重慶市某工程裝配式設(shè)計方案優(yōu)選及建造關(guān)鍵技術(shù)研究

胡黎，李永福

（重慶建工建筑產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，重慶 400082）

1 工程概況

當前，世界大約50%的住宅開發(fā)在中國，我國在住宅制造和使用過程中消耗的能源占社會總能耗的30%，相關(guān)建材的生產(chǎn)能耗占16.7%[1]。為牢固樹立和貫徹落實創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，國務(wù)院和各省市發(fā)布了多項文件，對裝配式建筑發(fā)展提出指導(dǎo)目標和方案。其中，《重慶市人民政府辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的實施意見》要求，力爭到2020年全市裝配式建筑面積占新建建筑面積的比例達到15%以上，到2025年達到30%以上。

重慶市某高校宿舍樓工程，一期建筑面積約170000m2。根據(jù)合同要求，該工程約40000m2的建筑需采用裝配式方案建造技術(shù)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，本科、碩士、博士3棟樓宿舍樓造型較為規(guī)整，建造形式大致相同，適合采用裝配式方案建造技術(shù)，本文以該項目博士生宿舍為例進行說明 （圖1）。博士生宿舍總建筑面積16947.50m2，其中地上建筑面積 16227.50m2，地下建筑面積720.00m2，建筑高度27.600m，地上8層，地下1層（局部吊層）。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年，抗震設(shè)防烈度6度。

圖1 重慶某工程宿舍樓3D設(shè)計效果圖

2 裝配式設(shè)計方案優(yōu)選

2.1 方案概況

為達成業(yè)主要求的節(jié)點工期，必須選擇技術(shù)成熟度高、施工速度快、質(zhì)量易得到保證的裝配式方案，同時，要考慮后期使用體驗感和維修率。因此，對重慶和成都裝配式建筑實施情況進行了考察。經(jīng)多次討論，主體結(jié)構(gòu)梁柱初步形成4種裝配式方案：全PC方案、豎向結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土的鋼框架方案（為做區(qū)分，本文簡稱為鋼管混凝土方案）、鋼柱內(nèi)不澆筑混凝土的普通鋼框架方案（本文簡稱鋼框架方案）及交錯桁架方案（表1）。

表1 裝配式方案概況

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)樓板主要采用鋼筋桁架樓承板，價格較高，且在不做吊頂?shù)那闆r下，作為宿舍的頂棚在建筑美感上有所不足，所以該工程的樓板統(tǒng)一采用PC疊合板；樓梯采用預(yù)制混凝土樓梯；內(nèi)隔墻采用ALC板，經(jīng)濟和質(zhì)量較為理想；維護墻體的條板墻，總體造價高昂，造價超過普通砌體的3倍，且存在滲漏風(fēng)險，故采用加氣混凝土砌塊。宿舍樓按要求進行全裝修施工。

2.2 裝配率對比

表2 博士生宿舍裝配率對比表

裝配式建筑是指結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)的主要部分采用預(yù)制部品部件集成的建筑。該工程按《重慶市裝配式建筑裝配率計算細則（試行）》進行裝配率計算。計算時，按主體結(jié)構(gòu)、圍護墻與內(nèi)隔墻、裝修和設(shè)備管線三大類進行評價，并利用BIM技術(shù)，快速建模，得出初步工程量，作為各方面對比的依據(jù)（表2）。

2.3 工程量對比

經(jīng)過初步計算，其主要工程量如下：

（1）全PC方案：基礎(chǔ)總計133個直徑約1200mm樁；主體含鋼量約 32kg/m2（梁 12kg/m2，板 6.5kg/m2， 墻 12kg/m2， 柱1.5kg/m2）；混凝土用量約0.3m3/m2。

（2）鋼管混凝土方案：基礎(chǔ)總計133個直徑約1200mm樁；主體用鋼量約56.4kg/m2（鋼柱26.3kg/m2，鋼 梁 22.9kg/m2，樓 梯及其它7.2kg/m2）；混凝土用量約0.14m3/m2。

（3）鋼框架方案：基礎(chǔ)總計133個直徑約1200mm樁；主體用鋼量約85kg/m2（鋼柱52.2kg/m2，鋼梁 25.6kg/m2，樓梯及其它7.2kg/m2）；混凝土用量為 0.12m3/m2。

