鐵路工程建設(shè)中的裝配式房屋施工技術(shù)

潘偉

（中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司鐵路工程公司，北京 100071）

1 裝配式房屋實(shí)施情況

格庫鐵路新疆段線路長(zhǎng)約708km，自青海新疆省界開始穿越阿爾金山脈，一路穿過羅布泊無人區(qū)、沿塔克拉瑪干沙漠邊緣一直到天山南麓庫爾勒市，沿途自然環(huán)境惡劣、人煙稀少、交通不便。為了解決現(xiàn)場(chǎng)施工難題，烏魯木齊鐵路局提出改變傳統(tǒng)模式，采用裝配式房屋，在鐵路行業(yè)屬于首次。

鐵一院設(shè)計(jì)了本項(xiàng)目中裝配式房屋技術(shù)方案，構(gòu)件包括梁、柱、輕質(zhì)墻板、剪力墻、樓板、樓梯、雨蓬、女兒墻等，其中區(qū)間基站采用剪力墻結(jié)構(gòu)，信號(hào)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合樓、宿舍樓等采用框架結(jié)構(gòu)。

本項(xiàng)目依照下列順序完成：房屋構(gòu)件工廠集中預(yù)制、鐵路運(yùn)輸至工點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械化安裝。根據(jù)格庫鐵路新疆段沿線狀況及總體工期安排，在庫爾勒庫東貨場(chǎng)新建了一座標(biāo)準(zhǔn)裝配式房屋預(yù)制構(gòu)件廠；工期安排上，先預(yù)制設(shè)備房屋（基站、信號(hào)樓）構(gòu)件，后預(yù)制生活辦公房屋（宿舍樓）構(gòu)件；根據(jù)各工點(diǎn)施工安排，分批通過工程線用火車將構(gòu)件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。

格庫鐵路新疆段已于2020年12月9日全線開通運(yùn)營(yíng)，過程中，裝配式房屋從2018年11月開始建設(shè)集中預(yù)制廠，2019年4月開始生產(chǎn)構(gòu)件，2019年10月預(yù)制完成，2020年4月運(yùn)輸完成，2020年6月安裝完成，整體工期可控。

2 裝配式房屋的特征分析

（1）節(jié)約能源：雖然我國(guó)建筑行業(yè)正在迅猛發(fā)展，但相較于發(fā)達(dá)國(guó)家仍有差距，僅在節(jié)約資源層面來說，建筑耗能如鋼筋、水泥是發(fā)達(dá)國(guó)家的數(shù)倍。正因?yàn)榇嬖诖罅康暮哪埽绊懳覈?guó)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。裝配式房屋施工技術(shù)可以解決這個(gè)問題，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，采取集中預(yù)制生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械化安裝，盡可能減少鋼材、水泥等損耗，同時(shí)減少了清運(yùn)廢棄物、現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)混凝土及鋼管支架、模板等過程。

（2）節(jié)約建筑成本：裝配式結(jié)構(gòu)最明顯的優(yōu)勢(shì)是縮短工期，以此進(jìn)一步降低建筑工程造價(jià)。還能解決因勞動(dòng)力成本增加而引發(fā)的建筑成本增加問題，施工過程中減少對(duì)模板等相關(guān)材料的使用。裝配式結(jié)構(gòu)在降低成本的同時(shí)提升了施工單位的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)裝配式房屋建筑施工技術(shù)展開深層研究，能夠促進(jìn)建筑企業(yè)的進(jìn)步。本項(xiàng)目因未實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，建廠、周轉(zhuǎn)料等均為一次性投入，經(jīng)濟(jì)效益未達(dá)到預(yù)期。

（3）縮短建筑工期：采用裝配式結(jié)構(gòu)，集中預(yù)制、運(yùn)輸，分批安裝，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求低，減少了現(xiàn)場(chǎng)大部分工序，通過搭積木的形式縮減了分項(xiàng)工程減少工期。在裝飾房屋的過程中能同時(shí)進(jìn)行其他工程，進(jìn)一步縮短了工期。

（4）確保建筑工程質(zhì)量：利用裝配式房屋建筑施工技術(shù)時(shí)，房屋結(jié)構(gòu)的質(zhì)量最終取決于各個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量，構(gòu)件在工廠流水線集中預(yù)制，通過信息化管理手段及完善的質(zhì)量控制體系控制，質(zhì)量更優(yōu)。

（5）環(huán)保：相對(duì)于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)施工，裝配式結(jié)構(gòu)減少了現(xiàn)場(chǎng)的濕作業(yè)內(nèi)容，減少了建筑垃圾及廢水排放，環(huán)保效果明顯。

3 裝配式房屋的結(jié)構(gòu)分類及特點(diǎn)

我國(guó)目前裝配式建筑分類主要包括預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑等，但在鐵路工程實(shí)踐中，因功能性較強(qiáng)、工點(diǎn)分散、線路多處偏遠(yuǎn)山區(qū)等，目前應(yīng)用較多的僅有鋼結(jié)構(gòu)建筑，如倉庫、雨棚、站房等，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)尚未推廣。

