引言

清水混凝土預(yù)制構(gòu)件因其外觀樸素自然且不加修飾的特色，在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。而制作清水混凝土預(yù)制構(gòu)件的關(guān)鍵技術(shù)在于模具制作。針對(duì)北京市城市副中心項(xiàng)目高難度窗口外掛板等清水混凝土預(yù)制構(gòu)件模具進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，本文對(duì)該項(xiàng)目的清水混凝土構(gòu)件模具制作關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，以期為同類型清水混凝土預(yù)制構(gòu)件模具制作提供技術(shù)支撐。

北京市城市副中心行政辦公區(qū)全部采用裝配式建筑設(shè)計(jì)理念，各樓主體結(jié)構(gòu)體系為混凝土框架結(jié)構(gòu)，外墻為預(yù)制混凝土裝配式結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目中市政府辦公樓項(xiàng)目使用的是裝配式清水混凝土外墻掛板，地下2層，地上10層，總高度47.9m。預(yù)制清水混凝土構(gòu)件主要包括預(yù)制窗口掛板、菱形掛板、角板掛板和平板掛板。本文針對(duì)窗口掛板模具制作關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

最大窗口掛板尺寸5.04m×4.58m×0.64m，重量7.1t，其外形的形式上包含各種裝飾性線條、直角、斜截面、斜交截面、轉(zhuǎn)角弧面等。其中各方向交叉面最多的一塊達(dá)到52個(gè)平面，棱角眾多。窗口的外立面、內(nèi)立面如圖1、圖2所示。

高難度的預(yù)制構(gòu)件給模具設(shè)計(jì)與加工提出了很高的要求，模具制作不但要保證模具剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、支拆方便等使用性能，還需要保證構(gòu)件尺寸和清水面應(yīng)用效果。模具設(shè)計(jì)與制作是該項(xiàng)目的關(guān)鍵。

圖 1   窗口外立面                        圖 2   窗口內(nèi)立面

模具加工制作應(yīng)滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和JGJ/T 74—2017《建筑工程大模板技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求。為了能滿足清水混凝土預(yù)制構(gòu)件對(duì)模板的質(zhì)量要求，在模具設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中進(jìn)行了關(guān)鍵工序控制。

2.1 尺寸偏差和表面質(zhì)量要求

為了滿足工程要求，更好的控制清水混凝土預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量，公司在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及地方標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，制定了內(nèi)部的《清水混凝土預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》。其中，對(duì)于清水混凝土構(gòu)件模板尺寸允許偏差和清水面的質(zhì)量要求見(jiàn)表1、表2。

表 1   清水混凝土預(yù)制構(gòu)件模板尺寸允許偏差

表 2   清水混凝土預(yù)制構(gòu)件鋼模板清水面質(zhì)量要求

2.2 模具設(shè)計(jì)

2.2.1 模具設(shè)計(jì)加工技術(shù)難點(diǎn)

（1）窗口外掛板構(gòu)件共由大小52個(gè)面組成，面與面之間均為斜角度相交，放樣及下料復(fù)雜。

（2）窗口外側(cè)內(nèi)沿周圈存在30mm×40mm的凹線，尺寸過(guò)小無(wú)法整體折彎成型，且此處是外觀效果的關(guān)鍵點(diǎn)，模具面板拼接時(shí)不能出現(xiàn)漏漿、泌水現(xiàn)象，凹線長(zhǎng)度方向必須順直。

