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日期:2018-06-28 19:47

  到目前为止,这一趋势已经在三个方面呈现出来:一是建筑施工的工厂化与装配化,以钢结构建筑为代表;二是在各个施工环节使用自动化施工机械,如自动砌墙机、自动抹灰机、自动喷涂机等;三是智能化施工机械和相应的全新施工方式开始出现,以混凝土3D打印机和智能化砌墙机器人为代表。无可否认,机械化施工提高了施工效率、降低了建筑施工的劳动强度和对人力的依赖;但要取得更大的进步,还应在两个方面协同并进:一是建筑产业体系化,即建筑设计、建材生产、建筑施工三者间要形成完整的体系,做到无缝衔接;二是在建筑设计数字化、建材生产标准化与智能化之外,还要补齐建筑构配件加工与建筑装配等建筑施工智能化环节的短板。而要想实现建筑施工的智能化,需要从三方面入手:

  智能化时代的建设活动需要基于BIM(建筑信息模型)技术。要想实现建筑施工的智能化,建筑信息模型应包含四类信息:构配件形体信息、构配件定位信息、连接部位施工处理信息、模板施工信息。其中,构配件形体信息传输给各智能化建材加工厂或移动式智能化建材加工设备、使其按设计要求精确加工建筑施工所需的各类构配件(例如,每一道现浇钢筋混凝土梁所用的每一根钢筋由钢筋智能化加工厂按设计形状与尺寸加工好、焊接成钢筋骨架后,再运至施工现场进行装配);构配件定位信息提供预制件在建筑中的位置信息,如所举例子中吊装钢筋骨架所需的位置、角度等信息;连接部位施工处理信息,如所举例子中钢筋骨架的焊接位置、焊街长度、焊接方式等方面的信息;模板施工信息提供模板形状、连接位置与连接要求等信息,提供给模板智能化组装设备。由于建设管理部门已在积极推进相关应用,本文不多赘述。

  不同的建材具有不同的特性,用于建造前需要采用适当的设备与工艺进行加工处理,在建造过程中需要采用适当的建筑施工设备、采取适宜的构造措施;而且,在建筑设计阶段,就需要通过适当的设计使四者相得益彰;而建筑体系的划分基于建材生产、建筑施工、建筑设计三者间的关联。除了在上一节中提到的主要采用人力施工的改性氯氧镁水泥仿石或仿木建筑、竹木建筑、植物纤维-水泥基复合材料框架结构建筑,为进一步降低建筑施工的劳动强度、节约利用建筑材料、大幅提高施工效率,在智能化时代应大力发展四类建筑体系:水泥基可塑材料建筑体系、乐高砖砖混结构建筑体系、钢砼结构-填充墙建筑体系、钢结构建筑体系。对于造型复杂的建筑形体,可通过多种建筑体系的组合应用来塑造(包括将改性氯氧镁水泥预制砌体结构、竹木结构、植物纤维-水泥基复合材料框架结构等与后四个建筑体系组合应用)。

  1、水泥基可塑材料建筑体系(不包括砖混结构和以砌体作为填充墙的钢砼框架结构)及相关智能化施工设备。

  水泥基可塑材料以硅酸盐水泥或改性镁水泥作为胶结剂,可采用打印、浇筑、喷射、模压、注射、涂抹等多种方法进行预制件生产或直接施工,硅酸盐水泥可与玻璃纤维织物、镀锌钢丝网等构成水硬性卷材,两种水泥均可掺入玻璃纤维或植物纤维进行增强、可掺入颗粒状或粉末状集料形成混凝土,均易于机械化施工、较少用到竹木模板,适合修建中小跨度的桥梁、水利设施、农业生产设施、环保设施、园林建筑、各类底层建筑与多层大开间建筑等。在水泥基可塑材料建筑体系中,主要施工设备及相关施工工艺、建材有以下几类:

  (1)需要研发的通用智能化施工设备。除用于水泥基可塑材料建筑体系外,也可用于其它建筑体系,主要有以下几类:

  A、智能化施工设备防震运输车辆:用于运输砼3D打印机、树脂3D打印机、水泥基卷材智能化施工设备、钢筋骨架智能化加工设备等;这些智能化设备构造精密,在运输过程中需要防震,应采用专用防震运输车俩。