3.1 輕鋼結(jié)構(gòu)

在低層或者單層裝配式房屋中，如廠房、車間或者擋雨棚一般會(huì)采用輕鋼結(jié)構(gòu)，連接方式多為螺栓和焊接。墻體多為復(fù)合板材，如彩鋼、歐松板以及硅酸蓋板，該材料具有高抗震性、安裝具有便捷性，但缺點(diǎn)是隔音、防火、隔熱以及防潮較一般。但是在鐵路沿線的站房等設(shè)備要求具有防火和隔聲的功能。

3.2 預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)多層或高層的裝配式房屋中最常用到的是預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)自重大且具有較強(qiáng)的承載力。構(gòu)件一般均在工廠預(yù)制，利用濕接法或干法方式連接框架、梁、柱和墻體。濕連接的優(yōu)點(diǎn)是提升了節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆后建筑結(jié)構(gòu)自身的抗震性，但是由于工序較復(fù)雜導(dǎo)致結(jié)構(gòu)成型速度減緩。干連接的優(yōu)點(diǎn)是安裝步驟簡(jiǎn)單，符合建筑工業(yè)化的要求，但是自身抗震性、延性和恢復(fù)能力比較低。

本項(xiàng)目房屋采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，綜合了濕接法與干法連接的特點(diǎn)：框架結(jié)構(gòu)的梁、柱，剪力墻結(jié)構(gòu)的墻板等受力結(jié)構(gòu)采用濕接法；輕型外掛板、內(nèi)墻板等非承重結(jié)構(gòu)采用干法連接。

4 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝配式房屋和傳統(tǒng)建筑有兩個(gè)重要的區(qū)別：①傳統(tǒng)建筑更多的是對(duì)功能的追求，但是裝配式房屋進(jìn)一步考量了工廠化生產(chǎn)和裝配式施工兩個(gè)內(nèi)容。在設(shè)計(jì)裝配式房屋時(shí)，其開間模數(shù)、門窗洞口的大小都要加以重視，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件更深層次的拆分后共有梁、柱、樓板、墻板等標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，確定構(gòu)件的尺寸時(shí)要結(jié)合工程自身的成本、現(xiàn)場(chǎng)吊裝能力和運(yùn)輸?shù)取５阮A(yù)制構(gòu)件的類型達(dá)到模式化和標(biāo)準(zhǔn)化后，構(gòu)件的生產(chǎn)能力將有相當(dāng)大的提高；②裝配式房屋自身工業(yè)化的特點(diǎn)使不同工點(diǎn)房屋也能使用同種構(gòu)件模塊，且此時(shí)模板、工裝工具等能循環(huán)使用。因此，如果建筑面積較大、結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一時(shí)，盡量選擇以裝配式的方式施工。

4.2 優(yōu)化構(gòu)件類型

本文所涉及的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)較煩瑣，如宿舍樓和信號(hào)樓之間不同的構(gòu)件模板即柱、梁、外墻掛板等都不同。在信號(hào)樓中，單個(gè)信號(hào)樓通常會(huì)預(yù)制21根柱，有3種不同長(zhǎng)度，主筋出筋間距有14種；內(nèi)墻板按照尺寸分為26種，共會(huì)用到216塊，如果按照預(yù)埋分類則共有89種；外墻掛板按照尺寸分為8種，共會(huì)用到48塊，L型墻板的生產(chǎn)無法在PC線上完成。宿舍樓房屋共有兩層，其中層高和預(yù)埋存在較大差異，其構(gòu)件比信號(hào)樓更加復(fù)雜。宿舍樓所用到的疊合板、預(yù)制柱按照尺寸共分為15類、5類，其中預(yù)制柱按照主筋出筋間距分為18種；在所需構(gòu)件自身類型多、而不同類型自身的構(gòu)建模型也較多時(shí)，為了符合構(gòu)件的生產(chǎn)效率，需要提升模具的數(shù)量。在這種情況下，增加了模具設(shè)計(jì)、使用難度，還使成本不當(dāng)增加。所以，必須不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，統(tǒng)一構(gòu)件的尺寸和類型。

4.3 優(yōu)化配筋

梁、柱兩處的支座節(jié)點(diǎn)有大量的鋼筋，連接安裝的難度會(huì)進(jìn)一步增大。計(jì)算配筋率時(shí)一般依據(jù)設(shè)計(jì)院的施工圖，比如阿爾金山信號(hào)樓預(yù)制柱配筋率、預(yù)制梁配筋率、外掛板配筋率和疊合板配筋率分別455.32kg/m3、260.56kg/m3、219.67kg/m3和156.22kg/m3。相較于普通住宅，該項(xiàng)目設(shè)備房屋配筋率比較大。

