框架結(jié)構(gòu)整體預(yù)制裝配建造關(guān)鍵技術(shù)研究與示范

黃立雄 李 琰

1. 上海建工房產(chǎn)有限公司 上海 200080；2. 上海建工五建集團有限公司 上海 200063

裝配式建造可以有效改善工程質(zhì)量、提高施工效率、縮短整體建造工期[1-4]，同時因為大量構(gòu)件采用工業(yè)化的生產(chǎn)方式，可以大幅降低材料消耗、實現(xiàn)建造過程的節(jié)能環(huán)保。本文以上海市浦江鎮(zhèn)128-3地塊的39#樓為研究與示范工程，集上海建工集團之技術(shù)優(yōu)勢，整合多板塊資源，實踐了構(gòu)架結(jié)構(gòu)的整體預(yù)制裝配建造，預(yù)制率達到70%，在產(chǎn)品質(zhì)量、施工速度上獲得大幅提高。

1 框架結(jié)構(gòu)整體預(yù)制裝配方案的確定

目前上海地區(qū)預(yù)制裝配式建筑多采用“圍護體系預(yù)制+主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆”的解決方案，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新了“預(yù)制墻體夾心保溫”體系，此類裝配式建筑的結(jié)構(gòu)預(yù)制率大部分處于15%～35%。

與剪力墻體系裝配相比，框架體系具有以下優(yōu)點：

（a）框架結(jié)構(gòu)是點與線之間的關(guān)系，結(jié)構(gòu)體系受力比較明確，節(jié)點構(gòu)造連接可靠度更高。

（b）梁、柱等預(yù)制構(gòu)件作為線性構(gòu)件，自重較輕，有利于現(xiàn)場吊裝和裝配。節(jié)點連接效率更高。

（c）異型構(gòu)件相對較少，構(gòu)件加工制作質(zhì)量更加可控。預(yù)制率較高，可達50%以上。

（d）建筑空間靈活，框架結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于住宅、商業(yè)寫字樓、工業(yè)廠房，可以較好地解決“工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化”和“建筑設(shè)計個性化”的矛盾。

2 示范工程概況

上海浦江128-3地塊位于上海市閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)中心區(qū)的北部高檔別墅功能區(qū)內(nèi)，其中的39#樓確定作為主體結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配示范項目。該樓為框架結(jié)構(gòu)體系，地下1 層，地上3 層，層高4 m，建筑高度13.3 m，柱網(wǎng)跨度8 m，總建筑面積1 740.02 m2（圖1）。

圖1 浦江鎮(zhèn)128-3地塊39#樓效果

經(jīng)論證，39#房地下室采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，上部框架柱、梁、板（除屋面板）均采用預(yù)制構(gòu)件，現(xiàn)場拼裝。建筑整體預(yù)制率達到70%，其中：

（a）預(yù)制短柱尺寸為500 mm×500 mm、400 mm×400 mm；

（b）預(yù)制梁截面尺寸為300 mm×700 mm、200 mm×500 mm、300 mm×650 mm；

（c）結(jié)構(gòu)板面厚150 mm（其中預(yù)制板厚80 mm，疊合現(xiàn)澆層厚70 mm）；

（d）梁柱交接節(jié)點、主次梁交接節(jié)點及樓板疊合層采用現(xiàn)澆混凝土形式；

（e）建筑外圍護采用石材幕墻，暫不考慮PC構(gòu)件。

3 裝配式框架建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計節(jié)點構(gòu)造設(shè)計

3.1 抗震設(shè)防措施

結(jié)構(gòu)整體布置遵循“強柱弱梁、強剪弱彎、強連接弱構(gòu)件、節(jié)點更強”的理念[5]，盡量做到符合抗震概念設(shè)計要求。

結(jié)構(gòu)整體計算方法和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相同。考慮到結(jié)構(gòu)整體裝配的營造特點，補充框架梁柱節(jié)點抗剪計算，框架梁端豎縫結(jié)合面抗剪計算，疊合梁斜截面抗剪計算，疊合梁撓度及裂縫驗算。

