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摘要：裝配式建筑的模具設計在整個預制構件生產環節中是至關重要的起始環節，文章對裝配式建筑及模具設計、模具加工工藝進行研究，分析了國內模具設計存在的重量大、通用性差、設計標準不統一等問題，并從設計到工藝介紹了裝配式建筑模具將向通用性、輕量化、標準化、智能化發展的趨勢。
關鍵詞：裝配式建筑；預制構件；模具設計；生產工藝
1裝配式建筑現狀及發展趨勢
裝配式建筑是用預制構件裝配而成的建筑，是基于工業化生產驅動下建筑項目的整個生產過程，是“建筑+制造”二者跨界融合的新模式，利用現代工業化技術，把傳統建筑業與傳統建筑相比，裝配式建筑預制構件的組裝工藝簡單、施工周期較短，預制構件具有統一性，方便現場管理存放，因此裝配式建筑可縮短施工周期25％-30％，節水約50％，木材節約80％，減少建筑垃圾70％，大大降低粉塵及噪音污染。根據住建部統計的數據，2016年全國新開工裝配式建筑1.14億m2，同比增長57％，占新建建筑面積的比例為4.9％，全國新開工裝配式建筑4.2億m2，同比增長45％，占新建建筑面積的比例為13.4％，2016-2019年，新開工建筑中，裝配式建筑年均增長率為55％。從重點區域看，2019年重點推進地區新開裝配式建筑占全國比例為47％，裝配式建筑在東部發達地區繼續引領全國發展，同時其他一些地區逐漸呈規模化發展局面。在2020年兩會上，“裝配式建筑”依然為行業熱詞之一，在國家鼓勵的大環境大背景下，各地將繼續加緊推進裝配式建筑的落地進程，不少地方更是對建筑產業化的發展及新建建筑的預制率提出了明確要求。盡管這幾年我國裝配式建筑發展迅猛，2019年占比達到13.4％，但是從全球范圍來看，歐美國家裝配式建筑的普及率在80％以上，我國裝配式建筑仍然遠遠落后于發達國家水平，仍需進一步提高預制率。
2裝配式建筑模具發展現狀
2.1模具發展現狀。模具設計作為生產環節的起始環節，在裝配式建筑整個建設過程中發揮著巨大的作用，既需要對接上游的深化設計，更對整個構件生產環節起到主導作用，如果設計不合理有設計缺陷，那么就會導致PC構件出現問題，混凝土構件無法裝配使用，造成直接的經濟損失，所以模具的優劣直接關系到產品的質量，設計符合要求的模具可大批制造構件，保證構件的精度及一致性，也能大大縮短制造時間、提高生產效率。然而，由于裝配式建筑剛剛興起，各個環節都處于研究探索階段，裝配式建筑模具設計并沒有得到足夠關注及重視，導致模具設計在行業內并沒有統一的設計標準，無論是模具設計、材料選用、制造工藝、脫模方式都沒有統一的模板模式，設計生產方式較為粗獷，存在較多不足。如何對傳統進行創新，走向現代化生產模式，在目前行業發展的大前提下建立符合行情的裝配式建筑模具發展思路及路線，是目前模具發展的首要問題。
2.2模具設計準則。結合目前裝配式建筑構件生產車間生產情況及國內其他成熟的模具設計行業的設計標準，在裝配式建筑構件的模具設計應遵循以下原則，才能保證設計出的模具的實用性。1）便于構件脫模。PC構件為混凝土構件，質量大，體積大，不便于運輸，所以是否脫模方便是模具設計過程中首要考慮的問題，若是設計不當無法脫模，則將造成直接經濟損失，設計的模具不便于脫模，也將給現場脫模增加工作難度，也會導致構件在脫模過程中損壞，極大降低生產效率，造成人工、材料成本大量浪費，在設計過程中不易于脫模的地方需要增加拔模斜度。2）模具尺寸精度。