全球范围来看，欧美国家装配式建筑的普及率在 80%以上，我国装配式建筑仍然远远落后于发达国家水平，仍需进一步提高预制率。

2、装配式建筑模具发展现状

2.1 模具发展现状

　　模具设计作为生产环节的起始环节，在装配式建筑整个建设过程中发挥着巨大的作用，既需要对接上游的深化设计，更对整个构件生产环节起到主导作用，如果设计不合理有设计缺陷，那么就会导致 PC 构件出现问题，混凝土构件无法装配使用，造成直接的经济损失，所以模具的优劣直接关系到产品的质量，设计符合要求的模具可大批制造构件，保证构件的精度及一致性，也能大大缩短制造时间、提高生产效率。

　　然而，由于装配式建筑刚刚兴起，各个环节都处于研究探索阶段，装配式建筑模具设计并没有得到足够关注及重视，导致模具设计在行业内并没有统一的设计标准，无论是模具设计、材料选用、制造工艺、脱模方式都没有统一的模板模式，设计生产方式较为粗犷，存在较多不足。如何对传统进行创新，走向现代化生产模式，在目前行业发展的大前提下建立符合行情的装配式建筑模具发展思路及路线，是目前模具发展的首要问题。

2.2 模具设计准则

　　结合目前装配式建筑构件生产车间生产情况及国内其他成熟的模具设计行业的设计标准，在装配式建筑构件的模具设计应遵循以下原则，才能保证设计出的模具的实用性。

　　1)便于构件脱模。PC 构件为混凝土构件，质量大，体积大，不便于运输，所以是否脱模方便是模具设计过程中首要考虑的问题，若是设计不当无法脱模，则将造成直接经济损失，设计的模具不便于脱模，也将给现场脱模增加工作难度，也会导致构件在脱模过程中损坏，极大降低生产效率，造成人工、材料成本大量浪费，在设计过程中不易于脱模的地方需要增加拔模斜度。

　　2)模具尺寸精度。尺寸精度包含两个方面，构件的尺寸精度及模具的尺寸精度，其中模具的尺寸精度直接决定所生产的构件精度，设计人员必须保证模具的尺寸精度，及模具生产的构件的尺寸精度，由于模具中浇筑的混凝土凝固后会发生膨胀，因而模具设计之初就要将其考虑在内，在设计过程应留有余量，这样才能保证模具所做出的构件尺寸不会过大，在允许的公差范围内。模具在加工焊接过程中，采用的材料及焊接工艺也都会影响到尺寸精度。

　　3)模具强度。模具中混凝土凝固后，尺寸会膨胀，对模具的边模产生挤压，模具强度不够的情况下，模具将会发生变形，且每套模具用于多个构件生产，弱变形量较大，构件的尺寸误差将逐渐累积超过允许公差范围。保证模具强度的办法有很多，比如在边模增加加强筋数量，增加杆件，型材做为支撑等等。

　　4)模具出筋方式的处理。模具出筋的设计主要为钢筋开豁尺寸及开豁形式，若设计中开豁尺寸较大，则模具的密封性会出现问题，出现漏浆现象，模具漏浆会严重影响 PC 构件的外观，出现表面粗糙现象，需要耗费大量人力进行修整;若开豁尺寸过小，则会影响脱模，导致构件卡死情况的发生。

　　5)安全性及实用性。由于楼梯、阳台等构件多为大型模具，模具尺寸较大，重量重，所以在设计过程中应充分考虑实用性及可操作性，便于工人操作，留有足够的操作空间及操作平台，便于模具的组装、拆卸及生产过程中的操作。

2.3 装配式建筑预制构件模具问题

　　目前行业内的预制构件模具处于模仿、探索阶段，并没有统一的设计标准，预制建筑产品包括预制内外墙、叠合板、预制楼梯、PCF 板、预祝梁、柱、预制阳台、预制空调板等，目前行业内的模具主要问题包括如下几个方面的不足。

　　1)标准化程度低，通用性差。由于目前各个建筑单位的技术标准没有统一，导致预制构件的标准程度不高，且各个模具厂设计也无统一标准，导致预制构件模具标准化程度低，通用性差，资源浪费情况严重。以种类最多的叠合板模具及重量较大的阳台模具为例，如下图 4 图 5 所示，叠合板作为预制构件中使用最多且种类最多的构件，其模具也相应种类最多，由于每块叠合板板的尺寸出筋不同，导致叠合板生产完毕后模具无法回收再利用，且由于种类过多，现场存放及查找模具耗费大量的人力物力，浪费严重，而像楼梯、阳台等尺寸较大，重量较大的预制构件模具，生产完毕后也模具也只能做报废处理。另外，行业内的软件设计也缺乏统一的规范和标准，致使各相关专业的衔接和数据传递十分困难，用一种软件绘制的图形文件，用另一种软件打开时，常常早造成图形变形或数据丢失的情况，因此给设计人员带来了许多不必要的麻烦，影响了设计人员的技术交流，对设计信息从上游工序到下游工序产生障碍。