（3）窗口外掛板表面精度要求及觀感要求高，其中窗口的外表面4個(gè)框處不得有鋼板拼縫。

（4）模具的尺寸誤差精度要求高。

（5）窗口內(nèi)側(cè)平面共約43個(gè)預(yù)埋螺母，螺母位置誤差為1mm。

2.2.2 模具設(shè)計(jì)方案

模具在加工制作前，根據(jù)加工技術(shù)難點(diǎn)，制定模具設(shè)計(jì)方案，模具下料、成型、制作嚴(yán)格按簽認(rèn)后的模具方案執(zhí)行。根據(jù)加工技術(shù)難點(diǎn)，該工程模具設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[1-2]如：（1）尺寸精度保證：為了保證尺寸的精度要求，所有面板及筋板均采用激光切割下料（如圖3所示）。（2）彎折成型設(shè)計(jì)：窗口四框除相交部位留一個(gè)小方板外，均為整體下料并折彎成型。鋼板折彎之前應(yīng)對(duì)照?qǐng)D紙或樣板劃出折彎線，根據(jù)鋼板厚度、長(zhǎng)度、折彎半徑等參數(shù)選擇正確的折彎模口，先試折，核實(shí)無(wú)誤后再進(jìn)行批量折彎，以保證折彎的角度和光滑度。如圖4、圖5所示。（3）窗口脫模設(shè)計(jì)：窗口模具上部窗口內(nèi)框模采用對(duì)角向上脫模形式，先脫除2個(gè)小角，剩余2個(gè)大角不再拆除，可以減少現(xiàn)場(chǎng)拆模工作量，提高工作效率。窗口模具結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。（4）凹槽部位設(shè)計(jì)：針對(duì)窗口和菱形掛板凹線部位，采用后加角板并通過(guò)螺栓與底板緊固，為防止角板與底板間的拼縫不嚴(yán)密，拼縫處滿涂專用密封膠，并在固定完成后在空隙部位滿填泡沫密封膠（如圖7所示）。（5）埋件位置精度設(shè)計(jì)：窗口內(nèi)側(cè)平面上的埋件采用整體鋼板激光切割，每面埋件統(tǒng)一在一個(gè)整體埋件固定鋼板上，保證各種埋件位置的精準(zhǔn)。如圖8所示。（6）模具改制設(shè)計(jì)：模具改制時(shí)，窗口構(gòu)件寬度有部分型號(hào)是窗口模內(nèi)尺寸不變（即立側(cè)剖面或橫向剖面一致），而僅調(diào)整一側(cè)從內(nèi)口到外側(cè)模的距離。此一側(cè)模具需要做成底托梆的形式，以最長(zhǎng)構(gòu)件寬度或高度制作模具，側(cè)梆可以在底模上水平移動(dòng)。結(jié)構(gòu)形式相同的構(gòu)件可以通過(guò)移動(dòng)鋼制盒子達(dá)到不同部位缺口的目的。菱形、角板清水掛板有同類情況。窗口改制模具示意圖如圖9所示，圖9即通過(guò)左側(cè)模水平移動(dòng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件寬度的變化。

圖 3   激光切割機(jī)下料

圖 4  彎折圖紙（單位：mm）

圖 5  彎折后成品模具

圖 6  窗口模具結(jié)構(gòu)示意圖

圖 7  凹線部位大樣圖

圖 8  埋件固定工裝示意圖

圖 9  窗口模具改模示意圖

經(jīng)過(guò)以上方案設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，模具結(jié)構(gòu)均滿足GB 50017—2017和 JGJ/T 74—2017中對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求。