框架柱全高采用井字復(fù)合箍，適當(dāng)提高柱配箍率，上下柱結(jié)合面400 mm范圍內(nèi)布置鋼筋網(wǎng)片，以提高框架柱延性。

預(yù)制柱、梁、板于施工階段均設(shè)置可靠支撐，對預(yù)制疊合構(gòu)件進行兩階段受力驗算，以及臨時支撐驗算。

框架節(jié)點采用現(xiàn)澆，同時混凝土強度等級提高一級，保證結(jié)構(gòu)的整體性。

3.2 節(jié)點構(gòu)造

3.2.1 預(yù)制柱連接

預(yù)制柱采用榫頭連接方式，主筋連接采用焊接（圖2）。

圖2 框架預(yù)制柱端構(gòu)造

3.2.2 梁柱節(jié)點

預(yù)制梁端部采用凹凸設(shè)計，梁體擱置于柱端，梁底主筋伸入柱滿足錨固長度，梁頂主筋于疊合層施工前綁扎（圖3）。

圖3 框架預(yù)制梁柱節(jié)點構(gòu)造

3.2.3 主次梁連接

主次梁連接處采用全現(xiàn)澆，主梁鋼筋連通，混凝土待現(xiàn)場二次澆注成型（圖4）。

圖4 框架預(yù)制主次梁節(jié)點構(gòu)造

3.2.4 梁板連接

采用80 mm疊合板，現(xiàn)澆層厚70 mm。疊合板擱置段35 mm，上皮鋼筋現(xiàn)場綁扎（圖5）。

圖5 框架預(yù)制梁板連接構(gòu)造

4 節(jié)點深化設(shè)計

深化設(shè)計在實現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)整體預(yù)制裝配中具有非常重要的意義。本示范項目在設(shè)計圖紙的基礎(chǔ)上，深化設(shè)計主要完成以下4 個方面的內(nèi)容[6-8]：

（a）構(gòu)件尺寸的細(xì)化和整合，對復(fù)雜的梁、柱、板節(jié)點進行虛擬預(yù)拼裝，確?，F(xiàn)場尺寸吻合。

（b）構(gòu)件鋼筋位置調(diào)整，特別是柱鋼筋、主次梁鋼筋適度偏移，保證現(xiàn)場構(gòu)件裝配中受力鋼筋不發(fā)生沖突。

（c）增設(shè)和細(xì)化各類臨時性埋件，以滿足結(jié)構(gòu)吊裝、定位、調(diào)整的需要。

（d）整合外幕墻、機電等其他專業(yè)分包需要的永久性預(yù)埋件。

柱子的深化設(shè)計需要確定鋼筋的偏移、柱頂?shù)醐h(huán)、主梁定位臨時牛腿，臨時支撐的埋件（圖6）。

圖6 框架預(yù)制柱深化設(shè)計

因梁柱節(jié)點區(qū)鋼筋密集，主梁深化設(shè)計的重點是考慮柱、梁鋼筋位置的吻合（圖7）。

圖7 框架預(yù)制梁深化設(shè)計

在主次梁交接位置設(shè)置抗彎支撐，滿足吊裝過程中梁體的剛度要求。在梁端設(shè)置角鋼預(yù)埋件提高構(gòu)件局部承壓能力。同時在梁體深化圖中整合幕墻埋件等（圖8）。

圖8 框架預(yù)制梁深化設(shè)計

5 預(yù)制構(gòu)件制備

構(gòu)件制備遵循“深化設(shè)計為指導(dǎo)，信息化編碼控制，以定型鋼模為主，木模為輔，低溫蒸汽養(yǎng)護，流水線生產(chǎn)”的總體原則[9]。

構(gòu)件半成品的鋼筋切斷、對焊、成型的加工均在原鋼筋車間進行，須嚴(yán)格控制尺寸、間距和保護層厚度。

精確的深化設(shè)計和工業(yè)化流水線生產(chǎn)方式保證了構(gòu)件的高效無誤制備，本工程所需各預(yù)制柱、梁和樓板從2012年6月初開始生產(chǎn)，到2012年7月中旬全部制備完畢。

6 框架結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場裝配施工

6.1 施工流程

施工流程見圖9。

6.2 起吊機具

經(jīng)測算，構(gòu)件吊裝機械采用500 kN·m汽車吊。預(yù)制構(gòu)件內(nèi)先預(yù)埋吊環(huán)，吊環(huán)根據(jù)構(gòu)件質(zhì)量采用不同直徑。

