立式钢筋骨架绑扎机构方案分析及设计

张文兵 高 慧 吕奎龙 赵志刚

(1.北京工业职业技术学院 机电工程学院，北京 100042；2.北京燕通建筑构件有限公司，北京 102202)

0 引言

预制装配式建筑技术是一种以预制装配式混凝土结构为主要构件，经装配、连接而成的新兴的绿色环保节能型建筑技术。与现场施工相比，预制装配式施工具有施工方便、工程进度快、生产成本较低、对周围环境影响小，并且建筑构件的质量容易得到保证等优点，在世界各地已逐步推广开来。

我国该项技术以前主要应用在工业建筑中，近年来开始在民用建筑特别是住宅建筑中应用，随着我国城市化进程的加快，预制装配式建筑也迎来了新的发展契机。要发展装配式建筑就必须制作预制装配式混凝土结构，首先需要解决钢筋骨架绑扎问题。为此，本文分别设计了骨架移动式和工作台移动式2种立式钢筋骨架绑扎机构，设计制作了样机，并进行了分析比较。

1 方案1：骨架移动式立式墙板钢筋骨架绑扎机构

制作钢筋骨架需预先将钢筋纵横向排好并绑扎结实，在浇灌混凝土前直接整体吊装定位，以便约束混凝土，提高混凝土构件的整体性，并保证其强度达到设计要求。因要承受较大荷载，为了保证钢筋混凝土结构的强度，需要布置大量的钢筋。目前，钢筋骨架的绑扎都是手工进行，需要绑扎的钢筋数量巨大。这种传统的绑扎钢筋的方法不仅速度慢、生产效率低，而且劳动强度大。

通过研制墙板钢筋骨架绑扎机构，可以解决在钢筋骨架生产过程中的实际问题，提高生产效率、减轻工人劳动强度，具有重要的实际意义。

1.1 总体设计

本文设计思路为将原来平铺式钢筋骨架生产方式改为立式，即立式墙板钢筋骨架绑扎机构。该机构设计自动升降装置、工人操作平台，并采用防止倾覆机构(钢筋骨架两边各有2个可旋转90°的卡爪，避免侧翻倾覆，卡爪可随气缸活塞杆上下移动)，工人可在钢筋骨架两侧同时进行绑扎作业。自动升降装置拟采用电动或气动形式，无级调速，可在任意位置停靠，操作方便、安全可靠。

根据设计思路，进行了总体方案设计。该机构两侧为工作台，工人站在上面绑扎钢筋骨架，自动升降装置采用气动机构升降，可在任意位置停靠，方便工人工作，操纵阀控制[1]。骨架移动式立式墙板钢筋骨架绑扎机构如图1所示。

(a)骨架下降(b)骨架上升

1.2 结构设计

在总体设计的基础上，细化立式墙板钢筋骨架绑扎机构的结构。根据钢筋骨架的重量、总体尺寸进行强度计算，确定气动元件的型号、规格和各部结构尺寸及采用型材的规格，完成结构设计。

假定钢筋骨架总重G1=3 000 N，骨架托架选用20#工字钢，总长约10 m，总重G2=3 000 N。钢筋骨架绑扎机构受力图如图2所示。

图2 钢筋骨架绑扎机构受力图

总载荷G=G1+G2=6 000 N，Z方向受力平衡，则

∑F=0

(1)

G=N1+N2=2N

(2)

式(2)中，N1、N2分别为左右2个气缸的支承力，N为气缸的实际输出力。

假定车间气压p=0.5 MPa，缸径为D,则气缸截面积

A=π×(D/2)2

(3)

此时气缸出力

F=pA=0.5×π×(D/2)2

(4)

式(4)中，F为气缸理论出力，实际要根据工况情况确定。气缸出力示意图如图3所示。图3中F为气缸理论出力[2]，f为阻力。

图3 气缸出力示意图

气缸实际输出力

N=KF

(5)

式(5)中，K为载荷系数，对于静负载(如夹紧、低速运动等)，阻力f很小，K≤0.7，取为K=0.7。

代入数值，求得D=φ104 mm。查表，可选缸径为φ125 mm的气缸，考虑两侧2个气缸的不均衡性和安全系数，选择缸径为φ160 mm，行程为2 000 mm的气缸。

1.3 三维数字模型创建

使用主流的机械CAD软件UGNX软件，进行方案总体设计。UGNX实体建模充分继承了传统意义上的线、面、体造型特点，能够方便迅速地创建三维实体模型，而且还可以通过其他特征操作，如扫描、旋转实体等，并加以参数化和布尔操作来进行更为广阔的实体造型[3]。本文创建的包括总体装配和各个部件的三维模型见图1。

2 方案2：工作台移动式立式墙板钢筋骨架绑扎机构

方案1的绑扎机构在钢筋骨架升降时，重心较高，虽然设计有防倾覆机构，但还是易发生侧翻，故方案2改为钢筋骨架固定，而工作台上下升降的模式，工人可以在工作台上进行绑扎工作[4]。工作台移动式立式墙板钢筋骨架绑扎机构如图4所示。

1—工作台；2—支架；3—电动推杆；4—栏杆。

为了方便操作，工作台的升降采用4台电动推杆实现同步升降，该设计结构简单，易于集中控制。底座采用150 mm×150 mm的H型钢制作。工作台选用14#槽钢[5]，上面铺设花纹钢板防滑。操作工作台选用14#槽钢焊接，总长约24 m，总重量4 016 N，花纹钢板厚度2.5 mm，面积为6 m2, 重量1 300 N。

假定工作台上有2人同时进行绑扎工作，按每人重850 N计算，总重量为1 700 N。工作台重量与操作人员总重量为7 016 N，加上栏杆等计为10 000 N。考虑到4台电动推杆工作的不均衡性和安全系数，电动推杆选用DL40型，推拉力为8 000 N，电机功率0.25 kW，下侧法兰联接。

3 方案比较

方案1的绑扎机构结构简单、操作方便，但当钢筋骨架全部升起时重心较高，防倾覆机构的2个卡爪受力条件不好，容易倾覆。方案2的绑扎机构改为钢筋骨架固定不动，稳定性大大提高，能有效防止倾覆，工人随工作台上下升降相对安全，两侧工作台采用电动推杆同步升降，易于集中控制。经征求用户单位技术人员意见，选择方案2进行了样机试制，经现场试用，效果良好，得到用户认可。工作台移动式立式墙板钢筋骨架绑扎机构样机如图5所示。

1—工作台；2—支架；3—电动推杆；4—栏杆。

4 结论

本文对2种立式墙板钢筋骨架绑扎机构的方案进行了比较。综合来看，工作台移动式立式钢筋骨架绑扎机构对于提高生产效率、减轻劳动强度、保障操作安全，解决钢筋骨架生产过程中的实际问题更胜一筹。