外挂混凝土预制墙板的制作精度计算模型探究

李正钦， 完海鹰， 陈安英

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

在装配式住宅建筑的建造过程中,到场构件的安装精度对建筑竣工后的安全性以及稳定性起着十分重要的作用,预制混凝土外挂墙板也不例外,由于在装配式建筑体系中,外墙板会在工厂预先制作好,随后在现场进行拼装,故墙板的自重、安装节点的位置、安装顺序等因素都会在实际安装过程中产生极大的影响,节点位置精度控制不好极有可能导致墙板安装失败的结果,墙板自重过大对钢梁造成较大的负担导致结构局部失稳。所以在墙板施工的过程中,如何保证每一步的误差都在可控范围内,对建筑施工进度的顺利进行起着尤为重要的作用。墙板构件自身的尺寸精度是安装过程精度控制的第一步,也是精度控制的基础,只有确保了构件进场时的尺寸精度,才能保证之后的精度控制。

1 外挂混凝土预制墙板的制造误差来源分析

1.1 模具制作

模具是墙板成形的基础工具,与墙板的出厂尺寸有着直接的联系。根据施工工艺可以把分为“平脱法模具”和“翻转台法模具”2种,其中“平脱法模具”是指在模具内完成浇筑后水平起吊脱模,适用于水平构件的制作,当需要制作竖向构件时,则需要用翻转装置配合将模具翻转90°后方能继续施工,该种模具的特点是模具本身制作简单,但场地占用较大且需要翻转装置配合施工;“翻转台法模具”同样是在模具内完成浇筑后脱模,但是该种模具自身便可以实现翻转,同时适用水平构件与竖向构件的制作,该种模具的特点是模具本身制作相对复杂,但场地占用小且不需要其他装置配合施工。另外,在模板组装时,需要用连接螺栓对模板进行组装,尽可能的保证接缝严密。故可知即使选用精度相同的模具,不同类型的模具模板以及模具制作工艺都对墙板构件的出厂精度造成较大的影响。

1.2 预埋件的埋设

在墙板制作的过程中,预埋件是维持墙体结构稳定、保证墙体与主体建筑顺利连接的关键装置。在本工程中,预埋件的固定二点固定法,即在墙板的制作过程中,在每块预埋件以及模板的相应位置处打上孔径一致的2个孔,然后再通过螺栓将模板与预埋件连接固定。在预埋件的埋设过程中,固定架与预埋件的焊接刚度,预埋件自身的尺寸精度,孔位的大小等均会对出厂时预埋件的位置产生影响。

1.3 保温层的铺设

本工程采用的墙板为预制混凝土夹心保温外挂墙板,保温层以及内、外叶墙板层的厚度精度以及不同层之间的连接精度便会对墙板的出厂厚度造成影响。

由上述,在墙板的制作过程中,可将外挂混凝土预制墙板制造精度对安装精度控制的影响归纳如下:① 模具类型的选择以及模板组装时的工艺精度所造成的模具尺寸误差,考虑到模具尺寸对墙板的出厂尺寸的影响,该种误差应为系统误差且在数值上等于模具的尺寸误差;② 由预埋件的自身尺寸与安装偏差所造成的连接件定位误差,该种误差不可控,并不具有规律性,通常造成的影响较小,故为非系统误差。

2 外挂混凝土预制墙板外形尺寸数据分析

实际工程取了2批墙板构件,1批10块墙板,共20块尺寸一致的墙板构件,对构件的各项出厂尺寸进行了误差比对分析,该批墙板的设计尺寸为3280mm×2905mm×150mm,开孔尺寸为1840mm×1400mm,由于墙板的挂板作业的顺利进行与墙板的外形总长度与宽度尺寸相关,而墙板施工完毕后的表面平整度与墙板的总厚度尺寸相关,故在本次测量中并未测量每块墙板的开洞尺寸,而仅测量墙板的总长度尺寸、总宽度尺寸与总厚度尺寸,得出的数据如表1所列。