尺寸精度包含兩個方面，構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決定所生產的構件精度，設計人員必須保證模具的尺寸精度，及模具生產的構件的尺寸精度，由于模具中澆筑的混凝土凝固后會發生膨脹，因而模具設計之初就要將其考慮在內，在設計過程應留有余量，這樣才能保證模具所做出的構件尺寸不會過大，在允許的公差范圍內。模具在加工焊接過程中，采用的材料及焊接工藝也都會影響到尺寸精度。3）模具強度。模具中混凝土凝固后，尺寸會膨脹，對模具的邊模產生擠壓，模具強度不夠的情況下，模具將會發生變形，且每套模具用于多個構件生產，弱變形量較大，構件的尺寸誤差將逐漸累積超過允許公差范圍。保證模具強度的辦法有很多，比如在邊模增加加強筋數量，增加桿件，型材做為支撐等等。4）模具出筋方式的處理。模具出筋的設計主要為鋼筋開豁尺寸及開豁形式，若設計中開豁尺寸較大，則模具的密封性會出現問題，出現漏漿現象，模具漏漿會嚴重影響PC構件的外觀，出現表面粗糙現象，需要耗費大量人力進行修整；若開豁尺寸過小，則會影響脫模，導致構件卡死情況的發生。5）安全性及實用性。由于樓梯，陽臺等構件多為大型模具，模具尺寸較大，重量重，所以在設計過程中應充分考慮實用性及可操作性，便于工人操作，留有足夠的操作空間及操作平臺，便于模具的組裝、拆卸及生產過程中的操作。
2.3裝配式建筑預制構件模具問題。目前行業內的預制構件模具處于模仿、探索階段，并沒有統一的設計標準，預制建筑產品包括預制內外墻、疊合板、預制樓梯、PCF板、預祝梁、柱、預制陽臺、預制空調板等，目前行業內的模具主要問題包括如下幾個方面的不足。1）標準化程度低，通用性差。由于目前各個建筑單位的技術標準沒有統一，導致預制構件的標準程度不高，且各個模具廠設計也無統一標準，導致預制構件模具標準化程度低，通用性差，資源浪費情況嚴重。以種類最多的疊合板模具及重量較大的陽臺模具為例，如下圖4圖5所示，疊合板作為預制構件中使用最多且種類最多的構件，其模具也相應種類最多，由于每塊疊合板板的尺寸出筋不同，導致疊合板生產完畢后模具無法回收再利用，且由于種類過多，現場存放及查找模具耗費大量的人力物力，浪費嚴重，而像樓梯、陽臺等尺寸較大，重量較大的預制構件模具，生產完畢后也模具也只能做報廢處理。另外，行業內的軟件設計也缺乏統一的規范和標準，致使各相關專業的銜接和數據傳遞十分困難，用一種軟件繪制的圖形文件，用另一種軟件打開時，常常早造成圖形變形或數據丟失的情況，因此給設計人員帶來了許多不必要的麻煩，影響了設計人員的技術交流，對設計信息從上游工序到下游工序產生障礙。2）模具尺寸精度問題。由于像梁、柱、陽臺板、樓梯等預制構件尺寸較大，這就需要模具與構件尺寸要相匹配，模具如果尺寸過大，如何控制模具尺寸，保證各個尺寸精度就會成為模具廠模具生產過程中的難題，下料過程中的誤差，焊接過程中的焊接變形、組模過程中的誤差，由此產生的累計誤差都會隨模具尺寸的增大而增大，因此對于大型的模具的模具結構及焊接工藝都要進行調整和完善，以保證模具尺寸在公差允許范圍之內。3）預制構件模具使用過程中的銹蝕問題。預制構件模具多采用鋼材料，模具在使用過程中與混凝土接觸，混凝土中水分帶來的銹蝕問題是必須要考慮的，所以一般要對模具表面進行防銹處理，防止模具因銹蝕造成的報廢現象。
3現階段預制構件模具改良研究
針對現階段預制構件模具現狀中所存在的標準化程度低，浪費嚴重，模具銹蝕等問題，文章從模具設計方面、原材料選用方面、焊接工藝方面提出改進措施，以供參考。