在設(shè)計(jì)房屋的過程中，為了讓鐵路房屋標(biāo)準(zhǔn)符合要求，首先要保持配筋率的值較低。依據(jù)項(xiàng)目自身的生產(chǎn)和安裝詳情，小梁、柱鋼筋直徑或鋼筋密集度可通過大直徑主筋和低配筋率兩個(gè)途徑降低，此時(shí)有利于避免鋼筋碰撞意外事故，最終降低安裝成本。

4.4 連接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

（1）框架梁鋼筋連接優(yōu)化為分體式雙螺旋套筒，解決了原設(shè)計(jì)直螺紋套筒無法保證構(gòu)件順利安裝情況。

（2）預(yù)制梁端鋼筋錨固優(yōu)化為錨固板連接，解決了梁端錨固鋼筋為彎起鋼筋時(shí)構(gòu)件生產(chǎn)時(shí)無法安裝端模板的問題。

（3）原設(shè)計(jì)框梁與次梁連接點(diǎn)為預(yù)留凹槽、現(xiàn)場(chǎng)澆筑方式，為了方便生產(chǎn)以及成品保護(hù)，優(yōu)化為主梁甩筋和次梁分體套筒連接。

5 工程線運(yùn)輸

本項(xiàng)目線路長(zhǎng)約708km，大部分工點(diǎn)在沙漠戈壁無人區(qū)，修筑便道難度大，且公路運(yùn)輸對(duì)構(gòu)件成品保護(hù)不利、成本高。采用工程線火車運(yùn)輸構(gòu)件效率高，一次運(yùn)量大，可以控制運(yùn)輸成本。本項(xiàng)目全線房屋預(yù)制構(gòu)件，采用工程線運(yùn)輸20次完成。

6 建議引入BIM技術(shù)

BIM技術(shù)將建筑工程項(xiàng)目所有參與方的數(shù)據(jù)信息整合在一起，形成一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)。由于采用了三維建筑設(shè)計(jì)方式，該方法能夠?qū)⒄麄€(gè)工程的構(gòu)件、連接方式、管線排布甚至整個(gè)全貌展現(xiàn)出來，設(shè)計(jì)師能更好地把握整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)步驟，大幅提升設(shè)計(jì)效率。BIM技術(shù)將項(xiàng)目各個(gè)部門的所有數(shù)據(jù)信息整合在一起，其中BIM模型的本質(zhì)便是數(shù)據(jù)集成模型[1]。

裝配式房屋所用到的構(gòu)件、部品以及配件均采用工廠化生產(chǎn)，整個(gè)建筑整體是利用機(jī)械化、信息化的裝配式技術(shù)安裝，其中的配件為毫米級(jí)，組裝的要求比較高。

“精密建造”是建筑工業(yè)化的要求之一，為此在設(shè)計(jì)、加工、裝配等方面都要達(dá)到精密化的程度。BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)和施工上都能滿足精密化的要求。

新型裝配式房屋具有系統(tǒng)化和集成化兩個(gè)特點(diǎn)，系統(tǒng)化包括了五個(gè)方面，即設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、裝修以及管理，不同于傳統(tǒng)建筑中所追求的裝配化。新型建筑工業(yè)化有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修以及信息化管理等特征。

“集成”是裝配式房屋的核心，而“集成”的主線是BIM，通過數(shù)字化的方式對(duì)串聯(lián)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、裝修和管理展開仿真模擬，以信息化的方式描述系統(tǒng)要素，最終實(shí)現(xiàn)可視化裝配。

BIM技術(shù)作為一個(gè)信息共享的平臺(tái)，該平臺(tái)被所有設(shè)計(jì)工程師所利用，建模、修改能共同展開，實(shí)現(xiàn)共享信息。如果有的專業(yè)設(shè)計(jì)出現(xiàn)差錯(cuò)或者有需要改進(jìn)的地方，其他專業(yè)能通過共享的信息修改。而且，針對(duì)同一平臺(tái)，各個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)師的分工不同，在嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和原則的基礎(chǔ)上，大大提升設(shè)計(jì)精度和效率。

很多沿線偏遠(yuǎn)地帶會(huì)布置鐵路配套建筑設(shè)施，如信號(hào)中繼站、站房、通信基站、車站、執(zhí)勤崗?fù)ず妥冸娝认嚓P(guān)設(shè)施規(guī)模要一致，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也要統(tǒng)一，為了減少設(shè)計(jì)成本和模數(shù)的使用數(shù)量，整體線路的同一設(shè)施的設(shè)計(jì)要一致。

綜上所述，可知鐵路行業(yè)的主要發(fā)展方向是規(guī)模一致化、結(jié)構(gòu)整體統(tǒng)一化設(shè)計(jì)和構(gòu)件預(yù)制化、構(gòu)件連接方式。

7 結(jié)語

裝配式建筑具有兩方面的優(yōu)點(diǎn)：①降低鐵路建筑設(shè)施的建設(shè)難度；②提升鐵路建設(shè)的工作效率。面對(duì)國(guó)內(nèi)用工成本逐年上升、“以人為本”改善作業(yè)環(huán)境的需要以及環(huán)保的要求等，裝配式建筑將越來越多的應(yīng)用于鐵路房屋。