  B、智能化吊车:应能根据接受到的定位信号自动将物体吊载到指定位置上空并调整好吊载物着陆角度,然后使吊载物缓慢着陆;并可通过物联网与下部的承托定位机器人协同完成吊载物着陆。

  C、智能化塔吊:属于固定安装的设备,用途及功能要求与智能化吊车类似,但能满足更高、更远的吊载需要。

  D、承托定位机器人:可分别与智能化吊车和智能化塔吊组成智能化工作组,协助智能化吊车或塔吊在吊载物着陆前对吊载物精确定位。

  E、智能化焊接机器人:在钢筋骨架、预制板等预制件就位后,焊接机器人应能自动就位,并自动按BIM指令对连接部位进行焊接操作。下图为固定安装的焊接机器人,如果由智能化自主移动装置搭载,则可实现焊接操作的全自动化,并可远程控制。

  F、钢筋骨架智能化加工设备:输入加工好的主筋与箍筋,此设备应能按BIM指令自动锁定主筋与箍筋的位置,并使需要焊接的主筋端头精确定位,然后自动完成主筋与箍筋的绑扎和焊接。相关设备已在有关工厂投入应用,但还需要设计研发适合在工地使用的中小型智能化设备。下图为工厂中使用的钢筋骨架数控滚焊机。

  G、钢筋骨架定位机器人:将加工好钢筋骨架吊装到施工位置后,由钢筋骨架定位机器人将其精确定位,然后由智能化焊接机器人对连接部位进行焊接。下图为固定安装的搬运机器人,如果由智能化自主移动装置搭载,则可实现搬运与定位操作的全自动化,并可远程控制。

  H、叠合梁智能化预制设备:输入加工好的主筋与箍筋,设备能按BIM指令自动锁定主筋与箍筋的位置、使需要焊接的主筋端头精确定位、并避开与柱子钢筋的位置冲突,然后自动完成主筋与箍筋的绑扎和焊接、自动浇筑梁底混凝土,然后将模板连同钢砼退出设备、转入养护室。

  J、成套支撑设备:由多个高度可调的支撑、至少一台调节支撑高度的机器人、至少一台搬运机器人、水平承重轨道等组成,主要用于大开间框架结构梁板的施工。

  施工时先安装水平承重轨道,可在其下部垫高以达到设计层高;由搬运机器人执行支撑在堆场与水平承重轨道间的转运,用智能化卷扬机进行垂直转运;支撑在轨道上平滑就位,然后由调节支撑高度的机器人逐一调整好支撑高度并锁定即可完成支撑设备的安装。拆解时由调节支撑高度的机器人逐一将支撑降低高度、由搬运机器人运出即可。

  吊装叠合楼板预制底板时,先由智能化吊车或塔吊与承托定位机器人组成的工作组将预制件安放在支撑上,在主梁预制底板、次梁钢筋骨架吊装就位后即可在预制件之间进行焊接加固处理,然后安装梁底和梁侧免拆底模、布筋、浇筑叠合梁板上层混凝土,在经过一段时间的养护后即可形成大跨度叠合梁板一体化结构。成套设备可由一家公司协调多个团队进行设计研发。

  水泥基卷材是一种由两层玻璃纤维织物(可夹入一层钢丝网)、玻璃或陶瓷纤维、硅酸盐水泥等组成的水硬性卷材,可用智能化裁剪与成型设备将卷材制成设计所需要的形状,或用第(4)目所列的树脂模打印机打印空间曲面形体、以手工拼贴和涂抹的方式获得设计所需要的形状;将卷材浸湿、待其硬化并达到一定强度后,即可用作混凝土浇筑所需的免拆模板。此类卷材与配套设备不仅可用于钢砼结构与泡沫混凝土墙体的浇筑,在水利工程、农业工程、景观工程中也有广泛的应用前景。