　　图 4 生产车间叠合板模具图

　　图 5 生产车间楼梯模具图

　　2)模具尺寸精度问题。由于像梁、柱、阳台板、楼梯等预制构件尺寸较大，这就需要模具与构件尺寸要相匹配，模具如果尺寸过大，如何控制模具尺寸，保证各个尺寸精度就会成为模具厂模具生产过程中的难题，下料过程中的误差，焊接过程中的焊接变形、组模过程中的误差，由此产生的累计误差都会随模具尺寸的增大而增大，因此对于大型的模具的模具结构及焊接工艺都要进行调整和完善，以保证模具尺寸在公差允许范围之内。

　　3)预制构件模具使用过程中的锈蚀问题。预制构件模具多采用钢材料，模具在使用过程中与混凝土接触，混凝土中水分带来的锈蚀问题是必须要考虑的，所以一般要对模具表面进行防锈处理，防止模具因锈蚀造成的报废现象。

3、现阶段预制构件模具改良研究

　　针对现阶段预制构件模具现状中所存在的标准化程度低，浪费严重，模具锈蚀等问题，文章从模具设计方面、原材料选用方面、焊接工艺方面提出改进措施，以供参考。

3.1 模具设计方式的改良

　　1)规范、标准行业内的设计软件，以方便数据的传递，尽量选用一种软件绘制图形，方便上游及下游之间的技术交流。

　　2)对预制构件进行统型从而设计标准化模具建立标准件库，改变现有的模具设计方式。以叠合板预制构件与楼梯预制构件为例，对预制叠合板构件钢筋间距规格进行统计，目前国内所设计的叠合板构件钢筋间距多为 100mm、150mm、200mm，基于此标准，可分别设计长 1400mm 的叠合板间距为 100mm、150mm、200mm 的边模标准件库，改变以前整边焊接后螺栓连接的模式。将整边拆分成若干标准件，以 200mm间距为例如图 6 所示，若干标准件模块螺栓连接后组成模具边模，从而构件生产完毕后，可将标准件模块回收，用于组装下一个构件钢筋间距相同的叠合板模具。这样叠合板模具就可以进行大量的回收利用，避免模具大量浪费。

　　图6 边模标准件模块图

　　对楼梯模具的台阶数及台阶长度进行统型，对于台阶数及台阶长度相同，宽度不同的预制楼梯构件可设计可拼接式的 PC 楼梯模具，如图 7 所示。

　　图7 拼接式楼梯模具图

　　3)对于异型，种类较多，结构复杂，无法进行的统型的预制构件，可将连接件，连接杆，底座，加固槽钢，销键等制作为标准件，改变连接方式，从焊接方式改变为螺栓连接，待构件生产完毕后，将标准件取下，供下个预制构件模具使用，减少浪费。

3.2 材料选用及焊接方式的改良

　　1)材料优化。影响模具焊接变形的因素有很多，但是最主要的是材料因素和工艺因素，预制构件模具材质多采用 Q235 和 Q345 钢板，具有焊接性能好、成本低的优点，钢板厚度选用 3-10mm。焊丝选用的是铁锚 WH50-6，镀铜低合金钢丝，具有优良的焊接工艺性能，焊缝成形美观、飞溅小、对气孔敏感性小，具有良好的焊缝力学性能，化学成分见表1。

　　2)焊接优化。焊接结构的设计对焊接变形的影响也是较为关键的因素，设计焊接的结构时模具端模应尽量设置加强筋板，端模间距约 300-400mm 处设置筋板以此增加模具边模约束度，使得焊接残余应力增加，减小焊接变形量。焊缝设计，焊缝设计尽量选用对称结构，尺寸不能较大，一般采用 1mm-3mm 的焊缝，尽量采用断焊的焊接方式。焊接方法采用熔化极气体保护焊。因模具选用的钢板多为 6-10mm, 根据钢板厚度所选焊条直径为 1.0mm 或 1.2mm，根据焊条直径选择焊接电流为 100A-150A, 焊接点压根据焊接电流确定，公式为

　　式中，U 为焊接电压(V);I 为焊接电流(A)确定焊接电压为 14-20V 。

　　焊接参数如下表 2 所示。

3.3 模具锈蚀问题的改良

　　预制构件模具长时间与混凝土接触，如果防锈工作没处理好，模具将会发生锈蚀情况，锈蚀之后模具很难进行有效保养，时间过久模具尺寸将无法满足构件生产的精度要求，导致模具报废现象发生，为避免这一现象，模具的防锈处理是模具生产必不可少的环节。行业内预制构件模具的防锈处理大致分为以下几种方式。

