0 引言

　　近年来，装配式建筑、绿色建筑等新理念和技术受到国家与社会的大力支持，各级政府相继出台一系列促进行业转型、升级的政策和措施^[1]。建筑构(配)件的预制化、工厂化已成为建筑业的发展必然趋势，然而作为建筑构(配)件重要组成部分的钢筋骨架因其结构形状、规格参数的多样性，钢筋骨架的自动成型技术发展较缓慢。

　　钢筋骨架是20世纪初在国外首先发明，俗称“钢筋笼”，它对混凝土结构起到支撑、提高负载能力的作用^[2]。目前建筑用梁、柱、墙板钢筋骨架一般是在现场通过手工绑扎或手工焊接而成，不仅生产效率低，而且手工制作钢筋笼存在诸多问题，如绑扎连接骨架极易变形，主筋、箍筋间距和位置易窜动，精度难以控制致使现场连接效率低;手工作业同样无法准确控制钢筋骨架的主筋和箍筋间距，现场钢筋骨架连接的效率低，施工劳动强度大，严重影响工程建设质量和效率。因此，钢筋骨架的自动化成型技术亟待改善和发展。

　　模块化以产品生产的功能、结构参数、成本、效率等为对象，实现产品的多样化并满足不同用户的定制需求^[3]。通过模块化方法对钢筋骨架的成型工艺进行分析研究，对其功能进行模块优化，具有如下优点:(1)有利于实现骨架成型生产线的柔性化和可重组性;(2)有利于实现骨架成型从原材到成品的信息化管理，使产品具有可追溯性;(3)有利于实现钢筋骨架成型加工工艺的定制化，满足骨架的多样性需求。

　　1 钢筋骨架

　　现有的预制混凝土建筑结构体系中^[4]，钢筋成型骨架一般可分为柱钢筋骨架、梁钢筋骨架和墙板钢筋骨架。

　　1.1 柱钢筋骨架

　　预制构件柱钢筋骨架按其箍筋形式一般可分为平面箍筋和连续箍筋，其结构形式如图1所示。目前，桩基、墩柱用钢筋骨架一般都为圆形，由主筋、螺旋箍筋和加劲箍筋组成，其结构形式相对单一，已形成成熟的加工工艺及专用成型设备。

　　

　　图1 柱钢筋骨架箍筋形式 

　　 

　　“平面箍筋”是箍筋单独存在，一般采用先加工好规定的箍筋形状，然后人工放置、定位好后绑扎制作。

　　“连续箍筋”可连续给料，有利于采用机械设备实现全自动加工，但不同箍筋形式需专门的设备加工，很难实现加工设备的通用化。

　　为适应钢筋骨架的自动化、专业化加工，柱箍筋形式出现焊接格网箍筋^[5]、“一笔箍”筋^[6,7]、螺旋箍筋^[8]、组合螺旋箍筋^[8]、连续“一笔箍”筋^[6,7]等。

　　1.2 梁钢筋骨架

　　预制梁钢筋骨架按箍筋形式主要分为独立箍筋和螺旋箍筋2种形式，如图2所示。

　　1.3 墙钢筋骨架

　　

　　图2 梁钢筋骨架箍筋形式 

　　 

　　预制剪力墙板钢筋骨架一般分为边缘构件骨架和墙板骨架2种。边缘构件钢筋笼设计与结构柱类似，墙体分布筋钢筋笼设计与预制板类似^[5]。

　　相较于传统剪力墙钢筋骨架避免了繁多的绑扎点，采用专业化加工能保证其间距和尺寸，精度高，废料少，且最终确保预制构件质量。

　　墙板钢筋骨架及边缘构件钢筋骨架如图3～5所示。

　　

　　图3 墙板钢筋骨架箍筋形式  

　　 

　　

　　图4 T形边缘构件钢筋骨架 

　　 

　　

　　图5 L形边缘构件钢筋骨架 

　　 

　　2 钢筋骨架成型工艺

　　建筑用预制构件钢筋骨架，由于梁、柱在机械成型加工过程中类似，故按成型工艺过程及方法的不同，一般可分为梁柱钢筋骨架成型和剪力墙钢筋骨架成型。

　　2.1 梁柱钢筋骨架成型工艺

　　梁柱钢筋骨架成型工艺针对其2类箍筋结构形式也可分为2大类。

　　2.1.1 平面箍筋钢筋骨架成型工艺

　　预制梁柱平面箍筋骨架的一般加工工艺流程，如图6所示。

　　

　　图6 平面箍筋骨架成型工艺 

　　 

　　对平面箍筋骨架成型工艺进行分析，其各功能如表1所示。

　　  

　　表1 平面箍筋骨架成型工艺功能分析 

　　 

　　 

　　

　　2.1.2 螺旋箍筋钢筋骨架成型工艺

　　根据目前较成熟的桩基钢筋笼自动化加工工艺步骤，并结合梁柱钢筋笼骨架的特点和形式，制定了成型加工的工艺流程，如图7所示。

　　

　　图7 螺旋箍筋骨架成型工艺 

　　 

　　  

　　表2 螺旋箍筋骨架成型工艺功能分析 

　　 

　　 

　　