表1 墙板外形尺寸测量数据表

为得出在该批次被检测墙板的制作过程中,不同类型的误差所造成的影响大小或具体误差数值,将对上述外形尺寸数据进行正态分布分析。本文采用spss数据分析软件统计分析结果如图1所示。由图1可见,3组数据分布在曲线上基本满足正态分布。

图1 长度、宽度与厚度的直方图

3 制作累计误差的计算模型表示

在装配累积误差的计算中,通常通过统计平方公差法(Root-Sum-Squares)来表示累积误差的大小,统计平方根公差是概率统计法中的一种。统计平方公差法在概率统计法的基础上进一步指出,大多数的零部件在它们的公差范围内呈正态概率分布,此时若由它们所构成的系统与各个零部件线性相关,则系统的分布也可以用一个正态分布或近似正态的分布来表示。统计平方公差法在计算装配公差时假定各环公差服从正态分布,装配累计公差与单个环的公差之间是线性关系。

根据上述的数据分析可得知,在墙板的安装过程中,对构件尺寸精度造成影响的因素大致分为3种,故共有3个环,而且每一环中,偶然误差的出现都符合正态分布,系统误差的出现都存在规律且为定值,3种因素所造成的误差都直接影响到构件的最终出厂尺寸,单个环与累计公差之间为线性关系,故可以认为,在现有情况下,外挂墙板的制作尺寸总误差表示符合统计平方公差法的使用条件。其具体计算过程如下:

(1)确定封闭环的基本尺寸。在墙板制作中,最终的尺寸表现为墙板的外形尺寸,将墙板的长度设为L,此时考虑到装配误差,将累计总误差设为T0,则墙板的出厂长度尺寸可以表示为

L0=L+T0

(1)

(2)计算封闭环公差。根据统计平方公差法,此时组成环与封闭环的实际偏差均符合正态分布,此时,封闭环的公差平方值等于所有组成环公差平方值之和,将组成环的误差值设为Ti(i=1、2、3、…、n,n为组成环的个数),此方法下,墙板的出厂长度尺寸的封闭环公差可表示为:

(2)

其中，Ti为第i个组成环的尺寸公差;T0为封闭环公差;n为组成环个数。

由式(2)知,累积误差的大小与每个环的公差大小呈正比关系,与环的个数呈正比关系。故由此可知,在控制外挂预制混凝土墙板安装精度的过程中,需要尽可能的减少每一环中的误差,或者减少环的数量,才能对累积误差进行有效控制。

4 墙板制作精度改进对策

针对模具类型的选择,其中“平脱法模具”需要翻转机器的配合,考虑到翻转机器与模具并非一体式,故会存在如模具固定不到位、墙板与机器翻转角度不一致等不确定的偶然误差的隐患,因此可以把墙板的脱模与翻转认为是两环,而“翻转台法模具”是自身便可以实现脱模与翻转的一体式模具,故在此模具下墙板的脱模与翻转为一环,根据文中所提到的误差计算模型,需要尽可能的降低环的数量,故使用“翻转台法模具”可以降低工艺误差的风险。

针对预埋件的定位,在二点固定法的实施过程中,孔的位置精度以及孔径的大小精度都会对最终的预埋件位置造成影响,故应在预埋件安装前,测量检查预埋件的自身尺寸与孔位精度,检查合格后方能进行混凝土浇灌,考虑到预埋件需要在安装时承受墙板的自重,为防止自重所导致的预埋件位置偏移,使用型钢作为安装固定架可以更好得满足负荷与稳定性的要求,降低定位偏移的风险。

5 结束语

通过对墙板生产制作工艺的研究,对墙板在制作过程中的误差成因进行了分析,得到了墙板的制作精度与模具尺寸误差、预埋件定位误差、保温层与结构层的厚度尺寸误差这3个因素有关的结论,随后针对现场所测得的墙板外形尺寸数据进行分析,得出了本批墙板构件在外形尺寸上符合正态分布的结论,后结合统计平方公差法,得出了该制作体系下墙板的外形尺寸累积误差的一般表达式。最后针对文中提出的问题,提出了提高制作精度的建议。