裝配式住宅預制構件的安裝技術

楊恩澤

(中鐵十六局集團城市建設發展有限公司，北京 100018)

1 裝配式技術的背景及發展

1.1 裝配式技術的背景

裝配式住宅是指用工廠生產的預制構件在現場裝配而成的建筑。在裝配式技術發展中，我國出臺了相關的政策，比如國務院辦公室廳《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》。到現在，裝配式技術已經逐漸成型并應用到一些重要工程，普通結構建筑對裝配式預制結構的運用也更加廣泛?？梢哉f，裝配式技術有著很好的前景，發展空間巨大。

1.2 裝配式技術的發展

以前建造房屋需要大量的人力、物力、財力，并且還可能危及生命安全，隨著現代工業技術的發展，現在已經逐步趨于機械化，可以更大量、更快速地生產制造，并且縮短工期。對于某些小部件的裝配，只需要把根據計算得出的預應力結構運用到房屋體系，然后再按結構設計原理組合起來即可。20世紀初，世界各國就對裝配式建筑技術進行過研究，使得此技術較快地在全世界范圍內推廣。早期的裝配式建筑從外觀上來看比較單調，甚至很多都是重復的。后來設計師們在原來的基礎上對裝配式建筑做了一定的改進，使裝配式建筑不再單調，同時還讓裝配式建筑變得更加多樣化，靈活化。而裝配式住宅預制構件也是裝配式建筑的一種，將裝配式技術靈活運用到住宅，運用到人們的住當中來。裝配式建筑所用原材料相對較少，對木材或鋼材的需求量減少很多，符合綠色建筑的要求，這也是裝配式建筑得以迅速發展的一大原因。而預制構件的安裝技術發展過程中，對于互聯網的應用尚且很少，而現在已經是大數據時代，大數據的出現使得很多行業的發展迅速擴大，在建筑行業的運用也很廣泛，比如3D建模軟件等。而將互聯網運用到裝配式預制構件的安裝中來的話，也將是一項新的重大技術突破。

2 預制構件

2.1 預應力鋼筋混凝土結構

現在建筑工藝中大部分使用的是鋼筋混凝土構件，但是鋼筋混凝土結構中的混凝土結構部分的抗壓能力很強，而抗拉強度很低，一般是抗壓強度的1/10，雖然在工程中鋼筋混凝土的結構特性已經較好地避免了這種缺陷，以鋼筋的抗拉性能來代替混凝土所承受的抗拉力。但同時混凝土的極限拉應變相對較小，很難滿足大型工程的正常使用壽命，在傳統工程建筑中只能通過減少設計荷載和設計彎矩值來避免混凝土達到極限拉應變，從而導致整體結構破壞，但是這種方案從結構使用上來看削弱了該建筑的正常使用功能。預制構件的出現主要是為解決鋼筋混凝土中存在的需要帶裂縫工作以及無法利用高強構件，無法有效利用鋼筋的輕質高強的特性這兩個問題。預制構件的作用也主要就是解決這兩個問題，然后將裝配式預制構件運用到居民住宅，即房屋建筑。

2.2 預制構件的定義

裝配式預制構件，也就是裝配式預應力混凝土構件。配置、應用到建筑中，對于房建的話就主要是房梁、天花板等主要受力構件，對這些構件采用裝配式預應力鋼筋混凝土結構進行設計，可以大大提升房屋整體的強度、剛度和穩定性。預制構件的本質就是預加應力大小的控制與預應力構件位置的選擇，計算標準就是對比外荷載對構件的軸力、剪力和彎矩與預制構件產生的內力是否相互抵消。同時應遵循不影響結構本身性質、不增加新的內力、不改變結構本身的使用效果的要求。在此基礎上若抵消的外荷載內力越多，則預制構件所發揮的作用越好，即構件獲得的極限承載力更大。其中因為彎矩對構件(特別是跨梁)的影響更為顯著，因此，以構件所受彎矩值為主要參數，驗算其最大彎矩值與設計彎矩值的大小比較。值得說明的是，預應力是人為控制的一種抵抗力，通過人為的增設預應力來抵抗原有鋼筋混凝土構件所受拉的應力，使得構件在承受靜荷載或動荷載時出現裂縫的幾率降低，延遲裂縫出現的時間或者有效減小裂縫的寬度，給現場人員更長的反應時間，從而減少安全事故的發生概率。