　　螺旋箍筋骨架成型工艺各功能如表2所示。

　　2.2 剪力墙钢筋骨架成型工艺

　　剪力墙钢筋骨架成型主要有边缘构件骨架成型工艺和墙板钢筋骨架成型工艺。边缘构件骨架是把纵向受力筋和横向箍筋的焊接组合加工。箍筋由机械手放置到设定位置，纵筋由人工放置在设定位置。之后设备自动完成墙板钢筋骨架的步进、定位和焊接。

　　墙板钢筋骨架主要是通过开口网片组合而成，其成型工艺为:线材→网片成型→弯网→组合成型→成品收集→存储运输。

　　边缘构件的钢筋骨架加工类似于梁柱，都为棒材纵筋和线材箍筋组合而成，而对墙板构件骨架成型工艺各功能研究分析，其功能名称和功能描述如表3所示。

　　  

　　表3 墙板骨架成型工艺功能分析 

　　 

　　 

　　

　　3 模块化技术

　　模块化包含2个主要过程:模块分解和模块集成^[9]。模块是通过对功能单元分析，并依据在结构参数、安装接口、运行维护等方面的特点进行的最大适应性划分。产品族可定义为是1组产品，它具有相同的内部接口，这些接口在设计的各领域(功能域、技术域、物理域)中必须为标准接口，以使产品的部件能完全互换^[3]。模块化系统最终得到一系列的模块最优组合方式，从而适应产品的多样化，进而形成产品族，如图8所示。

　　

　　图8 模块系统与产品族的关系 

　　 

　　通过对钢筋骨架成型工艺中的每项功能进行分析对比，将各类骨架成型的专用工艺、通用工艺及中间辅助环节制作成模块。

　　3.1 模块化系统

　　根据几种典型钢筋骨架的成型工艺功能分析可看出，在不同骨架成型时，其有些功能属于通用功能，如原材分料、成品储存运输环节;专用功能如箍筋成型、网片成型等。对其进行成型工艺的模块化，如图9所示。

　　

　　图9 钢筋骨架成型工艺模块化系统 

　　 

　　3.2 成型工艺模块化设计

　　建筑构件钢筋骨架的成型工艺由于其纵筋、箍筋的规格、长度、形状差异，其功能模块需在实际骨架成型过程中不断细化、完善。钢筋骨架成型工艺中包括纵筋的棒材成型工艺和箍筋的线材成型工艺，这2种工艺对应的加工设备属于2类。

　　针对建筑构件梁、柱、墙板常用的钢筋骨架设计专门化的成型工艺，作为模块化钢筋骨架成型的典型工艺，根据这些参数有助于钢筋骨架机械化、自动化设备的开发，减少难度，降低成本。然后针对一些特殊需求或要求的骨架，分析其通用模块、专用模块，集中开发专用工艺和设备，从而减少开发周期，同时也能增加工艺或设备的通用性，如此，使钢筋骨架的成型加工实现专业化、工厂化及智能化加工。在钢筋骨架加工过程中，依据工程项目中骨架的图纸参数，在成型工艺数据库进行查询并选取成型工艺模型，然后通过规划布置、成本、效率等方面的对比分析，完成工艺模型评价，不满足要求的再重复上述步骤直到达到需求，最后输出模型形成钢筋骨架成型工艺，如图10所示。

　　

　　图1 0 钢筋骨架成型工艺模块化设计流程 

　　 

　　4 信息化管理技术的应用

　　钢筋骨架的整个周期是图纸翻样-检查原材-下料加工-储存运输-预制构件-建筑。第1步需针对预制建筑构件骨架的设计、成型加工、装配等的数据进行特征建模，建立骨架的特征模型^[10]。

　　4.1 BIM数据的对接与共享

　　在BIM软件中，根据施工图纸建立钢筋骨架的模型，完成基于BIM的钢筋深化设计^[11]。然后专业化的钢筋加工信息管理软件采用专门的数据接口与BIM实现对接和数据共享，这种方式可解决传统图纸翻样过程中效率低、工作量大且出错率极高的问题。构件中钢筋骨架的信息通过软件在料单、成型设备、储存、供货需求等方面实现数据传输和共享，从而实现钢筋加工信息的实时管理。钢筋骨架中钢筋规格、长度、数量、成型形状、工艺顺序等数据经管理软件的统计分析，最终优化匹配成生产任务单。

　　4.2 成型工艺选取

　　管理软件代替人完成工艺的优化配置最根本是需有完善的成型工艺模块。

　　钢筋加工管理软件会根据加工任务单中钢筋骨架的数据，在软件数据服务中心，对钢筋图形尺寸数据按钢筋级别、尺寸等进行数据规并。按钢筋图形尺寸特征对钢筋和加工工艺、工序进行优化匹配，选择在规划布置、成本、效率等方面最优的加工工艺，从而实现加工资源的优化配置。

　　4.3 钢筋成品仓储管理

　　成品加工完成后需检验，需符合GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》^[12]。检验合格后的钢筋制品进行入库管理，可通过工位机自动完成入库反馈，也可通过PDA+QR二维码的方式进行质量检验入库^[11]。

　　5 结语

　　模块化钢筋骨架自动成型工艺技术有助于适应钢筋骨架的多样化加工需求，但仍需在实践中不断积累与完善，在以下几个方面还需做进一步研究与开发:(1)钢筋骨架结构设计的标准化，从而提升骨架成型工艺的标准化，进而大幅度降低成本;(2)钢筋骨架成型工艺设备的自动化、智能化、多功能化设计;(3)钢筋骨架信息化管理中仿真技术、物联网、大数据等技术的应用。