  砼3D打印机分为龙门式和悬臂式两种。前者为大型设备,适合打印预制板、过梁、桁架等配筋预制件,在地形条件允许、便于铺设轨道的情况下,也可打印独立小住宅、联排住宅、教学楼等有一个窄边的低层建筑,同一设备还可实现预制件吊装的智能化施工。后者可小型化,运输与安装方便,用于墙体打印,也可打印无配筋的纤维增强混凝土预制件;预制件需要配筋时,可在预留空腔中插筋后灌注混凝土,并可施加预应力。两种砼3D打印机可分别应用,也可配合使用。下面的两张图片分别为龙门式砼3D打印机和悬臂式砼3D打印机:

  为了满足特殊打印施工的需要(例如,在设计位置打印较高的筒体),需要以智能化升降平台作为悬臂式砼3D打印机的配套设备;二者可组成协同工作组,智能化升降平台按打印机发送的指令自动进行升降操作。

  此类施工工艺需要使用树脂3D打印机,以粉末状、可循环利用的树脂为打印材料。可在建筑设计的相关部位一次性打印模板,也可将模板分次打印、或采用其它方式成形后拼装成整体,然后浇筑纤维增强混凝土,或分块打印模板、浇筑混凝土后再进行吊装。废模板运到循环再生工厂重新制成打印用粉末。此类施工工艺可将混凝土材料塑造成各类空间曲面形体(用于建造混凝土异形建筑和假山、混凝土雕塑等园林小品、异形建筑等)。例如,下图中米拉公寓如果采用这种施工方式就很容易建造。

  乐高砖砖混结构建筑体系以乐高砖作为砌体材料,施工简便、较少用到竹木模板。本建筑体系适合建设低层和多层小开间建筑、低层框架结构建筑;采用满插钢筋的全剪力墙构造做法时,能满足较高的抗震要求,并可在基础部位设一道减震垫、进一步提高建筑的抗震性能,适合在地震设防要求较高的地区建设高度适当的小开间砖混建筑。乐高砖砖混结构建筑体系的智能化施工除了要用到第1条第(1)目、第(2)目所列的机械、材料外,还需要其它建筑施工机械:

  (1)乐高砖砌砖机器人:应在输入BIM指令后,自动进行墙体砌筑,由伸缩臂调整抹浆与砌砖机械装置的位置,并同步调整砖块传送系统;机器人附带砂浆输送系统,由移动式智能化注浆设备补充砂浆,还应能自动进行管道清洗。

  (2)捡砖机器人:为砌砖机器人的配套设备,用于将砌砖机器人周边码放的砖块捡起、传递给砌砖机器人或运砖机器人。

  (3)运砖机器人:当捡砖机器人在运砖机器人上码放的砖块达到一定量后,由运砖机器人将砖块从堆放场地运送到砌砖机器人附近(可由智能化卷扬机解决垂直运输问题),再由另一台检砖机器人将砖块传递给砌砖机器人;为给砌砖机器人及时供应砖块,一个工地可配置多台运砖机器人。

  (4)移动式智能化注浆设备:除在地面传送砂浆外(例如,为砖砌梁板车载智能化预制设备输送砂浆),还应在地面自动对接砂浆智能化搅拌设备,在装满砂浆后,搭乘智能化卷扬机将砂浆送入施工楼层,再自动对接砌砖机器人的砂浆罐、向其注入砂浆;也可通过人机协同操作进行砌体注浆或自流平地面施工。

  (5)砂浆智能化搅拌设备:应能自动将多个料仓中分别存储的原料(如砂子、水泥、石灰、添加剂等)按设计配合比输入搅拌斗,注水搅拌制成砂浆;在与移动式智能化注浆设备对接后,自动向其输出砂浆。