2.3 預制構件的分類和優缺點

2.3.1 預制構件的分類

我國對以鋼材為配筋的配筋混凝土結構系列，按其預應力度分成全預應力混凝土、部分預應力混凝土和鋼筋混凝土三種結構的分類方法。預應力度(λ)的定義就是由預加應力產生的。這三類預應力構件的區別就在于預應力度的不同，也就是抵抗外荷載的程度的不同，也可以認為三類安全等級的構件。

2.3.2 預制構件的優缺點

與鋼筋混凝土結構相比，預制構件的優點是提高了構件的抗裂度和剛度，這是預制構件代替鋼筋混凝土構件的主要原因。預制構件是對住宅某一部位進行驗算過后才投入使用，并且其構件相比混凝土結構來說自重大大降低，還可以節省材料。另外，預制構件在結構兩邊增設的軸向力可以抵抗豎直方向上的荷載，比如房頂上堆積的貨物，風荷載等。而缺點是工藝復雜、設計要求高、成本高。同時，預制構件由于是人為設置的構件，對于預應力的把控需要大量的試驗檢算才能得出滿足要求的預應力，接著還需要精確地設計構件框架、作用位置，預制構件的安裝過程也較為復雜，難以把控。

應當指出，預應力混凝土結構施工工藝比較復雜，對施工質量要求很高，同時，需要有專門的設備，比如張拉機具、孔道壓漿設備等，先張預應力需要有張拉臺座，因而需要配備技術比較熟練的專業團隊等。綜合來說，預應力結構比普通的鋼筋混凝土結構的施工要求和施工難度都更大，成本也更高，但是預應力結構的使用性能會比鋼混凝土結構的使用性能得到顯著提升。此外，預應力還可以提高結構的耐疲勞性能，這對承受相對動荷載的房屋結構來說很有幫助。比如在不同地區就需要考慮不同的抗震要求，在四川地區，由于其地震較多，且發生5級以上地震的概率較大，因此，該地區的建筑建設資金投入也就加大，目的是防止特大地震對房屋的瞬時影響，同時還要考慮小地震對房屋建筑使用壽命的影響。相比之下的貴州地區地震發生的概率較小，但該地區的地勢較為復雜，以喀斯特地貌為主要地形特點，該地區的房屋建筑主要考慮地基構件的影響，通過在地基中設置預制構件來減小這種影響。

3 預制構件的安裝技術和設備

3.1 預加應力的主要安裝技術

先張法，就是先張拉鋼筋，后澆筑構件混凝土的方法，先在張拉臺座上按設計規定的拉力張拉預應力鋼筋，并進行臨時錨固，再澆筑構件混凝土，待混凝土達到要求強度(一般不低于強度設計值的75%)后，放張(將臨時錨具松開，緩慢放松張拉力)，讓預應力鋼筋回縮，通過預應力鋼筋與混凝土之間的粘結作用，將鋼筋的回縮力傳遞給混凝土，使混凝土獲得預壓應力。這種在臺座上張拉預應力筋后澆筑混凝土并通過粘結力傳遞而建立預加應力的混凝土構件就是先張法預制構件。先張法所用的預應力鋼筋一般可用高強鋼絲、鋼絞線等。先張法不專設永久錨具，預應力鋼筋借助與混凝土的粘結力以獲得較好的自錨性能。先張法施工工序簡單，預應力鋼筋靠粘結力自錨，臨時固定所用的錨具(一般稱為工具式錨具或夾具)可用重復使用，大批量生產先預制構件比較經濟，質量也比較穩定。目前，先張法在我國一般用于生產直線配筋的中小型構件。大型構件因需要配合錨具與剪力沿梁長度方向的分布而采用曲線配筋，使施工設備和工藝復雜化，且需要配備較大的張拉臺座，導致此方法的運用需要嚴格的技術保障和高質量的設備要求，在實施安裝起來時又增加了難度，因而很少采用先張法。

