基于裝配式鋼筋骨架的混凝土工業化建筑設計研究*

文/東南大學建筑學院 張軍軍 張 宏

東南大學建筑設計研究院有限公司 羅 申 伍雁華

昆山生態屋建筑技術有限公司 劉 春

南京興華建筑設計研究院股份有限公司 劉子潔

0 引言

黨的“十九大”報告指出：“我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段，正處在轉變發展方式、優化經濟結構、轉換增長動力的攻關期”。建筑產業是國民經濟的支柱產業，但傳統建筑業存在諸多問題，如科技含量低、勞動力成本高、資源消耗大等。因此，建筑工業化是時代發展的必然趨勢。“十二五”以來，我國裝配式建筑已取得長足發展。

混凝土建筑工程主要包含4個方面：混凝土工程、鋼筋工程、模板工程和腳手架工程。長期以來鋼筋工程技術落后，存在易出錯、生產效率低、材料損耗大、過程難管控等問題。研究表明，建筑工業化不應局限于預制裝配式混凝土構件，裝配式鋼筋骨架同樣可采用工廠機械化生產和工位工業化施工，并可節省混凝土重復周轉運輸的高額費用，其相關技術是實現新型建筑工業化的重要組成部分。

1 裝配式鋼筋骨架設計原理

我國的建筑鋼筋加工設備最早以建筑工地上的簡單機器為主，基本是粗放型的生產方式，技術含量較低。2000年以來，我國鋼筋加工商品化逐漸得到發展。目前市場上常見的工程用商品鋼筋主要有鋼筋成型、箍筋成型、鋼筋網成型、鋼筋籠成型、鋼筋桁架焊接成型、鋼筋機械連接等。

混凝土建筑結構中，豎向結構主要指柱和剪力墻。框架結構在多層與低層辦公建筑中應用較多，剪力墻結構大規模應用于高層住宅。裝配式住宅是目前建筑工業化的主要著力點，以江蘇某高層保障性住宅為例，說明基于裝配式鋼筋骨架的工業化建筑設計原理。

常用的剪力墻有“T”形、“L”形、“十”字形、“Z”字形、折線形和“一”字形等，其截面尺寸較大，內部鋼筋較多，如果采用現場手工綁扎的方式，綁扎點較多，鋼筋間距得不到有效控制，鋼筋籠易出現尺寸偏差，而且高空作業多，不利于安全作業，成品質量控制水平不高。因此，剪力墻的配筋應結合鋼筋工業化生產，選用機械化建造的商品化鋼筋構件組合裝配建造，以獲得高品質、高效率。剪力墻可視為由剪力墻暗柱、剪力墻墻身、剪力墻梁三部分構成。

1）剪力墻暗柱即邊緣約束構件，表現為矩形鋼筋籠形式，可利用螺旋箍筋方形鋼筋籠機械設備一次生產成型，如圖1所示。

2）剪力墻墻身鋼筋較規整，一般呈網格狀布置，可利用鋼筋網連接機直接成型。一個普通的“L”形剪力墻的邊緣約束構件主要包含兩端的矩形暗柱和轉折點的“L”形暗柱，在模臺上將3個暗柱與4片鋼筋網片通過點焊連接，相對的鋼筋網片通過構造箍筋連接，即可形成“L”形剪力墻鋼筋骨架，如圖2所示。

3）剪力墻梁是線性構件，鋼筋骨架生產方式類似于柱。梁箍筋可采用鋼筋折彎機一次成型，也可采用螺旋箍筋。梁的下部鋼筋應通長，直接與箍筋點焊成整體，形成鋼筋骨架；考慮到裝配時不影響樓板鋼筋的吊裝，梁的上部鋼筋可吊裝至工位后再手工穿插。工廠成型的梁鋼筋骨架箍筋間距精準，形成整體后剛度較大適合吊裝，且吊裝時只有鋼筋，重量輕，吊裝較便捷。矩形梁鋼筋骨架如圖3所示。

目前我國裝配式建筑中，樓板通常采用疊合板。但疊合板的跨度通常在3m以內，因而需設置次梁，給裝配建造帶來不便。樓板跨度越大，裝配效率越高。“井格式”密肋樓蓋是較經濟的一種大板形式，因此提出一種基于裝配式鋼筋骨架的密肋樓蓋設計（見圖4）。密肋樓蓋跨度較大，為減少密肋厚度，可考慮利用機械直接成型的二維平面桁架作為密肋樓蓋的配筋。密肋樓蓋雙向受力時較為經濟，因此需考慮2個方向鋼筋交接時的節點設計，可通過標準節點進行連接。密肋樓蓋肋與肋之間無配筋，為減輕自重通常考慮留空，但肋與肋之間留空，相應密肋樓蓋的底表面積會增大，導致混凝土澆筑時的支模工作量大且繁瑣。因此，考慮在井格中填充倒梯形泡沫混凝土內芯（見圖5）。泡沫混凝土既充當肋梁側面和井格底面的混凝土澆筑模板，又可改善密肋樓蓋的保溫、隔熱、隔聲等方面性能。將上述剪力墻、梁和樓板的剛性骨架整合后形成的獨立結構單元模型如圖6所示，圖7是基于圖6進行的1∶1足尺真實建造。