  (6)智能化卷扬机:应能通过物联网与其它移动式智能化设备建立链接,将物体垂直运送到指定楼层。

  (7)砖砌梁板车载智能化预制设备:与搬运机器人、检砖机器人、移动式智能化注浆设备配合应用,应能自动以立砌方式生产砖砌预制过梁、砖砌预制楼板,并可施加预应力。

  本钢砼结构-填充墙建筑体系不同于逐层向上施工的现浇钢砼结构传统施工工艺,是一种全新的钢砼结构施工工艺:需要用到智能化塔吊、叠合梁底板智能化预制设备、钢筋骨架智能化加工设备、水泥基卷材免拆模板及配套加工设备等;还要用到分块吊装和可拼装的施工平台(由智能化塔吊进行吊装、就位后人工拼装,也可安装自动锁定装置、就位后自动锁定)、对免拆模板起约束作用并起竖向支撑作用的柱套、起横向支撑作用的梁套、梁竖向支撑(并充当施工平台的导轨与连接构件)。施工时首先焊接好柱子钢筋骨架,再吊装柱子免拆模板,及按施工方案组装柱套、梁套、梁竖向支撑、施工平台;然后吊装叠合梁底板(混凝土仅几厘米厚)、在需要整体浇筑的部位(如阳台、挑廊、卫生间等小开间防水部位)安装支撑和模板、对梁柱结合部位的钢筋骨架进行加强处理并布梁上部钢筋、浇筑中间部位的混凝土;随即组装上部柱套、梁套、梁竖向支撑,组装完毕后智能化塔吊就位、解除各隔间施工平台与梁竖向支撑的约束,由智能化塔吊将各块施工平台吊升就位后重新锁定、并与新楼层的柱套和梁套、梁竖向支撑再次形成整体;如此逐层向上,直达屋面层后才进行屋面柱、梁、板钢砼结构整体浇筑施工。

  此外,在施工层上移的过程中,下部柱梁混凝土会先后达到一定的强度,当施工进行到一定楼层后,可在底层、在施工平台下吊装楼板底模,底模随施工平台一起上移,就位后安装下部支撑、布筋及浇筑梁板混凝土;在此过程中,由施工人员逐层拆除柱套、梁套和梁竖向支撑,并将这些钢构件吊运到施工楼层周转使用。当屋面钢砼结构的强度达到施工承载要求后,逐层、逐间降下施工平台并再行组装,逆向完成下部剩余楼层叠合梁板的布筋与混凝土浇筑施工。

  这种施工方式的优点有:第一,施工速度快、效率高、劳动强度低、用工少;第二,可阶段性封闭化施工,既可改善施工人员的工作环境,也有利于低温天气下的混凝土养护;第三,较少使用竹木模板;第四,并仍可保证钢砼结构为整体结构;第五,本建筑体系沿用现行混凝土供应与浇筑方式与设备,减少了新施工体系设计研发的工作量。此外,在进行建筑外墙与分户墙施工时,除可用智能化砌筑机砌筑大型轻质砌块外,还可用水泥基卷材制作免拆模板、模板安装完成后向空腔注入泡沫混凝土即可(户内隔墙仍可采用轻质砌块或轻质板材)。

  智能化施工时除了要用到智能化塔吊、移动式智能化注浆设备、砂浆智能化搅拌设备、智能化卷扬机等设备外,需要设计研发的设备主要是柱套、梁套、梁竖向支撑、分块式施工平台等成套施工装备,及大型轻质砌块智能化砌筑机。

  本建筑体系可分为预制化薄壁钢结构、预制化网架结构、厚壁钢结构等三个子体系。在智能化时代,这三个子体系都需要以钢结构构配件的智能化生产为基础,相关项目详见“番外篇-泥巴进化史”的有关内容。虽然这三个子体系在建筑设计、材料加工、施工工艺等方面存在较大差异,但经常需要组合应用,故归为一类。

  预制化薄壁钢结构建筑是一种新型薄壁钢结构建筑类型:单独应用时用于建造最多两层的低层建筑,建筑的一部分房间为伸缩式活动组件,并已在工厂完成管线及部分墙地面、天花板的安装,只需运到施工现场、吊装到承台梁上、将房间完全展开并固定在梁上、完成可拆卸部件的安装后,即可完成建筑的局部建造;另外,以这部分房间(一般为小房间,如独立住宅的卧室、厨房等)围合较大的空间,加上屋顶即可完成整栋建筑的施工。也可与无板钢结构框架组合应用,用于宿舍楼、办公楼、旅馆等多层建筑的快速建造。这种建造工艺适合在用地宽裕的地区建造幼儿园、学校、商业设施等公共建筑或独立住宅,也可建造厂房、仓库和养殖设施等生产建筑,具有现场施工速度快、施工简便等优势;此外,这种建筑是可搬迁、可循环建筑,能很方便地将其拆解、运输、翻新、重新搭建,而且家具可附着于房间固定部分的墙地面上,适合作为出租用临时建筑(可避免在局部地区过度建设和不适当建设造成的浪费)。预制化薄壁钢结构建筑可以看做是下面两类轻钢结构建筑的组合运用:

  预制化薄壁钢结构建筑的现场智能化施工需要用到智能化吊车和承托定位机器人、由熟练工人进行组装(小型建筑的组装只需要智能化吊车);如果要实现无人化施工,还需要以下智能化施工设备:

  A、智能化螺栓安装机器人:专门用于螺栓安装,应能自主升降和水平移动、根据输入的BIM指令自主执行螺栓安装操作。

  B、房屋安装机器人:一种在活动平台上搭载多个机械手的大型车载机器人,能自主移动和升降,应能在读取构配件编码信息后、根据输入的BIM指令自主执行屋面和墙体构配件的安装。

  预制化网架结构需要在工厂按设计要求将加工好的零部件组装成用于拼装网架的多个模块,在模块之间的连接部位采用便于彼此交错、穿插杆件的特殊设计;另外,可以将壳体结构分解成两面带板的薄型网架模块,将预制化网架结构的施工工艺应用在壳体结构的施工上;各个模块运到施工现场后,用房屋安装机器人进行拼装。

  厚壁钢结构建筑的梁柱为厚壁型钢或焊接H断面钢梁,与其它钢结构子体系组合应用,可建造各类底层建筑和多层公共建筑。单独应用时,主要用于建造高层公共建筑(多为写字楼或酒店);厚壁钢结构高层建筑的智能化施工工艺及施工设备与钢砼结构-填充墙建筑体系较为相似,但不需要使用柱套和梁套,施工平台导轨可临时固定在钢梁上。

  前面谈到的四个建筑体系解决的是建筑主体部分智能化施工方面的问题,为了进一步提高施工效率、减少建筑施工对人力的依赖,还需要设计研发更高效的建筑装修施工工艺与设备,主要有以下几类:

  这种干法施工工艺适用于前述四类建筑体系,需要由专业厂家预制格式框和外墙装饰板;用于水泥基可塑材料、乐高砖砖混结构、钢砼框架-填充墙等三种建筑体系时,格式框和外墙装饰板可采用改性镁水泥模压制品(可用玻璃纤维和植物纤维增强)一体化预制,并可按设计要求压制表面纹理或浮雕图案、赋予颜色,此类装修构造做法也可用于低层钢结构建筑;高层钢结构建筑所用格式框应为金属材料制成(可露明或隐框),面板为金属-塑料复合板材或为玻璃板材、分两次安装,此类构造做法和施工工艺也可用于钢砼结构的建筑。

  采用这种施工工艺,需要在每一层的同一水平位置处(一般在外梁下部)设挑耳、由挑耳承托格式框,并在挑耳外侧临时安装一道钢管充当外墙装修智能化施工设备的抓杆。在格式框与外墙装饰板的安装结束后,再由安装机器人取下抓杆、进行挑耳部位的饰面材料拼贴施工。

  由于外墙抹灰施工所用的智能化施工设备与上一条干法施工所用的智能化设备类似,只是将安装机器人换成抹灰机器人或喷涂机器人、将需要吊升的格式框和外墙装饰板换成移动式智能化注浆设备,可由同一家企业进行设计研发。

  可以用智能化机器人在内墙面和顶棚上按设计位置钻孔、插膨胀螺栓套管后安装板材,也可安装龙骨后再安装板材。

  可以将自动化抹灰机升级为能自主移动、定位、锁定的智能化机器人,并应能通过物联网与移动式智能化注浆设备对接。

  卫生间是建筑中容易出现渗漏问题的部位,为便于检修与改造,可以采用浮筑地面构造做法:管道安装空间为架空层,在适当部位砌砖带后满铺预制钢砼薄板,找平后贴热熔胶片,在其上再找坡、找平,再贴一层热熔胶片,最后用热熔性聚合物砂浆拼贴地砖。需要拆除地砖时,用专用设备对地面进行加热,使热熔砂浆和胶片融化、揭开地砖和砂浆层即可。

  可将管线直接粘贴在墙面基层上,然后进行抹灰或板材安装。此施工工艺操作简便、施工速度快,但要用到与水泥基材料和金属材料结合牢固的专用粘接剂。