3.1模具設計方式的改良。1）規范、標準行業內的設計軟件，以方便數據的傳遞，盡量選用一種軟件繪制圖形，方便上游及下游之間的技術交流。2）對預制構件進行統型從而設計標準化模具建立標準件庫，改變現有的模具設計方式。以疊合板預制構件與樓梯預制構件為例，對預制疊合板構件鋼筋間距規格進行統計，目前國內所設計的疊合板構件鋼筋間距多為100mm、150mm、200mm，基于此標準，可分別設計長1400mm的疊合板間距為100mm、150mm、200mm的邊模標準件庫，改變以前整邊焊接后螺栓連接的模式。將整邊拆分成若干標準件，以200mm間距為例如圖6所示，若干標準件模塊螺栓連接后組成模具邊模，從而構件生產完畢后，可將標準件模塊回收，用于組裝下一個構件鋼筋間距相同的疊合板模具。這樣疊合板模具就可以進行大量的回收利用，避免模具大量浪費。對樓梯模具的臺階數及臺階長度進行統型，對于臺階數及臺階長度相同，寬度不同的預制樓梯構件可設計可拼接式的PC樓梯模具，如圖7所示。3）對于異型，種類較多，結構復雜，無法進行的統型的預制構件，可將連接件，連接桿，底座，加固槽鋼，銷鍵等制作為標準件，改變連接方式，從焊接方式改變為螺栓連接，待構件生產完畢后，將標準件取下，供下個預制構件模具使用，減少浪費。
3.2材料選用及焊接方式的改良。1）材料優化。影響模具焊接變形的因素有很多，但是最主要的是材料因素和工藝因素，預制構件模具材質多采用Q235和Q345鋼板，具有焊接性能好、成本低的優點，鋼板厚度選用3-10mm。焊絲選用的是鐵錨WH50-6，鍍銅低合金鋼絲，具有優良的焊接工藝性能，焊縫成形美觀、飛濺小、對氣孔敏感性小，具有良好的焊縫力學性能，化學成分見表1。2）焊接優化。焊接結構的設計對焊接變形的影響也是較為關鍵的因素，設計焊接的結構時模具端模應盡量設置加強筋板，端模間距約300-400mm處設置筋板以此增加模具邊模約束度，使得焊接殘余應力增加，減小焊接變形量。焊縫設計，焊縫設計盡量選用對稱結構，尺寸不能較大，一般采用1mm-3mm的焊縫，盡量采用斷焊的焊接方式。焊接方法采用熔化極氣體保護焊。因模具選用的鋼板多為6-10mm,根據鋼板厚度所選焊條直徑為1.0mm或1.2mm，根據焊條直徑選擇焊接電流為100A-150A,焊接點壓根據焊接電流確定，公式為GB標準：U=10+0.04I(1)式中，U為焊接電壓（V）；I為焊接電流（A）確定焊接電壓為14-20V。焊接參數如下表2所示。
3.3模具銹蝕問題的改良。預制構件模具長時間與混凝土接觸，如果防銹工作沒處理好，模具將會發生銹蝕情況，銹蝕之后模具很難進行有效保養，時間過久模具尺寸將無法滿足構件生產的精度要求，導致模具報廢現象發生，為避免這一現象，模具的防銹處理是模具生產必不可少的環節。行業內預制構件模具的防銹處理大致分為以下幾種方式。噴漆：噴漆防銹處理作為最常用的防銹處理工藝，在預制構件模具行業中也被大量使用，優勢是簡單方便易于處理，劣勢是由于構件混凝土塊表面比較堅硬，加上拆模操作不當，很容易破壞表面的防銹漆，導致防銹效果下降，防銹漆被破壞之后需要再次運回噴漆車間噴涂，將浪費大量的人力物力財力。電泳：電泳是使用涂料在陰陽兩極，施加于電壓作用下，帶電荷條離子移動到陰極，并與陰極表面所產生的堿性作用行程不溶解物，沉積于模具工作面，電泳漆膜具有涂層均勻、平整、光滑的優點，電泳漆膜的硬度、附著力、耐腐蝕性、沖擊性能、滲透性能優于大部分的涂裝工藝，然而，預制構件模具往往體積過大，采用電泳工藝將極大提高模具成本。