框架結構整體預制裝配建造關鍵技術研究與示范

黃立雄 李 琰

1. 上海建工房產有限公司 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量、提高施工效率、縮短整體建造工期[1-4]，同時因為大量構件采用工業化的生產方式，可以大幅降低材料消耗、實現建造過程的節能環保。本文以上海市浦江鎮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優勢，整合多板塊資源，實踐了構架結構的整體預制裝配建造，預制率達到70%，在產品質量、施工速度上獲得大幅提高。

1 框架結構整體預制裝配方案的確定

目前上海地區預制裝配式建筑多采用“圍護體系預制+主體結構現澆”的解決方案，在此基礎上創新了“預制墻體夾心保溫”體系，此類裝配式建筑的結構預制率大部分處于15%～35%。

與剪力墻體系裝配相比，框架體系具有以下優點：

（a）框架結構是點與線之間的關系，結構體系受力比較明確，節點構造連接可靠度更高。

（b）梁、柱等預制構件作為線性構件，自重較輕，有利于現場吊裝和裝配。節點連接效率更高。

（c）異型構件相對較少，構件加工制作質量更加可控。預制率較高，可達50%以上。

（d）建筑空間靈活，框架結構廣泛應用于住宅、商業寫字樓、工業廠房，可以較好地解決“工業生產標準化”和“建筑設計個性化”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浦江鎮中心區的北部高檔別墅功能區內，其中的39#樓確定作為主體結構預制裝配示范項目。該樓為框架結構體系，地下1 層，地上3 層，層高4 m，建筑高度13.3 m，柱網跨度8 m，總建筑面積1 740.02 m2（圖1）。

圖1 浦江鎮128-3地塊39#樓效果

經論證，39#房地下室采用現澆混凝土結構，上部框架柱、梁、板（除屋面板）均采用預制構件，現場拼裝。建筑整體預制率達到70%，其中：

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

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

（c）結構板面厚150 mm（其中預制板厚80 mm，疊合現澆層厚70 mm）；

（d）梁柱交接節點、主次梁交接節點及樓板疊合層采用現澆混凝土形式；

（e）建筑外圍護采用石材幕墻，暫不考慮PC構件。

3 裝配式框架建筑的結構設計節點構造設計

3.1 抗震設防措施

結構整體布置遵循“強柱弱梁、強剪弱彎、強連接弱構件、節點更強”的理念[5]，盡量做到符合抗震概念設計要求。

結構整體計算方法和現澆結構相同。考慮到結構整體裝配的營造特點，補充框架梁柱節點抗剪計算，框架梁端豎縫結合面抗剪計算，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合箍，適當提高柱配箍率，上下柱結合面400 mm范圍內布置鋼筋網片，以提高框架柱延性。

預制柱、梁、板于施工階段均設置可靠支撐，對預制疊合構件進行兩階段受力驗算，以及臨時支撐驗算。

框架節點采用現澆，同時混凝土強度等級提高一級，保證結構的整體性。

3.2 節點構造

3.2.1 預制柱連接

預制柱采用榫頭連接方式，主筋連接采用焊接（圖2）。

圖2 框架預制柱端構造

3.2.2 梁柱節點

預制梁端部采用凹凸設計，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 框架預制梁柱節點構造

3.2.3 主次梁連接

主次梁連接處采用全現澆，主梁鋼筋連通，混凝土待現場二次澆注成型（圖4）。

圖4 框架預制主次梁節點構造

3.2.4 梁板連接

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

圖5 框架預制梁板連接構造

4 節點深化設計

深化設計在實現框架結構整體預制裝配中具有非常重要的意義。本示范項目在設計圖紙的基礎上，深化設計主要完成以下4 個方面的內容[6-8]：

（a）構件尺寸的細化和整合，對復雜的梁、柱、板節點進行虛擬預拼裝，確保現場尺寸吻合。

（b）構件鋼筋位置調整，特別是柱鋼筋、主次梁鋼筋適度偏移，保證現場構件裝配中受力鋼筋不發生沖突。

（c）增設和細化各類臨時性埋件，以滿足結構吊裝、定位、調整的需要。

（d）整合外幕墻、機電等其他專業分包需要的永久性預埋件。

柱子的深化設計需要確定鋼筋的偏移、柱頂吊環、主梁定位臨時牛腿，臨時支撐的埋件（圖6）。

圖6 框架預制柱深化設計

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

圖7 框架預制梁深化設計

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

圖8 框架預制梁深化設計

5 預制構件制備

構件制備遵循“深化設計為指導，信息化編碼控制，以定型鋼模為主，木模為輔，低溫蒸汽養護，流水線生產”的總體原則[9]。

構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，須嚴格控制尺寸、間距和保護層厚度。

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

6 框架結構的現場裝配施工

6.1 施工流程

施工流程見圖9。

6.2 起吊機具

經測算，構件吊裝機械采用500 kN·m汽車吊。預制構件內先預埋吊環，吊環根據構件質量采用不同直徑。

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

圖9 框架結構預制裝配施工流程

鋼扁擔主梁采用工字鋼，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鍵是構件準確就位和垂直度控制。

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

圖10 框架預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，保證梁體標高準確，并在橫桿上用紅漆標明梁外邊線，方便工人在吊裝過程中依靠紅線一次到位（圖11）。

圖11 框架預制梁吊裝

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

圖12 框架預制主次梁連接節點

同向構件鋼筋水平錯開，并與柱子主筋豎向錯開，避免碰撞（圖13）。

圖13 框架預制主次梁節點鋼筋實現避讓

6.5 樓板吊裝

板底整體支架橫桿高度調節完畢后架設方木，預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、主次梁及梁柱節點統一采用C40，且主次梁、梁柱節點加強振搗，以避免節點處產生蜂窩麻面。

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統計，本示范項目單層裝配時間約為10 d，較常規工期（7 d）延長33%。經過對統計數據的深入分析發現，框架結構裝配的有效施工時間是非常節省的，工期存在進一步優化的可能，未來改善的重點應集中在支撐體系的革新、工人操作培訓、物流供應效率等方面，如圖15所示。

圖15 框架結構整體預制裝配施工工期分析

7 總結與展望

上海浦江鎮128-3地塊39#樓采用框架結構整體預制裝配方案建造，其預制率達到了70%。

通過該示范工程的實踐，我們對框架結構整體預制裝配的設計技術、深化設計技術、制備技術、現場裝配技術等展開了深入的研究，總結了一套適用于主體結構預制裝配的整體解決方案和工藝，相關成果已經反映到上海市建設標準《裝配整體式混凝土結構施工及質量驗收規范》之中。

主體結構預制裝配是未來PC行業的發展趨勢，只有進一步提高PC建筑的預制率、進一步增加PC建筑的建設規模，工業化的優勢才能進一步發揮。框架結構因為其較好的建筑適用性，可以作為未來主體結構預制裝配的主要發展方向。