考慮到疊合板吊裝受力問題，吊裝采用鋼扁擔(dān)作為起吊工具，保證吊點的垂直，以減少水平分力。鋼扁擔(dān)采用吊點可調(diào)的形式，使其通用性更強。

圖9 框架結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配施工流程

鋼扁擔(dān)主梁采用工字鋼，鋼絲繩采用直徑為17.5 mm（6×37鋼絲，繩芯1）的鋼絲。

6.3 框架柱吊裝定位

框架柱吊裝過程的關(guān)鍵是構(gòu)件準(zhǔn)確就位和垂直度控制。

為此在下端柱頂面設(shè)置井字形定位箍，控制預(yù)制柱榫頭位置，實現(xiàn)吊裝的一次就位。采用臨時斜撐調(diào)整框架柱垂直度（圖10）。

圖10 框架預(yù)制柱頂采用井字形定位箍

6.4 梁板體系吊裝

采用鋼管排架作為框架梁支撐體系。梁起吊就位前，對梁下橫桿進行兩測兩校，保證梁體標(biāo)高準(zhǔn)確，并在橫桿上用紅漆標(biāo)明梁外邊線，方便工人在吊裝過程中依靠紅線一次到位（圖11）。

圖11 框架預(yù)制梁吊裝

為保證主次梁節(jié)點處次梁能夠順利就位，次梁構(gòu)件預(yù)留30 cm混凝土空擋，采用水平穿插的形式避讓主梁縱筋，實現(xiàn)次梁就位（圖12）。

圖12 框架預(yù)制主次梁連接節(jié)點

同向構(gòu)件鋼筋水平錯開，并與柱子主筋豎向錯開，避免碰撞（圖13）。

圖13 框架預(yù)制主次梁節(jié)點鋼筋實現(xiàn)避讓

6.5 樓板吊裝

板底整體支架橫桿高度調(diào)節(jié)完畢后架設(shè)方木，預(yù)制板按照板受力方向輕放，并在綁扎疊合板面層鋼筋前，將板與板，板與梁空隙采用砂漿灌密實（圖14）。

圖14 框架預(yù)制疊合板吊裝就位

疊合板厚度為70 mm，面層混凝土、主次梁及梁柱節(jié)點統(tǒng)一采用C40，且主次梁、梁柱節(jié)點加強振搗，以避免節(jié)點處產(chǎn)生蜂窩麻面。

6.6 裝配效率分析

在施工中我們對主要工序耗時以及各層裝配工期進行了詳細(xì)統(tǒng)計，本示范項目單層裝配時間約為10 d，較常規(guī)工期（7 d）延長33%。經(jīng)過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的深入分析發(fā)現(xiàn)，框架結(jié)構(gòu)裝配的有效施工時間是非常節(jié)省的，工期存在進一步優(yōu)化的可能，未來改善的重點應(yīng)集中在支撐體系的革新、工人操作培訓(xùn)、物流供應(yīng)效率等方面，如圖15所示。

圖15 框架結(jié)構(gòu)整體預(yù)制裝配施工工期分析

7 總結(jié)與展望

上海浦江鎮(zhèn)128-3地塊39#樓采用框架結(jié)構(gòu)整體預(yù)制裝配方案建造，其預(yù)制率達到了70%。

通過該示范工程的實踐，我們對框架結(jié)構(gòu)整體預(yù)制裝配的設(shè)計技術(shù)、深化設(shè)計技術(shù)、制備技術(shù)、現(xiàn)場裝配技術(shù)等展開了深入的研究，總結(jié)了一套適用于主體結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配的整體解決方案和工藝，相關(guān)成果已經(jīng)反映到上海市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)施工及質(zhì)量驗收規(guī)范》之中。

主體結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配是未來PC行業(yè)的發(fā)展趨勢，只有進一步提高PC建筑的預(yù)制率、進一步增加PC建筑的建設(shè)規(guī)模，工業(yè)化的優(yōu)勢才能進一步發(fā)揮?？蚣芙Y(jié)構(gòu)因為其較好的建筑適用性，可以作為未來主體結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配的主要發(fā)展方向。