（4）交錯桁架方案：基礎(chǔ)總計68個直徑約1200mm樁；主體用鋼量約49.6kg/m2（鋼柱15.1kg/m2， 鋼梁22.9kg/m2， 支撐 4.3kg/m2，樓梯及其它 7.3kg/m2）；混凝土用量約0.12m3/m2。

2.4 基礎(chǔ)及主體施工工期對比

（1）預(yù)制PC方案：預(yù)計基礎(chǔ)工期50d，主體結(jié)構(gòu)100d，共150d。

（2）鋼管混凝土架方案：預(yù)計基礎(chǔ)工期50d，主體結(jié)構(gòu)75d，共125d。

（3）鋼框架方案：預(yù)計基礎(chǔ)工期 50d，主體 60d，共 110d。

（4）交錯桁架方案：預(yù)計基礎(chǔ)施工 30d，主體 60d，共 90d。

2.5 裝配式方案確定

根據(jù)以上預(yù)計方案對比可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)制PC方案造價略低于交錯桁架，但工期長，且無法滿足裝配式建筑裝配率50%，故預(yù)制PC方案首先排除。再通過對比鋼管混凝土、鋼框架及交錯桁架方案，裝配率方面幾乎相同，而交錯桁架方案的工期最短，造價最低，理論上為該工程最優(yōu)方案，但交錯桁架體系在國內(nèi)應(yīng)用的實例僅2起，該工程的設(shè)計及施工人員均從未參與過相關(guān)工程，設(shè)計難度大，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員最終放棄了采用該方案。鋼管混凝土方案造價明顯低于鋼框架方案，但工期略長。

綜上，最終選擇了鋼框架方案。

3 建造關(guān)鍵技術(shù)

3.1 BIM深化設(shè)計

BIM技術(shù)的核心是信息集成。BIM技術(shù)目前在國內(nèi)一些大型工程如北京水立方、上海中心大夏等已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用，盡管國內(nèi)研究和應(yīng)用起步較晚，但BIM技術(shù)在設(shè)計、施工和維護管理階段的作用正在得到一步步證實[2]。在裝配式建筑設(shè)計階段，由于裝配式建筑設(shè)計多專業(yè)協(xié)同難度大、精細化程度要求高、設(shè)計內(nèi)容要求全、成本管控嚴的特點，傳統(tǒng)設(shè)計方式無法滿足裝配式建筑的需求，但BIM技術(shù)能從可視化、協(xié)同化、參數(shù)化這三方面達到裝配式建筑構(gòu)件拆分的目的[3]。

該工程利用BIM相關(guān)軟件，建立結(jié)構(gòu)模型、機電管線模型、裝飾模型（圖2）。通過對機電管線深化、排布，確定構(gòu)件預(yù)留洞口、預(yù)埋管位置，復(fù)核管線交叉、管線排布尺寸，進行結(jié)構(gòu)與機電管線的碰撞檢查，形成碰撞分析報告，根據(jù)報告中的問題制定相應(yīng)對策，并利用結(jié)構(gòu)模型直接出深化設(shè)計圖。最終保證了該工程所有的預(yù)制構(gòu)件幾乎未出現(xiàn)明顯預(yù)留預(yù)埋錯漏，且大幅降低了傳統(tǒng)施工構(gòu)件設(shè)計不合理造成的現(xiàn)場返工量大的情況，也降低了整個工程的工期及造價。

圖2 BIM模型

3.2 疊合板與鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點優(yōu)化

裝配式建筑構(gòu)造節(jié)點設(shè)計的要求如下：第一，節(jié)點設(shè)計的構(gòu)件要具備優(yōu)良的使用功能。構(gòu)件材料要通過車間生產(chǎn)完成，設(shè)計中要以信息化與標準化、規(guī)范化為主，以質(zhì)量可靠為目標進行設(shè)計規(guī)范化處理。第二，節(jié)點設(shè)計要減少施工困難[4]。