防銹油：針對預制構件模具體積大，拆模時預制混凝土構件容易與模具發生碰撞的情況，噴涂防銹油是最快捷且性價比最高的除銹方式，比如WD-40萬能防銹順滑劑，具有極強的滲透性及金屬表面的親和力，能夠在模具表面形成一層薄而秘的保護膜，排除水分，防止生銹，潤滑模具表面也不易于混凝土粘合，清理方便，對模具可提供多方面的保養。與其他的除銹方式相比，WD-40可直接噴涂使用，操作簡單方便、降低工作難度，同時提高工作效率；WD-40潤滑不粘灰，多種功效同事作用，可提高模具使用壽命。WD-40環保安全，保證工作環境安全可靠。
4預制構件模具未來發展趨勢
1）新材料模具的興起。因預制構件種類多，難以統型的問題，模具重量過重難以操作的問題，導致模具市場模具通用性差，成本較高，浪費嚴重的現象時有發生，為解決這一現象，可以采用不同材質的模具，如木模、塑料模具、混合材質模具，提高模具性價比。塑料模加工成本較低，耐腐生性能更好，重量低未來將會廣泛引用于裝配式建筑行業，且塑料模具加工精度更高、質量更好、生產效率更高，可大批量生產，與鋼模模具相比，造價更低，重量更輕，方便拆模組模，安全系數更高，耐腐生性強適用于構件蒸養環境，表面平整度更高，便于生產中收光處理，未來將會成為模具的主要形式。木模模具與鋼模模具相比，有廣泛的材料來源，成本低廉可回收利用，木塑材料可人工合成，根據使用的要求調整模具工藝，型材利用率高，木模在加工過程中對人和環境沒有任何危害，維護費用低，報廢的木模模具可以100％的再生利用，如何解決木模在蒸養環境下的腐蝕問題將成為制約預制構件木模模具發展的重要因素。2）模具車間自動化、智能化。裝配式建筑是“建筑業+制造”的跨界融合新模式，隨著未來5G技術的普及與發展，制造業必將迎來一片嶄新的新市場，裝配式建筑業也將迎來新的發展，解放人力、充分發揮出機器控制帶來的高精度是未來發展的趨勢，模具車間智能化發展主要分為以下幾個方面:組模、拆模的自動化，模具分揀自動化、模具運輸自動化、模具儲存保養自動化、信息管理自動化，這是個慢慢發展的過程、也是行業發展的目標。3）模具標準化。由于各國給地區裝配式建筑發展的情況不同，導致模具通用性較低，未來裝配式建筑的發展重要任務就是標準的統一，包括深化構件圖的統一，繪圖軟件的統一，設計方式的標準化，制作工藝的標準化，模具的標準化、通用性是未來發展的必經之路，也是裝配式建筑能夠不斷進步發展的前提條件。
5結語
裝配式建筑是國家大力推動，未來建筑業發展的大勢所趨，是“制造+建筑”二者跨界融合的新模式，它依托于現代工業化生產技術，把傳統的建筑業現場現澆的模式轉移到工廠進行預制并在工地裝配完成，具有標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、信息化管理、智能化應用的特點。隨著國家政策的要求，新建建筑裝配率正在逐年穩步提高，對于裝配式建筑市場這塊大蛋糕，我國有近千家甲級設計院和上萬施工單位，但是正規的裝配式預制構件模具廠卻寥寥無幾，如何使預制構件模具生產制作能力跟得上裝配式建筑市場的迅猛發展以及工業自動化的腳步，是所有模具制造人員需要共同思考解決的問題。本文通過分析目前裝配式建筑模具所存在的問題，提出了自己目前的解決方案，但是遠遠不足以應對未來大量空缺的模具市場，這就需要所有模具設計人員能夠不斷引進先進的技術，吸取發達國家的先進經驗，結合自身情況共同交流，發散設計思路，改進現有的模具結構，解決現階段預制構件模具存在的問題，引領我國的預制構件模具市場走向更加科學、可持續發展的未來。
作者:劉望 馮淼 單位:徐州工潤建筑科技有限公司