圖1 螺旋箍筋方形鋼筋籠機械 設備

圖2 暗柱和鋼筋網組成剪力墻鋼筋骨架

圖3 矩形梁鋼筋骨架

圖4 基于裝配式鋼筋骨架的密 肋樓蓋

圖5 標準節點與填充內芯

圖6 獨立結構單元模型

圖7 1∶1足尺真實建造

基于減少構件種類的原則，采用上述裝配式鋼筋骨架完成某公寓標準層設計。根據套型尺寸和樓板跨度綜合考慮，方案將軸線定為8.4m矩形規則軸網，僅在核心筒處稍作變化。根據剪力墻裝配式鋼筋骨架的設計要點，盡量采取規格較簡單的“L”形、“T”形和“H”形剪力墻，在截面尺寸基本符合結構計算要求后，進行剪力墻種類的歸并，經過優化，每個標準層僅含有3種“L”形剪力墻、2種“T”形剪力墻和1種“H”形剪力墻，即每個標準層僅有6種剪力墻規格（見圖8）。考慮到該建筑共31層，其結構體上小下大，故將16層及以上剪力墻厚度設置為200mm，15層及以下剪力墻厚度設置為250mm，其中1～5層為加強層。因此該31層保障性住房的豎向結構剪力墻構件僅有18種，每個標準層的剪力墻共6種，每個剪力墻均由邊緣約束構件和鋼筋網片構成。通常情況下，每個剪力墻均包含2～3個不同的邊緣約束構件。在本方案中，為實現鋼筋骨架的預制，對邊緣約束構件進行了歸并與優化，如圖9所示，某標準層平面的剪力墻邊緣約束構件僅有9種。其余2個標準層平面也可進行類推。將1～5層的剪力墻構件分別編號為JG-1-1，JG-2-1，JG-3-1，JG-4-1，JG-5-1，JG-6-1，將6～15層的剪力墻構件分別編號為JG-1-2，JG-2-2，JG-3-2，JG-4-2，JG-5-2，JG-6-2，將16～31層的剪力墻構件分別編號為JG-1-3，JG-2-3，JG-3-3，JG-4-3，JG-5-3，JG-6-3，并對其相應的邊緣約束構件進行歸并和編號整理，如表1所示，可以發現，盡管整個建筑共有18種剪力墻構件，但構成它們的邊緣約束構件只有19種，即工廠生產的邊緣約束構件的鋼筋骨架型號只有19種，工業化生產效率較高。在本案中，梁和樓板同樣也在建筑設計和裝配建造之間取得協調，梁構件截面配筋形式僅有12種，樓板種類也較少。

該方案較好地體現了基于裝配式鋼筋骨架的工業化建筑設計。在設計過程中，基于鋼筋骨架的生產裝配原則，對剪力墻進行梳理和歸并，利用較少的鋼筋骨架，實現了復雜結構構件的預制裝配。經計算，其預制裝配率可達43.44%。

圖8 某公寓標準層結構設計

圖9 剪力墻邊緣約束構件歸并與優化

表1 邊緣構件統計

2 裝配式鋼筋骨架裝配技術

裝配式鋼筋骨架需要有三級裝配：第1步在工廠預制鋼筋構件；第2步在現場拼裝成為剛性鋼筋骨架；第3步將裝配式鋼筋骨架吊裝至工位進行連接，再現澆混凝土。

1）一級裝配 發生于預制構件廠，即鋼筋工業化制造廠。該層級的目的是在運輸高效的前提下預制鋼筋骨架構件。如柱或梁的剛性鋼筋骨架，本身是線性體量，預制完成后運輸依然高效，因此應盡量在工廠預制，提高效率；剪力墻和樓板構件較復雜，桁架密肋樓蓋平面尺寸過大，不適合運輸，因此宜考慮將構成剛性鋼筋骨架的構件高效地運輸至工地后，再進行二級裝配。

2）二級裝配 發生于工地工廠，即在工位附近臨時搭建的有頂操作空間。該層級的目的是接收和管理預制構件廠運輸來的構件，對已裝配完成的構件進行維護，對未裝配完成的構件設專用工具和空間完成裝配建造，形成可吊裝的成品件；并對預制構件堆場進行實時補給，以保證其長期保持充足的構件周轉量。

3）三級裝配 發生于工位上。主要目的是實現裝配式鋼筋骨架的連接，通過局部后加鋼筋的形式，在滿足國家建筑結構規范的前提下，實現鋼筋骨架整體連接。

因此，裝配式鋼筋骨架的一級工廠裝配是為生產運輸件，主要包括柱、梁、剪力墻邊緣約束構件、鋼筋網片、網模、密肋大板底模等構件的工業化生產。裝配式鋼筋骨架的二級工地工廠裝配是為實現吊裝件，主要包括剪力墻和大板。裝配式鋼筋骨架的三級工位裝配是將剛性鋼筋骨架連接為整體，即將剪力墻、梁、樓板等鋼筋骨架連接成整體結構，通過工業化商品混凝土現場澆筑整體成型。該技術實現了分級裝配大構件，提高了運輸、起吊及工業裝配等環節的經濟性和效率。

3 結語

鋼筋工程工業化對推進建筑工業化意義重大，我國商品混凝土系統發展完備且現澆混凝土工業化技術成熟，裝配式鋼筋骨架技術集預制和現澆2種工法優點，適應機械化大生產趨勢。作為與PC相輔相成的技術體系，其具有3個不可替代的優點。

1）構件質量輕，避免了混凝土的多次周轉，可降低運輸費用。

2）相較PC對構件外觀尺寸的歸并與優化，裝配式鋼筋骨架技術對構件的歸并優化更徹底，從鋼筋骨架本身進行標準化設計，更符合工業化生產要求。

3）與現行規范銜接更好，可避免因施工不當而引起的PC連接問題。