疊合板通常與混凝土梁相組合。根據(jù)《桁架鋼筋混凝土疊合板（60mm厚底板）》（15G366—1）的要求，疊合板在梁上的擱置長度為1cm。而該工程采用疊合板與鋼結(jié)構(gòu)的組合形式，兩種構(gòu)件都是在工廠加工，現(xiàn)場組裝。而1cm的加工及施工總誤差在所難免，容易致使疊合板無法擱置在鋼梁上，從而導(dǎo)致澆筑混凝土?xí)r漏漿，甚至造成安全隱患。但疊合板擱置長度過長又會與鋼梁上的剪力釘沖突。最終從多方面考慮，將栓釘略微內(nèi)移，疊合板擱置長度定為2cm，并對互相碰撞的鋼梁栓釘及疊合板鋼筋進行調(diào)整（圖 3）。

圖3 疊合板與鋼梁連接節(jié)點大樣圖

傳統(tǒng)疊合板需采用滿堂腳手架，而該工程創(chuàng)新地利用鋼梁承重的特性，取消梁兩側(cè)的立桿，采用支撐加強體系的抱箍（圖4），而跨中只設(shè)1至2道立桿支撐。該形式避免了疊合板未擱置在梁上造成傾覆等安全隱患，方便人員進行施工作業(yè)及檢查，減少對堆場的要求。在成本上，對比滿堂腳手架，節(jié)約30%左右；在空間上，作業(yè)層下只有局部立桿，節(jié)能80%。

支撐加強體系包括抱箍、銷桿、可調(diào)支撐、木方等。其中抱箍由8mm鋼板及兩根48*3的圓管組成，底座為鋼管C16槽鋼制成，底座上方的可調(diào)節(jié)支撐由48*3的圓管構(gòu)成。工人利用抱箍的功能特點，將該產(chǎn)品固定在鋼架梁上，實現(xiàn)鋼框架工具式抱箍，調(diào)節(jié)可調(diào)支撐的高度，托起PC疊合樓板，達到自承重的效果。

圖4 鋼梁、疊合板組合支撐加強體系抱箍示意圖

3.3 墻體與鋼結(jié)構(gòu)連接及防開裂節(jié)點優(yōu)選

鋼結(jié)構(gòu)變形能力強，可以滿足結(jié)構(gòu)抗震的需要，但墻體剛度很大，與鋼結(jié)構(gòu)的變形不一致，容易在相交處產(chǎn)生裂縫。連接節(jié)點必須考慮變形能力，材料間要預(yù)留出一定的縫隙，允許其變形，又要求縫隙不能影響建筑的正常功能。

（1）該工程條板墻與主體結(jié)構(gòu)之間采用柔性連接，以防止出現(xiàn)裂縫。縫隙用專用嵌縫劑填充并用PU發(fā)泡劑封堵。同時為了建筑美觀，鋼梁的上下翼緣之間砌筑加氣混凝土，并在不同材質(zhì)交界處掛耐堿玻纖網(wǎng)格布（圖5）。

圖5 挑板節(jié)點大樣圖

（2）墻體開裂不僅影響美觀，還會造成滲漏等質(zhì)量問題，外墻對墻體開裂的要求更為嚴格。同時為滿足節(jié)能要求，外墻熱橋柱采用加氣混凝土外包，使外墻砌體為一個整體（圖6）。

圖6 砌體外包大樣圖

4 結(jié)論

該工程雖然選用了鋼框架方案作為最終的施工方案，在裝配率、造價、工期上做到了綜合較優(yōu)，但其余三種方案也是值得我們研究的。交錯桁架體系應(yīng)用較少，設(shè)計難度大，在建筑形狀規(guī)整時，其造價最低，工期最短。鋼管混凝土柱雖然會造成工期略微增加，但也將明顯降低造價，在工期允許時，仍是一種值得采用的結(jié)構(gòu)形式。而全預(yù)制PC結(jié)構(gòu)，工期較長，且為滿足裝配率要求，其外墻必須使用非砌筑施工，如果能找到一種價格合適且不易滲漏的新型條板墻，在工期允許的情況下，也是有一定的使用價值的。

在建造關(guān)鍵技術(shù)方面，BIM技術(shù)的應(yīng)用，可以以非常直觀的方式完成對應(yīng)的深化設(shè)計，及時發(fā)現(xiàn)構(gòu)件沖突，大幅降低了設(shè)計錯漏，但要達到BIM技術(shù)與裝配式更加緊密的結(jié)合，還要在今后的實踐中進一步磨合與完善。與此同時，不同構(gòu)件連接的節(jié)點，特別是外墻開裂的措施優(yōu)選，也是整個施工中的重點。