2.3 模具制作加工過(guò)程的質(zhì)量保證

為了保證清水混凝土預(yù)制構(gòu)件清水面和尺寸精度的要求，在模具制作加工過(guò)程中對(duì)以下方面進(jìn)行了質(zhì)量控制[3]：（1）原材選用：清水混凝土掛板外觀質(zhì)量主要取決于合理的模具結(jié)構(gòu)和優(yōu)質(zhì)的板面，清水面鋼板應(yīng)采用Q235鋼板，需要折彎的面板應(yīng)保證其折彎表面氧化皮致密、均勻、完整。鋼板材料應(yīng)表面光滑平整，無(wú)扭曲變形、折疊死彎、劃痕、銹蝕、斑痕、龜裂等質(zhì)量缺陷。某些質(zhì)量差的鋼板在構(gòu)件蒸養(yǎng)過(guò)程中會(huì)滲出氧化物，污染構(gòu)件表面。相對(duì)來(lái)講，5mm和8mm單軋鋼板相較于同規(guī)格連軋鋼板，其表面更平整，表觀質(zhì)量更好，適合做清水混凝土構(gòu)件模具。（2）原材下料：清水混凝土預(yù)制構(gòu)件對(duì)模具的尺寸精度要求高，因此模具制作的下料工序十分重要，模具面板、帶板和筋板均采用激光切割下料，保證板材尺寸精準(zhǔn)。根據(jù)構(gòu)件特點(diǎn)，確定整體下料還是拼接成型，并確定拼接的位置、方式等。型材下料必須采用無(wú)齒砂輪鋸、數(shù)控設(shè)備切割，嚴(yán)禁使用手工切割。（3）焊接要求：面板對(duì)接拼焊，拼接時(shí)，用二氧化碳保護(hù)焊或小直徑焊條焊接，焊接電流應(yīng)調(diào)整合適，不能發(fā)生燒穿或焊不透現(xiàn)象。對(duì)接縫必須滿焊，與混凝土的接觸面，焊口打磨不能有凹凸現(xiàn)象，磨平區(qū)域控制在20mm左右，骨架焊縫要求滿焊，焊縫不小于5mm，槽鋼與槽鋼間的連接處必須干凈。（4）加工制作質(zhì)量保證：各部位的邊框、支架、筋板、橫肋、縱肋在使用前必須要調(diào)直，與面板結(jié)合要緊密間隙<0.5mm；在加工側(cè)模和堵頭時(shí)，焊口均勻分布在無(wú)混凝土接觸的一面，采用間斷焊，焊縫長(zhǎng)度不小于25mm，焊縫間距150mm左右，避免因焊接打磨造成表面不平整，從而導(dǎo)致漏漿等現(xiàn)象的出現(xiàn)；模具底架部分在制作完畢后，必須用水準(zhǔn)儀抄平；所有部位的空洞、螺栓孔（圓形、方形、橢圓形）必須使用臺(tái)鉆、數(shù)控、沖床等設(shè)備操作，嚴(yán)禁使用手工切割。

由北京建工集團(tuán)承建的北京城市副中心A2項(xiàng)目，外墻掛板高4.5m、寬4.2m，單塊總重量平均達(dá)到6.5t，這是北京城市副中心A2項(xiàng)目首次大面積應(yīng)用預(yù)制混凝土掛板幕墻。該工程構(gòu)件的生產(chǎn)，通過(guò)對(duì)模具的加工方案設(shè)計(jì)及制作加工，解決了復(fù)雜截面、節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件出模等關(guān)鍵技術(shù)，體現(xiàn)了高精準(zhǔn)地控制制作環(huán)節(jié)的工藝水平。通過(guò)模具的使用，生產(chǎn)的構(gòu)件得到了業(yè)主和甲方的一致認(rèn)可。

在工程正式生產(chǎn)前，對(duì)模具進(jìn)行了樣板生產(chǎn)，如圖10～圖12所示。通過(guò)模板設(shè)計(jì)、制作加工與使用，生產(chǎn)的構(gòu)件應(yīng)用于城市副中心項(xiàng)目。

圖 10   窗口外掛板模具

圖 11  窗口外掛板成品

圖 12  工程樣板圖

本文通過(guò)對(duì)北京城市副中心清水混凝土窗口外掛板模具項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和制作加工，對(duì)清水混凝土模具制作加工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

（1）清水混凝土預(yù)制構(gòu)件模具加工是實(shí)現(xiàn)其清水飾面效果的關(guān)鍵所在，除結(jié)合工期、構(gòu)件圖紙、施工便利性和模具改制等因素綜合考慮模具的配置方案外，在單套模具設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)注意清水面模具成型工藝，做到面板一次成形，盡量減少清水面模具的拼縫。 

（2）模具設(shè)計(jì)方案是模具加工制作的前提，做好清水混凝土模具，須根據(jù)技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)模具加工制作進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，考慮到各個(gè)細(xì)節(jié)，方能使得制作加工的模具符合清水混凝土預(yù)制構(gòu)件的外觀要求。

（3）模具加工質(zhì)量控制，是保證清水混凝土預(yù)制構(gòu)件清水效果的重要環(huán)節(jié)。在保證表面平整度和尺寸精度方面，要對(duì)原材選用、原材下料、焊接、加工制作的質(zhì)量控制方面進(jìn)行控制措施。