先張法對裝配式預制構件的安裝有一定的好處，比如增大了結構的強度，同時這種方法容易操作，對一些小規模建筑工程很實用，只是對于某些大型工程來說這種方法往往不被考慮。

3.2 預制構件安裝技術創新路線

預應力鋼筋混凝土結構的根本技術要求是預加應力的計算把控，根本目的是減小或防止結構構件的開裂或開裂程度。因此，在預制構件的思想基礎上，可以增設靜定多跨梁、減少構件跨度或者在構件支點處增加約束力等方法輔助預應力結構的作用效果，不過此類構件對于實際結構的防裂效果的作用還需要一定的研究才能得出結果。除此之外，對于住宅類型的裝配式預制結構，更多的是考慮靜荷載對構件的影響，需要計算出承載能力極限狀態下的預制構件的結構應力，進行正常使用極限狀態下的預制構件的裂縫和變形的驗算。對于動荷載，主要考慮地震等情況的影響。預應力還可作為結構構件連接的手段，促進梁跨結構新體系與施工方法的發展，這也提醒了人們在未來房屋建筑有可能朝著新的理念去發展。預應力鋼筋還能提高梁跨結構的抗疲勞程度，增強結構耐久性。也就是說，未來的房屋建筑將不僅僅局限于豎向修筑，而且可以往橫向建筑發展，利用預制構件的良好連接性能，將橋梁工藝運用到房屋建筑中，這將是一種新型的房屋建筑工藝技術。

另外，隨著互聯網技術的發展，裝配式預制構件的計算可以通過軟件模擬，在構件的安裝技術上可以利用大數據的數據分析功能折算出最佳的安裝方案。在構件裂縫計算與驗算時，通過自動化桿件壓彎裝置大致模擬出實際建筑中構件的裂縫最大寬度。還可以利用電腦軟件對預制構件的進行預安裝，也就是先按比例縮小對構件的預應力值進行試驗，記錄一次數據，再進行下一次試驗，多次試驗得出最佳預應力值，然后再設計滿足該值要求的預制構件，這樣不僅大大降低了安裝成本，加快了建筑工期，而且可以直接在電腦模擬時就能找出預制構件安裝過程中可能出現的問題，節省了安裝時間和成本。因此，對于裝配式預制構件的安裝技術，不僅僅是局限于預制構件本身所能滿足或提供的承載力，在條件允許的情況下，而且可以適當降低對預制構件所達到的效果，而在裝配式預制構件的安裝過程的簡便化，在數據化上下功夫。這對裝配式預制構件未來的持續發展有很重要的作用。在現在的任何時代都離不開互聯網，如果裝配式技術和預制構件技術可以與互聯網技術得以結合，使房屋建筑構件的安裝變得智能化，數據信息化的構件安裝也能更快、更方便地發現問題與改進。目前很多房屋建筑已經開始運用BIM等軟件進行模型處理，而預制構件屬于細節工程，需要大量的實驗，才能滿足整體要求，有效利用互聯網技術是很可行的。

4 結 論

預制構件的安裝技術要求相比于鋼筋混凝土結構來說難度要大得多，特別是預拉應力和預壓應力的控制，同時，預制構件的安裝過程有較高的設備要求，比如對錨具的選擇；還要有過硬的專業安裝團隊和經驗豐富的技術人員才能完成預應力構件的安裝過程。在當今這個大數據時代，更是需要將建筑技術與互聯網技術相融合，使裝配式預制構件的安裝技術數據化。總之，對于裝配式預制構件的安裝，還有很大的研究空間。

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