　　喷漆：喷漆防锈处理作为最常用的防锈处理工艺，在预制构件模具行业中也被大量使用，优势是简单方便易于处理，劣势是由于构件混凝土块表面比较坚硬，加上拆模操作不当，很容易破坏表面的防锈漆，导致防锈效果下降，防锈漆被破坏之后需要再次运回喷漆车间喷涂，将浪费大量的人力物力财力。

　　电泳：电泳是使用涂料在阴阳两极，施加于电压作用下，带电荷条离子移动到阴极，并与阴极表面所产生的碱性作用行程不溶解物，沉积于模具工作面，电泳漆膜具有涂层均匀、平整、光滑的优点，电泳漆膜的硬度、附着力、耐腐蚀性、冲击性能、渗透性能优于大部分的涂装工艺，然而，预制构件模具往往体积过大，采用电泳工艺将极大提高模具成本。

　　防锈油：针对预制构件模具体积大，拆模时预制混凝土构件容易与模具发生碰撞的情况，喷涂防锈油是最快捷且性价比最高的除锈方式，比如 WD-40 万能防锈顺滑剂，具有极强的渗透性及金属表面的亲和力，能够在模具表面形成一层薄而秘的保护膜，排除水分，防止生锈，润滑模具表面也不易于混凝土粘合，清理方便，对模具可提供多方面的保养。与其他的除锈方式相比，WD-40 可直接喷涂使用，操作简单方便、降低工作难度，同时提高工作效率;WD-40 润滑不粘灰，多种功效同事作用，可提高模具使用寿命。WD-40 环保安全，保证工作环境安全可靠。

4、预制构件模具未来发展趋势

　　1)新材料模具的兴起。因预制构件种类多，难以统型的问题，模具重量过重难以操作的问题，导致模具市场模具通用性差，成本较高，浪费严重的现象时有发生，为解决这一现象，可以采用不同材质的模具，如木模、塑料模具、混合材质模具，提高模具性价比。

　　塑料模加工成本较低，耐腐生性能更好，重量低未来将会广泛引用于装配式建筑行业，且塑料模具加工精度更高、质量更好、生产效率更高，可大批量生产，与钢模模具相比，造价更低，重量更轻，方便拆模组模，安全系数更高，耐腐生性强适用于构件蒸养环境，表面平整度更高，便于生产中收光处理，未来将会成为模具的主要形式。

　　木模模具与钢模模具相比，有广泛的材料来源，成本低廉可回收利用，木塑材料可人工合成，根据使用的要求调整模具工艺，型材利用率高，木模在加工过程中对人和环境没有任何危害，维护费用低，报废的木模模具可以 100%的再生利用，如何解决木模在蒸养环境下的腐蚀问题将成为制约预制构件木模模具发展的重要因素。

　　2)模具车间自动化、智能化。装配式建筑是“建筑业 +制造”的跨界融合新模式，随着未来 5G技术的普及与发展，制造业必将迎来一片崭新的新市场，装配式建筑业也将迎来新的发展，解放人力、充分发挥出机器控制带来的高精度是未来发展的趋势，模具车间智能化发展主要分为以下几个方面 : 组模、拆模的自动化，模具分拣自动化、模具运输自动化、模具储存保养自动化、信息管理自动化，这是个慢慢发展的过程、也是行业发展的目标。

　　3)模具标准化。由于各国给地区装配式建筑发展的情况不同，导致模具通用性较低，未来装配式建筑的发展重要任务就是标准的统一，包括深化构件图的统一，绘图软件的统一，设计方式的标准化，制作工艺的标准化，模具的标准化、通用性是未来发展的必经之路，也是装配式建筑能够不断进步发展的前提条件。

5、结语

　　装配式建筑是国家大力推动，未来建筑业发展的大势所趋，是“制造 + 建筑”二者跨界融合的新模式，它依托于现代工业化生产技术，把传统的建筑业现场现浇的模式转移到工厂进行预制并在工地装配完成，具有标准化设计、工厂化生产、装配化施工、信息化管理、智能化应用的特点。

　　随着国家政策的要求，新建建筑装配率正在逐年稳步提高，对于装配式建筑市场这块大蛋糕，我国有近千家甲级设计院和上万施工单位，但是正规的装配式预制构件模具厂却寥寥无几，如何使预制构件模具生产制作能力跟得上装配式建筑市场的迅猛发展以及工业自动化的脚步，是所有模具制造人员需要共同思考解决的问题。

　　本文通过分析目前装配式建筑模具所存在的问题，提出了自己目前的解决方案，但是远远不足以应对未来大量空缺的模具市场，这就需要所有模具设计人员能够不断引进先进的技术，吸取发达国家的先进经验，结合自身情况共同交流，发散设计思路，改进现有的模具结构，解决现阶段预制构件模具存在的问题，引领我国的预制构件模具市场走向更加科学、可持续发展的未来。

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